Brevet FR2632461A1 — publié le 19891208

Dispositif laser à circulation de gaz La présente invention concerne un dispositif laser à circulation de gaz. On sait qu'un amplificateur laser à circulation de gaz comporte un circuit dans lequel on fait circuler un milieu actif gazeux et des moyens pour exciter le milieu actif circulant dans une portion du circuit. En disposant cette portion dans une cavité optique résonnante on obtient un générateur laser à circulation de gaz. Dans certaines applications, il est nécessaire de disposer d'un dispositif complexe comprenant plusieurs générateurs ou amplificateurs laser à circulation de gaz. Ce dispositif présente l'inconvénient d'être très encombrant. La présente invention a pour but de réaliser un dispositif laser complexe, à circulation de gaz, d'emcombrement plus faible. La présente invention a pour objet un dispositif laser à circulation de gaz, comportant - des moyens pour faire circuler un milieu actif gazeux dans un conduit - et un émetteur laser comprenant . une cavité optique résonnante contenant une portion du volume interne du conduit, l'axe de cette cavité étant orienté transversalement par rapport au sens de circulation du milieu actif gazeux . et des moyens pour exciter le milieu actif gazeux circulant dans cette portion afin de créer un faisceau laser à la sortie de la cavité, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour exciter le milieu actif gazeux dans au moins une autre portion du volume interne du conduit, afin que cette portion soit capable d'amplifier un rayonnement laser la traversant. Plusieurs formes d'exécution de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels les figures 1, 2, 3 et 4 représentent respectivement quatre modes de réalisation du dispositif laser selon l'invention et la figure 5 représente une variante du dispositif illustré par la figure 4. Sur la figure 1, l'entrée et la sortie d'un groupe de ventilation 1 sont raccordées aux deux extrémités d'un conduit tubulaire 2 formant une boucle. Le conduit 2, représenté en coupe, comporte une sortie de gaz 13 et une entrée 3 qui peut être reliée à une source de gaz actif laser pouvant être constituée par un réservoir contenant un mélange d'hélium, de gaz carbonique et d'azote. Dans une autre variante non représentée du dispositif illustré, le conduit contenant le gaz actif en circulation ne comporte aucune entrée ou sortie et forme avec le groupe de ventilation un circuit fermé. En un point de la boucle du circuit illustré par la figure 1, est inséré un émetteur laser 4 représenté en coupe. L'émetteur 4 est disposé à l'intérieur d'un boitier isolant 5 de forme parallélépipédique. Deux faces opposées du boitier 5 sont munies respectivement d'ouvertures 8 et 9 raccordées au conduit 2. A l'intérieur du boîtier 5 sont fixées, sur deux autres faces opposées, respectivement une anode 6 et une cathode 7. Sur les deux dernières faces du boitier 5 sont encastrés un miroir à réflexion totale 11 et un miroir partiellement réfléchissant (non visible), ces miroirs formant une cavité optique résonnante dont l'axe est perpendiculaire au plan de la figure. Le volume actif 10, situé dans l'intervalle compris entre l'anode 6 et la cathode 7, forme donc une portion du volume interne du conduit 2. Les deux bornes d'un circuit électrique d'excitation 12 sont reliées par des conducteurs respectivement à l'anode 6 et à la cathode 7. te circuit 12 comporte un générateur de courant électrique et des organes de commande de ce générateur. En un autre point de la boucle formée par le conduit 2 est inséré un autre boîtier 15 analogue au boitier 5 mais de dimensions plus importantes. Le boîtier 15 est raccordé au conduit 2 par deux ouvertures ménagées sur deux faces opposées. Une anode 16 et une cathode 17, de dimensions plus grandes que l'anode 6 et la cathode 7, sont fixées à l'intérieur du boitier 15 sur deux autres faces opposées. L'anode 16 et la cathode 17 sont reliées respectivement aux deux bornes d'un circuit d'excitation 20 analogue au circuit 12. On obtient ainsi un amplificateur laser dont le volume actif 19, situé dans l'intervalle compris entre l'anode 16 et la cathode 17, forme une autre portion du volume interne du conduit 2. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le volume actif 19 est disposé à l'intérieur d'une cavité optique résonnante dont l'axe, perpendiculaire au plan de la figure, est orienté transversalement par rapport au sens de circulation du milieu actif gazeux. Cette cavité est formée d'un miroir à réflexion totale 18 et d'un miroir partiellement transparent non visible sur la figure. On obtient ainsi un émetteur laser 14. Le dispositif représenté sur la figure 1 fonctionne de la manière suivante. On relie d'abord l'entrée 3 du conduit 2 à la source de mélange actif gazeux et on met en marche le goupe de ventilation 1, qui provoque une circulation de gaz actif dans le conduit 2, dans le sens des flèches 21 et 22. Le gaz traverse les volumes actifs 19 et 10 qui sont disposés en série dans le conduit 2. On commande alors le générateur électrique du circuit 12 pour déclencher une décharge électrique entre l'anode 6 et la cathode 7 de façon à exciter le gaz actif en circulation dans le volume 10, afin de provoquer émission d'un rayonnement laser sortant de la cavité optique du laser 4. On commande aussi le générateur électrique du circuit 20 pour déclencher une décharge électrique entre l'anode 16 et la cathode 17 de façon à exciter le gaz actif en circulation dans le volume 19, afin de provoquer l'émission d'un autre rayonnement laser sortant de la cavité du laser 14. Les longueurs d'onde d'émission des lasers 4 et 14 peuvent être différentes l'une de l'autre. En effet en remplaçant un miroir par un réseau optique dans la cavité d'un laser, il est possible d'accorder la longueur d'onde de cette cavité sur une des raies caractéristiques du gaz actif en circulation. Les longueurs d'onde d'émission des deux lasers peuvent ainsi correspondre à deux raies différentes du spectre d'émission du gaz actif. Les lasers 4 et 14 peuvent fonctionner simultanément ou alternativement. Le fonctionnement peut s'effectuer en continu ou par impulsions. Si les deux lasers fonctionnent par impulsions, les cadences de répétition peuvent être différentes. D'une manière générale l'énergie ou la puissance du rayonnement délivré par un laser est différente de celle du rayonnement de l'autre laser. Dans le cas, envisagé plus haut, où le volume 19 ne serait pas contenu dans une cavité optique résonnante, il est possible, à l'aide d'un système optique de renvoi, de faire passer le rayonnement émis par le laser 4 à travers le volume actif 19, de façon à réaliser une amplification de l'énergie de ce rayonnement. Sur la figure 2, un conduit de circulation de gaz 23 se divise en deux branches 24 et 25 en parallèle, la section de la branche 24 étant plus faible que celle de la branche 25. Sur la branche 24 est inséré un émetteur laser 26 analogue au laser 4 de la figure 1, et comportant une cavité optique résonnante formée de deux miroirs 27 et 28, l'axe de cette cavité étant disposé dans le plan de la figure, transversalement par rapport au sens de circulation de gaz dans la branche 25. Sur la branche 25, est inséré un amplificateur laser 29, comportant les mêmes éléments que le laser 14 de la figure 2 sauf, bien entendu, sa cavité optique résonnante. L'amplificateur 29 est disposé de façon que son volume actif soit traversé par le faisceau 30 émis par le laser 26, afin d'amplifier l'énergie du faisceau 30. Cette disposition évite l'utilisation d'un système optique de renvoi. Sur la figure 3 est visible un conduit 23 divisé en deux branches parallèles 24 et 25 identiques à celles représentées sur la figure 2. Dans les branches 24 et 25 sont insérés respectivement deux amplificateurs laser 31 et 32 dont les éléments sont semblables à ceux des lasers 4 et 14 (figure 1). Le dispositif comporte en outre une seule cavité optique résonnante formée de deux miroirs 33 et 34 alignés sur un même axe 35 sensiblement perpendiculaire à la direction de circulation des gaz. Le miroir 33 à réflexion totale est fixé sur le bottier de l'amplificateur 31 d'un côté du dispositif tandis que le miroir 34 partiellement transparent est fixé sur le boîtier de l'amplificateur 32 de l'autre côté du dispositif, de sorte que'la cavité 33-34 contient les milieux actifs des deux amplificateurs 31 et 32. Cette disposition permet, en faisant l'économie de deux miroirs, d'adapter plus facilement la section d'écoulement des gaz à la puissance où à l'énergie du rayonnement délivré par les deux lasers, le premier laser étant constitué par la cavité 33-34 associée à l'amplificateur 31 et le deuxième laser étant constitué par la même cavité 33-34 associée à l'amplificateur 32. Cette disposition permet en outre de réunir et d'aligner suivant un même axe 35 les rayonnements des deux lasers sans utiliser de système optique de renvoi. Bien entendu il est possible aussi, dans une variante non représentée, de décaler les axes d'émission des deux lasers, chaque laser comportant alors une cavité optique différente de celle de l'autre laser. Sur la figure 4 est représentée