Brevet FR2640827A1 — publié le 19900622

Procédé et dispositif pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 1J315 micron La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour créer un-faisceau laser de longueur d'onde 1,315 micron. Un procédé connu pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 1,315 micron est décrit dans l'article américain intitulé "Production of population inversions among the electronic states of atomic species by processes of intermolecular VE energy transfer" (J.A. Blauer et G.D. Hager) extrait de l'ouvrage "Electronic transition lasers" (J.I. Steinfeld) MIT Press, 1976, pages 105 à 111. Dans ce procédé, on comprime rapidement et fortement un mélange gazeux comportant de I'hydrogène moléculaire et de l'argon de façon à porter la température du mélange à une température supérieure à 50000R et à former en son sein de lthydrogène atomique. On détend ensuite le mélange comprimé par passage à travers une tuyère et on injecte de l'acide iodhydrique gazeux dans le flux de gaz sortant de la tuyère. L'acide iodhydrique réagit sur l'hydrogène atomique pour former de l'hydrogène moléculaire excité en vibration et de l'iode atomique au niveau quantique P3/2. L'énergie d'excitation de l'hydrogène moléculaire est alors transférée à l'iode de façon à faire passer les atomes diode de l'état 2P3/2 à l'état excité 2P1/2. Le gaz contenant l'iode excité est admis à traverser une cavité optique résonnante. Il est possible ainsi d'obtenir, pour une compression du mélange gazeux, une impulsion laser sortant de la cavité, de longueur d'onde 1,315 micron. Mais, comme il est indiqué dans l'article américain les essais de laboratoire effectués suivant cette méthode ont donné des résultats peu satisfaisants et non répétitifs. D'autre part, il n'est pas possible d'obtenir par cette méthode un faisceau laser continu. La présente invention a pour but de réaliser un émetteur laser continu, fonctionnant à la longueur d'onde de 1,315 micron, ce laser présentant une bonne fiabilité de façon à pouvoir être réalisé industriellement. La présente invention a pour objet un procédé pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 1,315 micron, consistant - à former de l'hydrogène atomique dans un mélange gazeux constitué d'hydrogène moléculaire et d'un gaz neutre, - à détendre le mélange gazeux contenant de l'hydrogène atomique par passage dans des tuyères à une vitesse supersonique, - à injecter de l'acide iodhydrique gazeux à la sortie des tuyères dans le sens d'écoulement du mélange, cet acide réagissant avec l'hydrogène atomique pour former de l'hydrogène moléculaire excité en vibration et de l'iode atomique au niveau quantique 2P3,2 , l'énergie d'excitation de cet hydrogène moléculaire étant alors transférée à l'iode de façon à faire monter les atomes d'iode du niveau P3/2 au niveau P1/2, - et à faire passer le mélange gazeux sortant des tuyères et contenant 11 iode au niveau 2P1/2, à l'intérieur d'une cavité optique résonnante perpendiculairement à l'axe de cette cavité, pour obtenir à la sortie de la cavité ledit faisceau laser de longueur d'onde 1,315 micron par descente des atomes d'iode du niveau 2P 1/2 au niveau 2P3/2 caractérisé en ce que la formation de l'hydrogène atomique dans le mélange gazeux contitué d'hydrogène moléculaire et du gaz neutre est obtenue en soumettant ce mélange à une décharge électrique à haute tension, le faisceau laser sortant de la cavité étant un faisceau continu. La présente invention a aussi pour objet un dispositif pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 1,315 micron, comportant - un groupe de tuyères, - des moyens disposés à l'amont des tuyères pour former de l'hydrogène atomique dans un mélange gazeux constitué d'hydrogène moléculaire et d'un gaz neutre, - des moyens pour faire passer le mélange gazeux contenant de l'hydrogène atomique à travers les tuyères de façon à détendre ce mélange, - des moyens pour injecter de l'acide iodhydrique gazeux dans le mélange gazeux sortant des tuyères de façon à former de l'iode atomique excité dans ce mélange - et une cavité optique résonnante disposée à l'aval des tuyères perpendiculairement au sens de l'écoulement gazeux pour être traversée par le mélange gazeux contenant de l'iode atomique excité, caractérisé en ce que - lesdits moyens pour former de l'hydrogène atomique dans le mélange gazeux comportent deux électrodes disposées à l'amont de chaque tuyère et connectées respectivement aux deux bornes d'une source de courant électrique à haute tension, les deux électrodes étant disposées à une distance mutuelle suffisante pour créer une décharge électrique continue dans le mélange gazeux contitué d'hydrogène moléculaire et du gaz neutre. Une forme d'exécution de l'objet de la présente invention est décrite ci-dessous à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique représente en coupe longitudinale un mode de réalisation d'un laser selon l'invention. Sur cette figure, une pluralité de tubes cylindriques isolants tels que 1, 2 et 3 identiques entre eux sont disposés parallèlement entre eux de façon que leurs entrées telles que 9 soient situées sensiblement dans un plan perpendiculaire à la direction