Brevet FR2654873A1 — publié le 19910524

La présente invention concerne l'amplification ou la formation d'un rayonnement cohérent continu. Un procédé connu pour cela comporte les opérations suivantes - formation d'un premier gaz contenant un halogène atomique, - passage de ce premier gaz à travers des tuyères de détente et d'accélération, - introduction rapide, dans ce premier gaz détendu, d'un deuxième gaz propre à réagir avec ledit halogène atomique pour former un mélange gazeux actif contenant un gaz actif constitué par un ga moléculaire à un niveau d'excitation supérieur, - passage de ce mélange gazeux actif dans une chambre optique, - et propagation d'un rayonnement à amplifier dans cette chambre optique de manière que ce rayonnement soit amplifié par interaction avec ledit gaz actif audit niveau d'excitation supérieur, avec passage de ce gaz à un niveau d'excitation inférieur. Dans ce procédé connu ledit halogène atomique est du chlore ou du brome, ledit deuxième gaz contenant un composé hydrogéné pour former un gaz actif constitué par un acide. Ce procédé connu est décrit dans le brevet français nO 82 O7 778 (F012823). Il ne permet pas d'obtenir un rayonnement visible avec toute la puissance souhaitable. La présente invention a notamment pour but de produire simplement un rayonnement cohérent visible, notamment bleu, avec une puissance importante. Par rapport au procédé connu précédemment mentionné le procédé selon la présente invention est caractérisé par le fait que ledit halogène atomique dudit premier gaz est du fluor atomique F et que ledit deuxième gaz contient de l'hydrogène sulfuré H2S de manière que ledit gaz actif à un niveau d'excitation supérieur soit constitué par du soufre moléculaire excité S2. On va maintenant indiquer quelques dispositions préférées pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Le premier gaz est formé par combustion d'un combustible hydrogéné moléculaire dans un comburant fluoré moléculaire en présence d'un diluant gazeux inerte. Le combustible est constitué de fluor F2 ou de trifluorure d'azote NF3, le comburant d'hydrogène H2, de deutérium D2 ou d'un hydrocarbure, et le diluant d'hélium He, d'argon Ar ou d'azote N2 Le débit molaire de l'hydrogène sulfuré est compris entre 50 et 70% de celui du fluor atomique. Les tuyères accélerent le premier gaz à une vitesse comprise entre 2 et 8 fois la vitesse du son, la propagation du rayonnement à amplifier étant réalisée à au moins 5 cm en aval de ces tuyères. Cette propagation est réalisée par mise en résonance de ce rayonnement dans la chambre optique qui constitue pour cela une cavité résonnante. On crée ainsi un rayonnement laser bleu. Plusieurs formes particulières de mise en oeuvre du procédé de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titres d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente, en coupe longitudinale, un premier dispositif de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 2 est une vue partielle en coupe, à plus grande échelle, des tuyères du dispositif illustré par la figure 1, - la figure 3 représente, en coupe longitudinale, un deuxième dispositif de mise en oeuvre de l'invention - et la figure 4 est une vue en perspective d'un injecteur faisant partie du dispositif illustré par la figure 3. Ces dispositifs constituent des oscillateurs laser. Conformément à la figure 1, une enceinte parallélépipédique 1 comporte sur une de ses faces une entrée d'un gaz constituée par une rangée d'injecteurs centraux 2, et une entrée d'un autre gaz constituée par deux rangées d'injecteurs 3 et 4 disposées de part et d'autre de la rangée d'injecteurs 2. La face opposée de l'enceinte 1 est formée de tuyères juxtaposées telles que 5 dont les cols sont disposés dans le plan 12 de cette face. Les cols de tuyères ont une section en forme de rectangle allongé dont le grand côté est perpendiculaire au plan de la figure 1. Les tuyères sont avantageusement solidaires entre elles de façon à former un corps cylindrique dont les génératrices sont parallèles aux grands côtés du rectangle. La section de ce corps