Brevet FR2656167A1 — publié le 19910621

Procédé et dispositif pour créer un rayonnement laser par voie chimique La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour créer un rayonnement laser par voir chimique et plus particulièrement un procédé et un dispositif pour créer un rayonnement laser avec un gaz actif formé d'acide chlorhydrique ou bromhydrique deutérés ou non. On connaît des lasers chimiques dans lesquels on détend un gaz actif contenant du chlore ou du brome à ltétat atomique par passage dans des tuyères et on injecte à la sortie des tuyères des composés gazeux hydrogénés, de manière à former par réaction avec le chlore ou le brome atomique des molécules d'acide chlorhydrique ou d'acide bromhydrique excitées en vibration et présentant une inversion de population. Les molécules excitées passent dans une cavité optique résonnante afin de créer un faisceau laser. Dans ces lasers chimiques, le gaz contenant du chlore ou du brome atomique est formé soit par une décharge électrique dans du chloreoudu brome moléculaire, soit par une réaction hors d'équilibre de ltoxyde de chlore C102 sur l'oxyde d'azote NO. Ces lasers présentent l'inconvénient d'avoir une puissance relativement faible car ces deux procédés de formation ne permettent pas d'obtenir un débit important de chlore ou de brome atomique. La présente invention a pour but de pallier cet inconvénient, en mettant en oeuvre un procédé nouveau dans lequel le chlore ou le brome atomique sont produits en grande quantité, ce qui augmente beaucoup la puissance laser de sortie. La présente invention a pour objet un procédé pour créer un rayonnement laser par voie chimique consistant - à former un premier gaz contenant un élément à l'état atomique, cet élément étant choisi dans le groupe constitué par le chlore et le brome, - à détendre le premier gaz par traversée de tuyères, - à introduire dans le premier gaz détendu un deuxième gaz comprenant un composé hydrogéné, de façon à former un troisième gaz contenant un acide excité en vibration et présentant une inversion de population, cet acide résultant de la combinaison des atomes dudit élément avec l'hydrogène du composé hydrogéné - et à faire passer le troisième gaz dans une cavité optique résonnante afin d'obtenir le rayonnement laser, caractérisé en ce que le premier gaz est formé par réaction d'un corps fluide avec un corps gazeux, le corps fluide comprenant un combustible dont la formule chimique comporte ledit élément, le corps gazeux comprenant un comburant dont la formule chimique comporte du fluor, la réaction consistant en une combustion du combustible avec le comburant. La présente invention a aussi pour objet un dispositif pour mettre en oeuvre ce procédé, caractérisé en ce qu'il comporte - une chambre de combustion, - des moyens pour introduire dans la chambre le corps fluide et le corps gazeux, - des tuyères disposées à la sortie de la chambre pour détendre le premier gaz, - des moyens pour introduire le deuxième gaz à la sortie des tuyères - et une cavité optique résonnante disposée en aval des tuyères pour être traversée transversalement par le troisième gaz. Plusieurs formes particulières d'exécution de l'objet de la présente invention sont décrits ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente, en coupe longitudinale, un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue partielle en coupe, à plus grande échelle, des tuyères du dispositif laser illustré par figure 1, - la figure 3 représente, en coupe longitudinale, un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention - et la figure 4 est une vue en perspective d'un injecteur faisant partie du dispositif illustré par la figure 3. Sur 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 le 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 delà 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 10 et une tuyère il 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 au 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 deux 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 28. La plaque 28 comporte aussi une chambre 33 longitudinale de section rectangulaire débouchant sur la face de la plaque 28 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 direction 24. Le prolongement des parois de l'enceinte 1 se termine par une portion 22 à section progressivement décroissante. Les deux dispositifs décrits ci-dessus et illustrés par les figures 1 à 4 fonctionnent de la manière suivante. On fait pénétrer dans l'enceinte 1, formant chambre de combustion, un fluide combustible dont la formule chimique comporte du chlore ou du brome. Le combustible peut avoir notamment des formules chimiques telles que X2, Cn Hm Xp, BX3 dans lesquelles X désigne Cl ou Br et n, m, p sont des nombres entiers quelconques. A titre d'exemple on peut utiliser des combustibles gazeux tels que HC1, HBr, BCl3 ou des combustibles liquides tels que CC14, CHBr3 ou BBr3. Lorsque le 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.Lorsque le 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 gaz neutre tel que l'hélium 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 1) 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 ou du trifluorure d'azote NF3. La réaction de combustion entre le combustible et le comburant s1 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'allumage comportant une bougie de type automobile. La réaction est exothermique et on atteint rapidement une température de 1500 à 2000 degrés K provoquant une dissociation du chlore ou du brome contenu dans le combustible. On obtient donc un gaz contenant du chlore ou du brome à l'état atomique. Cette température est suffisamment élevée pour que le taux de recombinaison du chlore