des tubes. A l'intérieur de chaque tube, du côté de l'entrée 9, est disposée une électrode annulaire coaxiale 4. Une autre électrode annulaire coaxiale 5 est disposée à la sortie de chaque tube. Les sorties des tubes cylindriques sont reliées à un ensemble de tuyères 7. Des injecteurs 8 sont placés à l'aval du col 6 des tuyères. Chaque injecteur peut être disposé par exemple à l'intérieur de la paroi commune à deux tuyères consécutives de façon que l'axe d'injection 20 soit orienté dans le sens d'écoulement du gaz dans les tuyères 7. Les injecteurs 8 communiquent par des canalisations non visibles sur la figure avec un générateur 16 d'acide iodhydrique gazeux. Les différentes tuyères débouchent dans une chambre 21 délimitée par une paroi cylindrique 11. Cette paroi comporte deux ouvertures opposées obturées de façon étanche par deux pièces cylindriques 12 et 13 fixées sur la paroi de la chambre 21. Ces pièces supportent respectivement deux réflecteurs 14 et 15 disposés pour former une cavité optique résonnante suivant un axe 23 traversant les ouvertures perpendiculairement au sens d'écoulement des gaz dans les tuyères. Le réflecteur 15 est partiellement transparent au rayonnement de longueur d'onde 1,315 micron. La chambre 21 comporte, à son extrémité opposée aux tuyères, un dispositif 19 comprenant un diffuseur suivi d'un système de pompage ou d'une enceinte à vide. Les électrodes 4 et 5 sont reliées à une source de courant continu haute tension 17 par l'intermédiaire d'une résistance 18. Le dispositif représenté sur la figure fonctionne de la manière suivante. On fait pénétrer dans les tubes 1 par leurs entrées 9 un mélange gazeux à basse pression constitué d'hydrogène moléculaire et d'un gaz neutre tel que l'hélium ou l'argon. De préférence, la pression du mélange gazeux introduit est compris entre 15 et 50 torrs, et la pression partielle du gaz neutre dans le mélange est supérieure à celle de l'hydrogène. Une décharge électrique s'établit dans le mélange gazeux entre les électrodes 4 et 5 chargées par la source 17 à une différence de potentiel élevée. Sous l'effet de cette décharge, l'hydrogène moléculaire est partiellement dissocié ; il se forme dans le mélange de l'hydrogène à l'état atomique et de l'hydrogène moléculaire excité en vibration au niveau 1. La proportion en volume d'hydrogène atomique créé dans le mélange gazeux peut être comprise entre 5 et 10%. La décharge électrique porte le mélange gazeux à une température de l'ordre de 400 à 5000K. Le système de pompage (ou l'enceinte à vide) expulse le gaz contenu dans la chambre 21 ; le mélange gazeux contenant- de l'hydrogène atomique est donc détendu par passage des tubes 2 vers la chambre 21 à travers les tuyères 7 à une vitesse supersonique. Pour éviter la recombinaison des atomes d'hydrogène sur les parois métalliques des tuyères, celles-ci sont de préférence recouvertes d'une couche de polytétrafluoréthylène ou réalisées en une matière céramique. On injecte à la sortie des tuyères de l'acide iodhydrique gazeux par les injecteurs 8. L'hydrogène atomique réagit sur l'acide iodhydrique pour former de l'hydrogène moléculaire excité en vibration au niveau 1 ou au niveau 2 et de l'iode atomique au niveau 2P3/2, suivant la réaction (1) H + HI H2 (v 4 3) + I (2P3/2) L'énergie d'excitation de l'hydrogène moléculaire est alors transférée à l'iode, de façon à faire monter les atomes d'iode au niveau quantique excité P1/2, suivant la réaction (2) I ( 3/2) + H2 (2) le (2P1/2) + H2 (O) La réaction (2) est équilibrée, de sorte qu'il faut une proportion minimale d'hydrogène excité au niveau 2 par rapport à l'hydrogène au niveau fondamental 0 pour obtenir l'inversion de population sur l'iode.Cette proportion minimale varie en fonction de la température du mélange gazeux ; elle est de 3,1% à 2000K, de 9,8S à 3000K et de 17,5% à 4000K. Pour faciliter la création de l'inversion de population, les tuyères du dispositif selon l'invention sont d'un type entratnant une forte détente du mélange gazeux les traversant. La température du mélange gazeux détendu est ainsi de préférence inférieure à 3000K pour une température de 5000K à l'amont des tuyères, la vitesse d'écoulement du mélange dans les tuyères étant voisine de Mach 2. Le mélange gazeux détendu contenant de l'iode excité traverse ensuite la cavité optique résonnante 14-15, ce qui provoque la formation d'un faisceau laser continu 22, par descente des atomes d'iode du niveau 2P 1/2 au niveau 2P3,2 Le faisceau continu 22 sortant du miroir partiellement transparent 15 a une longueur d'onde de 1,315 micron. A titre indicatif, la pression totale du mélange gazeux à l'amont des tuyères est de 20 torrs. Le gaz neutre est l'hélium et le mélange gazeux contient en volume 15% d'hydrogène moléculaire et 85S d'hélium. Les tubes à décharge ont un diamètre de 1 centimètre et une longueur de 20 centimètres environ. La différence de potentiel entre les électrodes est comprise entre 3 et 5 kilovolts et le courant de la décharge électrique est compris entre 50 et 100 mA par tube. La vitesse d'écoulement du mélange gazeux dans les tuyères est comprise entre Mach 1,5 et Mach 2. Les deux réflecteurs de la cavité laser sont des miroirs à couches diélectriques dont les coefficients de réflexion respectifs sont de 100% et de 97% à la longueur d'onde de 1,315 micron. Dans ces conditions, la puissance laser spécifique est d'environ 1000 Watts pour un débit d'hydrogène moléculaire de 1 mole/seconde. Le rendement électrique (quotient de l'énergie laser par lténergie d'excitation) est de l'ordre de 1 à 2% et le coefficient d'amplification dans la cavité est supérieur à 0,1% par centimètre. Le laser selon la présente invention peut être appliqué à la réalisation de radars optiques ou de dispositifs de télémètrie par détection heterodyne. 