est représentée schématiquement sur la figure 1 et à plus grande échelle sur la figure 2. La tuyère 5 représentée sur la figure 2 comporte une entrée parallélépipédique 6 dont la section se rétrécit progressivement vers le col 7. Au deià du col, une sortie évasée 8 permet d'augmenter la vitesse d'un gaz se propageant dans le sens de la flèche 9. La figure 2 montre, de plus, partiellement, une tuyère lu et une tuyère 11 disposées de part et d'autre de la tuyère 5. Les cloisons des tuyères 10 et 11 comportent des parties communes avec la cloison de la tuyère 5, de manière à former le corps cylindrique mentionné ci-dessus. Dans chacune de ces parties communes, sont disposés des canaux de circulation d'un fluide de refroidissement tel que l'eau, ces canaux 13 et 14 étant parallèles aux génératrices du corps cylindrique et situés en amont du plan 12 par rapport aux sens de la flèche 9. Les parties communes comportent également, en aval du plan 12, des canaux d'amenée de gaz 15 et 16 parallèles aux canaux 13 et 14. Les canaux 15 et 16 débouchent à la sortie des tuyères, parallèlement au sens de la flèche 9, suivant des orifices évasés 17 et 18 situés entre les sorties des tuyères. Par exemple l'orifice évasé 17 est situé entre les sorties des tuyères 5 et 10. En référence à la figure 1, une cavité optique résonnante est disposée à la sortie des tuyères suivant un axe 23 perpendiculaire au sens 24 d'écoulement des gaz. La cavité est formée de deux miroirs 19 et 20, le miroir 19 étant partiellement transparent. Les miroirs sont fixés sur un prolongement 21 des parois de l'enceinte 1, ce prolongement 21 se terminant par une portion 22 à section progressivement rétrécie. Cette portion 22 peut comporter un système d'aspiration non représenté pour accélérer le passage des gaz dans les tuyères. Le dispositif représenté sur les figures 3 et 4 ne différe de celui représenté sur les figures 1 et 2 que par la disposition des injecteurs. Sur la figure 3, une enceinte parallélépipédique 1 constituant une chambre de combustion est limitée sur une face extrême par un système d'injecteurs 26 représenté dans l'espace sur la figure 4. Le système 26 est formé de trois plaques métalliques 27, 28, 29 superposées et assemblées entre elles par des moyens non représentés, l'étanchéité entre les faces en contact étant assurée par des joints 30 et 31. La plaque 27 comporte une chambre 32 constituée par une rainure longitudinale de section rectangulaire débouchant sur la face de la plaque 27 appliquée sur la plaque 2tri. La plaque 28 comporte aussi une chambre 33 longitudinale de section rectangulaire débouchant sur la face de cette plaque qui est appliquée sur la plaque 29. La plaque 28 est munie en outre d'ouvertures de faible section débouchant dans la chambre 32.Sur chacune de ces ouvertures est fixée l'extrémité d'un tube cylindrique 34 traversant la plaque 28 d'une face à l'autre et se prolongeant à l'intérieur d'une cavité 35 de la plaque 29, cette cavité étant en communication avec le volume interne de la chambre 1 par un canal 36. Comme il est visible sur la figure 4, la plaque 29 comporte une pluralité de canaux 36 alignés le long du système injecteur 26. La plaque 29 comporte en outre deux chambres cylindriques 37 et 38 dont les axes sont parallèles aux faces de la plaque et à la direction d'alignement des canaux 36. Les chambres 37 et 38 sont en communication avec l'intérieur de la chambre 1 par des canaux tels que 39 et 40. Les ouvertures de la plaque 29 qui correspondent aux canaux 39 et 40 sont également alignées entre elles suivant respectivement deux lignes 41 et 42 parallèles à la ligne 43 sur laquelle sont alignés les canaux 36, la ligne 43 étant située entre les lignes 41 et 42. Suivant la face extrême de la chambre 1, opposée au système injecteur 26, sont disposées des tuyères analogues à celles représentées sur les figures 1 et 2. Ces tuyères telles que 5 font communiquer la chambre 1 avec une cavité optique résonnante limitée par deux miroirs 19 et 20 logés dans des parois prolongeant celles de l'enceinte 1. L'axe 23 de la cavité