une chambre de combustion 36 comportant des tubulures 37, 38 et 39 pour introduire un comburant et un carburant dans la chambre 36. Une pluralité de tuyères telles que 40 est disposée à la sortie de la chambre 36 pour détendre le gaz résultant de la combustion réalisée dans la chambre 36. A titre d'exemple le carburant peut être de l'hydrogène : le gaz résultant de la combustion contient alors de l'hydrogène atomique. A la sortie des tuyères 40 sont disposés des canaux (non visibles sur la figure) capables d'injecter, suivant le sens 41 d'écoulement des gaz, un gaz réactif tel que du chlore qui se combine chimiquement à l'hydrogène atomique pour former des molécules d'acide chlorhydrique excitées en vibration. Le gaz excité sortant des tuyères est canalisé dans un manchon 42 comportant des fenêtres transparentes 43 et 44. De part et d'autre du manchon et en face des fenêtres sont disposés respectivement un miroir concave 45 à réflexion totale et un miroir plan "6 partiellement transparent, ces miroirs formant une cavité optique résonnante dont l'axe est dirigé transversalement par rapport au sens d'écoulement des gaz. Une autre cavité optique résonnante est disposée autour du manchon 42 suivant un axe parallèle à celui de la cavité 45-46. Cette autre cavité comprend un prisme tournant 47 et un miroir partiellement transparent 48. Grâce à la circulation du gaz actif excité dans les deux cavités, on obtient d'une part à la sortie de la cavité 45-46 un rayonnement continu 49 et d'autre part à la sortie de la cavité 47-48 un rayonnement 50 comportant des impulsions lumineuses déclenchées par rotation du prisme 47. Il est possible de réunir les rayonnements 49 et 50 à l'aide d'un système optique de couplage non représenté pour former un troisième rayonnement résultant de la superposition des deux premiers suivant un même axe. La figure 5 représente une variante du dispositif illustré par la figure 4, cette variante comportant de nombreux éléments communs avec le dispositif de la figure 4, ces éléments étant désignés par les mêmes références. Dans cette variante, les volumes internes des deux cavités optiques résonnantes, respectivement 51-52 et 53-54, se croisent de façon à présenter une partie commune 55 dans une zone axiale du manchon 42. Bien entendu, on peut aussi réaliser des dispositifs laser analogues à ceux représentés sur les figures 4 et 5, mais comportant deux émetteurs laser fonctionnant par impulsions. Dans ce cas, les deux cavités laser peuvent être accordées sur des longueurs d'onde différentes, comme il a été dit au sujet du dispositif illustré par la figure 1. Le dispositif selon l'invention peut être utilisé chaque fois qu'il est nécessaire de disposer, dans une application déterminée, d'un générateur laser associé à un amplificateur ou à un autre générateur laser, ces générateurs ou amplificateurs étant du type à circulation de gaz. En particulier, le dispositif selon l'invention est appliqué avantageusement à la réalisation.de systèmes militaires de poids et d'encombrement aussi faibles que possible, et notamment à la réalisation de systèmes miliaires destinés à équiper des avions et des chars. A titre d'exemple, un dispositif selon l'invention, du type de celui illustré par les figures 1 ou 3, peut être appliqué à la réalisation d'un poste de détection-guidage. Un des lasers du dispositif délivre des impulsions de quelques MW à une cadence de 20 à 50 Hz en vue de la détection et de la télémètrie d'une cible aérienne telle qu'un missile, et l'autre laser délivre un faisceau d'impulsions, de puissance 3kW, à une cadence de répétition de 10 kHz, pour guider sur ce faisceau le missile détecté. Dans ce cas, les deux lasers fonctionnent successivement. Le dispositif selon l'invention illustré par la figure 4 peut être utilisé à la réalisation d'un système équipant un avion pour poursuivre un missile autoguidé par rayonnement infrarouge et émettre vers ce missile des impulsions de contremesure ou de transmission d'ordres. Dans ce cas, le rayonnement continu 49 peut être modulé en amplitude à une cadence de répétition variable de façon à créer des impulsions de contremesure ou de transmission d'ordres, et la cavité 47-48 peut délivrer des impulsions de poursuite très courtes 50 dans les intervalles de temps séparant deux impulsions successives de contremesure ou de transmission d'ordres. Ce système comporte des moyens de couplage optique pour réunir en un seul faisceau les rayonnement 49 et 50.Ce faisceau est dirigé sur le missile par réflexion sur un miroir dont l'orientation est commandée par un système