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 par des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1/ Procédé pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 1,315 micron, consistant - à former de l'hydrogène atomique dans un mélange gazeux constitué d'hydrogène moléculaire et d'un gaz neutre, - à détendre le mélange gazeux contenant de l'hydrogène atomique par passage dans des tuyères à une vitesse supersonique, - à injecter de l'acide iodhydrique gazeux à la sortie des tuyères dans le sens d'écoulement du mélange, cet acide réagissant avec l'hydrogène atomique pour former de l'hydrogène moléculaire excité en vibration et de l'iode atomique au niveau quantique P3/2 , l'énergie d'excitation de cet hydrogène moléculaire étant alors transférée à l'iode de façon à faire monter les atomes d'iode du niveau P3/2 au niveau P1/2, - et à faire passer le mélange gazeux sortant des tuyères et contenant l'iode au niveau P1/2, à l'intérieur d'une cavité optique résonnante perpendiculairement à l'axe de cette cavité, pour obtenir à la sortie de la cavité ledit faisceau laser de longueur d'onde 1,315 micron par descente des atomes d'iode du niveau P1/2 au niveau P3/2, caractérisé en ce que la formation de lthydrogène atomique dans le mélange gazeux contitué d'hydrogène moléculaire et du gaz neutre est obtenu en soumettant ce mélange à une décharge électrique à haute tension, le faisceau laser sortant de la cavité étant un faisceau continu. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détente du mélange gazeux est suffisamment forte pour que la température du mélange gazeux détendu soit inférieure à 3000K. 3/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz neutre est choisi dans le groupe constitué par l'hélium et l'argon. 4/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange gazeux constitué d'hydrogène moléculaire et de gaz neutre est à une pression inférieure à 50 torrs. 5/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression partielle du gaz neutre dans le mélange gazeux est supérieure à celle de l'hydrogène moléculaire. 6/ Dispositif pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 1,315 micron, comportant - un groupe de tuyères, - des moyens disposés à l'amont des tuyères pour former de l'hydrogène atomique dans un mélange gazeux constitué d'hydrogène moléculaire et d'un gaz neutre, - des moyens pour faire passer le mélange gazeux contenant de l'hydrogène atomique à travers les tuyères de façon à détendre ce mélange, - des moyens pour injecter de l'acide iodhydrique gazeux dans le mélange gazeux sortant des tuyères de façon à former de l'iode atomique excité dans ce mélange - et une cavité optique résonnante disposée à l'aval des tuyères perpendiculairement au sens de l'écoulement gazeux pour être traversée par le mélange gazeux contenant de l'iode atomique excité, caractérisé en ce que - lesdits moyens pour former de l'hydrogène atomique dans le mélange gazeux comportent deux électrodes disposées à l'amont de chaque tuytuyère et connectées respectivement aux deux bornes d'une source de courant électrique à haute tension, les deux électrodes étant disposées à une distance mutuelle suffisante pour créer une décharge électrique continue dans le mélange gazeux contitué d'hydrogène moléculaire et du gaz neutre. 7/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des tubes cylindriques disposés à l'amont des tuyères pour conduire le mélange gazeux à l'entrée des tuyères et que les deux électrodes sont annulaires et disposées coaxialement, respectivement à l'entrée et à la sortie de chaque tube. 8/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que, lesdits moyens pour injecter de l'acide iodhydrique gazeux dans le mélange gazeux sortant des tuyères comportent une pluralité d'injecteurs disposés à l'aval du col des tuyères, ces injecteurs étant orientés pour que l'injection d'acide iodhydrique s'effectue parallèlement et dans le sens de l'écoulement gazeux dans les tuyères, ces injecteurs étant reliés par des canalisations à une source d'acide iodhydrique gazeux. 9/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens pour faire passer le mélange gazeux contenant de l'hydrogène atomique à travers les tuyères comportent en aval de la cavité optique résonnante, un diffuseur suivi de moyens pour créer une dépression gazeuse. 10/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les tuyères sont réalisées en une matière céramique. 11/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les tuyères sont réalisées en un métal et recouvertes d'une couche de polytétrafluoréthylène.