est sensiblement perpendiculaire à la direction 24 d'écoulement des gaz. Le dispositif représenté sur la figure 3 comporte entre les tuyères des canalisations et des orifices évasés analogues aux canalisations 16 et aux orifices 18 visibles sur la figure 2, ces canalisations et orifices permettant d'injecter un gaz à la sortie des tuyères dans le sens de la flèche 24. Le prolongement des parois de l'enceinte 1 se termine par une portion 22 à section progressivement décroisante. Les deux dispositifs décrits ci-dessus et illustrés par les figures 1 à 4 fonctionnent de la manière suivante. On fait pénétrer un fluide combustible dans l'enceinte 1, formant chambre de combustion. Lorsque ce combustible est gazeux, on utilise de préférence le dispositif illustré par la figure 1, et le gaz combustible est introduit sous pression dans la chambre de combustion par l'injecteur 2 en même temps que le diluant. Lorsque ce combustible est liquide, on utilise le dispositif illustré par la figure 3, et le combustible liquide est injecté sous pression dans la chambre 32 ; on injecte également sous pression dans la chambre 33 un diluant gazeux tel que l'hélium, l'argon ou l'azote : le combustible liquide est mélangé avec le gaz neutre dans la cavité 35, de sorte que ce liquide est projeté en suspension dans la chambre 1 où il se vaporise. Simultanément on introduit par les injecteurs 3 et 4 (figure lj ou dans les chambres 37 et 38, à travers les canaux 39 et 40, à l'intérieur de l'enceinte 1, un comburant gazeux dont la formule chimique comporte du fluor. Ce comburant peut être par exemple du fluor F2 ou du trifluorure d'azote NF3. La réaction de combustion s'amorce spontanément lorsque le comburant est du fluor, mais elle nécessite l'utilisation d'un dispositif d'amorçage non représenté lorsque le comburant est du trifluorure d'azote. Le système d'amorçage peut être par exemple un système d'ailumage comportant une bougie de type automobile. La réaction est exothermique et on atteint rapidement une température et une pression élevées. On va maintenant préciser ie fonctionnement physico-chimique des dispositifs précédemmment décrits, c'est-à-dire le procédé objet de la présente invention. Dans ces dispositifs, contrairement à la plupart des lasers chimiques connus, l'espèce moléculaire procurant l'effet laser n'est pas obtenue par une réaction chimique habituelle du type mais par une réaction de recombinaison Compte tenu du temps de vie radiatif (S 10 s) très court de la plupart des molécules émettant dans le domaine visible, il s'est avéré impossible jusqu'à maintenant d'obtenir, par la réaction habituelle ci-dessus, une émission laser dans le domaine visible. En effet, il faudrait pour obtenir une telle émission être capable de mélanger les produits A et BC en un temps inférieur à 10 s, ce qui est matériellement impossible aux pressions considérées ( > 10 mbar), même avec des techniques sophistiquées comme les tuyères dites à "trip-holes". Pour les réactions de recombinaison du type indiqué ci-dessus, la vitesse de recombinaison est suffisamment lente pour que le temps de mélange n'influe pas sur la cinétique de recombinaison. L'inconvénient majeur de ce type de réaction est que l'espèce A peut être détruite par les réactions parasites avec des espèces XY (pour donner AX ou AY) avant de se recombiner sous la forme A2 .Le procédé selon la présente invention ne présente pas cet inconvénient et consiste par exemple - à former du fluor atomique dans une chambre à combustion conventionnelle telle que 1, - à détendre le mélange gazeux contenant le fluor par traversée de tuyères telles que 5, - à introduire dans le mélange détendu au voisinage de ces tuyères un deuxième gaz, à savoir H2S (hydrogène sulfuré) de façon à former du soufre moléculaire S2(X) et S2(B), - et à faire passer les produits gazeux dans une cavité optique résonnante telle que celle qui est formée par les miroirs 19 et 20. A titre indicatif, les combustions procurant les atomes de fluor sont celles du fluor F2 ou de NF3 avec de l'hydrogène H2/D2 ou un hydrocarbure. Le diluant