d'asservissement recevant les impulsions électriques délivrées par un détecteur électro-optique capable de capter les impulsions de poursuite renvoyées par le missile. Un dispositif selon l'invention comprenant deux émetteurs laser à impulsions de longueurs d'onde différentes peut être appliqué à la réalisation d'une arme laser munie d'un système de pointage automatique. Dans ce cas, le pointage automatique peut être réalisé à l'aide d'un radar optique infrarouge utilisant la longueur d'onde d'émission d'un des émetteurs laser et le faisceau destructeur de l'arme laser est celui émis sur une autre longueur d'onde par l'autre émetteur laser. Cette disposition permet d'éviter que le radar optique infrarouge ne soit ébloui par la rétrodiffusion des ondes du faisceau destructeur. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, on peut sans sortir du cadre de l'invention remplacer certains moyens techniques par des moyens équivalents. De plus, il est évident qu'il est possible de réaliser un dispositif laser comportant plus de deux émetteurs-ou amplificateurs laser insérés dans un seul réseau de circulation de gaz. REVENDICATIONS 1/ Dispositif laser à circulation de gaz, comportant - des moyens pour faire circuler un milieu actif gazeux dans un conduit - et un émetteur laser comprenant . une cavité optique résonnante contenant une portion du volume interne du conduit, l'axe de cette cavité étant orienté transversalement par rapport au sens de circulation du milieu actif gazeux . et les moyens pour exciter le milieu actif gazeux circulant dans cette portion afin de créer un faisceau laser à la sortie de la cavité, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour exciter le milieu actif gazeux dans au moins une autre portion du volume interne du conduit, afin que cette portion soit capable d'amplifier un rayonnement laser la traversant. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite portion et ladite autre portion du volume interne du conduit sont disposées en série dans le conduit. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit comporte deux branches en parallèle et que ladite portion et ladite autre portion sont disposées respectivement dans ces deux branches. 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite autre portion est disposée de façon à être traversée par le faisceau laser. 5/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lemilieu actif gazeux est un mélange d'hélium, de gaz carbonique et d'azote, 6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour exciter le milieu actif gazeux circulant dans ladite portion et les moyens pour exciter le milieu actif gazeux circulant dans ladite autre portion du volume interne du conduit comportent chacun une anode et une cathode reliées à un générateur électrique ainsi qu'un circuit de commande du générateur capable de déclencher entre l'anode et la cathode une décharge électrique transversale dans le milieu actif. 7/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une autre cavité optique résonnante contenant ladite autre portion du volume interne du conduit, l'axe de cette autre cavité étant disposé transversalement par rapport au sens de circulation. 8/ Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite cavité et ladite autre cavité sont coaxiales, ledit conduit comprenant deux branches en parallèle, ladite portion et ladite autre portion étant disposées respectivement dans ces deux branches. 9/ Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite cavité et ladite autre cavité sont constituées par une même cavité. 10/ Dispositif selon la revendication7, caractérisé en ce que la cavité optique résonnante et ladite autre cavité optique résonnante sont accordées sur des longueurs d'ondes différentes. 11/ Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les volumes internes de ladite cavité et de ladite autre cavité présentent une partie commune située dans une zone axiale du conduit. 12/ Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens pour faire circuler un milieu actif gazeux dans le conduit comportent - une chambre de combustion, - des moyens pour introduire un comburant et un carburant dans la chambre de combustion - et des tuyères disposées entre la chambre de combustion et le conduit, pour détendre les gaz résultant de la combustion, - et que lesdits moyens pour exciter le milieu actif gazeux circulant dans ladite portion et dans ladite autre portion du volume interne du conduit comportent un système pour injecter à travers les tuyères un gaz réactif réagissant chimiquement avec le gaz résultant de la combustion.