inerte peut être constitué d'hélium, d'argon ou d'azote. Le second gaz H2S peut être injecté seul ou avec un diluant inerte. A titre indicatif, les réactions produisant S2 (B) sont les suivantes la lettre M désignant le diluant inerte. De la formation de S2(X, B) résulte une inversion de population 2 entre un état vibrationnel (v' = 0,1 ou 2) de l'état S2(B) et un éLat 2 vibrationnel (v' = 4 à 16) de l'état fondamental S (X). L'émission 2 laser peut avoir lieu entre 380 et 450 nm. Les proportions de combustible et de comburant sont calcuiées pour qu a une pression voisine de 20 bar, la température réelie dans la chambre de combustion soit supérieure à 1500 K et que la proportion de fluor soit de 5 à 10% dans les produits de combustion. Ces produits sont détendus jusqu'à Mach = 4 environ, soit à une pression égale à 200 mbar ou supérieure. La quantité de H2S injecté est un peu supérieure, en débit molaire, à la moitié ae celle de fluor atomique. L'axe optique de la cavité est placé à au moins 10 cm de la sortie des tuyères. Dans ces conditions, la population S2(B) est 2 d'environ 2.1011 molécules/cm3, ce qui correspond à un coefficient d'amplification d'environ 0,16 par cm. Typiquement, un dispositif produisant un débit de fluor atomique de 5 moles/s délivrera un rayonnement laser d'une puissance d'environ 10 kW vers 0,4 gm pour une largeur de veine de 50 cm. REVENDICATIONS 1/ Procédé d'amplification d'un rayonnement cohérant continu par voie chimique, ce procédé comportant les opérations suivantes - formation d'un premier gaz contenant un halogène atomique, - passage de ce premier gaz à travers des tuyères de détente et d'accélération (5), - introduction rapide, dans ce premier gaz détendu, d'un deuxième gaz propre à réagir avec ledit halogène atomique pour former un mélange gazeux actif contenant un gaz actif constitué par un gaz moléculaire à un niveau d'excitation supérieur, - passage de ce mélange gazeux actif dans une chambre optique (19, 20), - et propagation d'un rayonnement à amplifier dans cette chambre optique de manière que ce rayonnement soit amplifié par interaction avec ledit gaz actif audit niveau d'excitation supérieur, avec passage de ce gaz à un niveau d'excitation inférieur, ce procédé étant caractérisé par le fait que ledit halogène atomique dudit premier gaz est du fluor atomique (F) et ledit deuxième gaz contient de l'hydrogène sulfuré (H2Sj de manière que ledit gaz actif à un niveau d'excitation supérieur soit constitué par du soufre moléculaire excité (S2(X, B)). 2j Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit premier gaz est formé par combustion d'un combustible hydrogéné moléculaire dans un comburant fluoré moléculaire en présence d'un diluant gazeux inerte. 3/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit combustible est constitué de fluor (F2) ou de trifluorure d'azote (NF3), ledit comburant d'hydrogène (H2), de deutérium (D2), ou d'un hydrocarbure, et ledit diluant d'hélium (He), d'argon (Ar) ou d'azote (N2). 4/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit passage dudit gaz actif à un niveau d'excitation inférieur est un passage entre un état vibrationnel du type V' = O ou 1 ou 2 de l'état S2(B) et un état vibrationnel du type V' = 4 à 16 de l'état 2 fondamental (S2(X), ledit rayonnement à amplifier ayant une longueur 2 d'onde comprise entre 380 et 450 nm. 5/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le débit molaire dudit hydrogène sulfuré (H2S) est compris entre 50 et 70% de celui dudit fluor atomique (F). 6/ Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que lesdites tuyères (5) accélèrent ledit premier gaz à une vitesse comprise entre 2 et 8 fois la vitesse du son, ladite propagation du rayonnement à amplifier étant réalisée à au moins 5 cm en aval de ces tuyères. 7/ Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite propagation dudit rayonnement à amplifier est une mise en résonance de ce rayonnement dans ladite chambre optique, cette dernière constituant pour cela une cavité résonnante (19, 20), de manière à créer un rayonnement laser bleu.