ou du brome sous forme moléculaire soit faible. La pression dans la chambre de combustion peut être comprise entre une fraction d'atmosphère et plusieurs atmosphères. A titre indicatif, les réactions de combustion suivantes peuvent être utilisées : HCl, BCl3 et CHCl3 pouvant être remplacés respectivement par HBr, BBr3 et CHBr3 pour obtenir du brome atomique au lieu du chlore atomique. A la sortie des tuyères, on injecte par les canaux 15 et 16 et les orifices évasés 17 et 18 un composé gazeux hydrogéné ou deutéré tel que HI, HBr, H2S, H2Se, GeH4, AsH3, PH3 ou leurs homologues deutérés. Les atomes de chlore et de brome du gaz sortant des tuyères réagissent avec le composé hydrogéné pour former de l'acide chlorhydrique ou bromhydrique excité en vibration. A titre indicatif, les réactions avec HBr, HI et H2S sont les suivantes Il en résulte une inversion partielle ou totale de la population dans les niveaux quantiques des molécules HCl ou HBr. Cette inversion de population provoque l'émission d'un faisceau laser continu 25 ou 44 suivant un axe 23 perpendiculaire au sens 24 d'écoulement des gaz. Les proportions de combustible et de comburant injectés dans lten- ceinte correspondent de préférence à la stoechiométrie de la réaction de combustion, de façon à éviter la formation de fluor atomique. On sait en effet qu'en présence de fluor atomique, il se produit dans la cavité laser la réaction suivante ce qui diminue la concentraction en molécules actives et abaisse les performances du laser. Lorsque le combustible et le comburant sont en proportions stoechiométriques, le gaz résultant de la combustion ne comporte, en dehors du chlore et du brome atomique, que des produits de combustion stables tels que HF, CF4, BF3, ces produits n'étant pas nuisibles au fonctionnement du laser. Lorsqu'on utilise le dispositif illustré par la figure 1, il est possible d'introduire un gaz neutre tel que l'hélium et l'azote en même temps que le combustible gazeux de façon à obtenir une dilution du combustible dans l'enceinte, analogue à celle réalisée à l'aide du système injecteur du dispositif illustré par la figure 3. Dans ce cas, le gaz diluant est mélangé au gaz combustible avant d'être introduit par l'injecteur 2 dans la chambre de combustion. De même, avec les dispositifs selon les figures 1 et 3, on peut facultativement introduire de la même manière un gaz neutre avec le comburant. La dilution des gaz réactifs dans un gaz neutre provoque un abaissement de la température de combustion et donc de la quantité de chlore ou de brome atomique formée, ce qui peut entrarner une baisse de la puissance du laser. Mais par ailleurs cette dilution favorise la réaction dans la cavité des atomes de chlore ou de brome avec les composés hydrogénés, ce qui améliore les performances du laser. En pratique la quantité de gaz diluant qu'il est avantageux d'introduire dépend du rendement thermique de la chambre de combustion. Si ce rendement est élevé, on peut introduire une quantité importante de gaz diluant dans les gaz réactifs, en améliorant les performances du laser. Si au contraire ce rendement est faible, la proportion de gaz diluant sera faible ou même nulle. Il est possible aussi de mélanger le composé hydrogéné avant son injection à la sortie des tuyères avec un gaz neutre tel que l'hélium et l'azote. Cette dilution augmente la puissance du laser. Le procédé selon l'invention permet de réaliser quatre types de laser. Le tableau ci-dessous indique pour chacun de ces types, dans la colonne 1 le gaz à l'état atomique traversant les tuyères, dans la colonne 2 les principaux composés hydrogénés utilisables pour l'injection à la sortie des tuyères, dans la colonne 3 les molécules de gaz excitées traversant la cavité et dans la colonne 4 la longueur d'onde d'émission du laser 1 2 3 4 Cl HI, HBr, H2S, H2Se, GeH4 AsH3, PH3 HCl 3,5 à 4 microns Cl DI, DBr, D2S, D2Se, GeD4 AsD3, PD3 DCI 4,8 à 5,3 microns Br HI, H2Se, GeH4, AsH3 PH3 HBr 4 à 4,4 microns Br DI, D2Se, Ge D4, AsD3 PD3 DBr 6,2 à 6,7 microns Le dispositif laser chimique selon l'invention présente l'avantage d'avoir une puissance de sortie nettement plus forte que celle des lasers selon l'art antérieur. L'augmentation de puissance est due à l'augmentation de la concentration en chlore ou en brome atomique du mélange gazeux traversant les tuyères. Le dispositif laser selon l'invention peut être appliqué à l'analyse à distance des gaz pollués ou toxiques dans l'atmosphère. REVENDICATIONS 1/ Procédé pour créer un rayonnement laser par voie chimique consistant - à former un premier gaz contenant un élément à l'état atomique, cet élément étant choisi dans le groupe constitué par le chlore et le brome, - à détendre le premier gaz par traversée de tuyères, - à introduire dans le premier gaz détendu un deuxième gaz comprenant un composé hydrogéné, de façon à former un troisième gaz contenant un acide excité en vibration et présentant une inversion de population, cet acide résultant de la combinaison des atomes dudit élément avec l'hydrogène du composé hydrogéné - et à faire passer le troisième gaz dans une cavité optique résonnante afin d'obtenir le rayonnement laser, caractérisé en ce que le premier gaz est formé par réaction d'un corps fluide avec un corps gazeux, le corps fluide comprenant un combustible dont la formule chimique comporte ledit élément, le corps gazeux comprenant un comburant dont la formule chimique comporte du fluor, la réaction consistant en une combustion du combustible avec le comburant. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le combustible est choisi dans le groupe des corps de formules chimiques X2, HX, CnEmXp, BX3, où X désigne ledit élément et n, m, p sont des nombres entiers quelconques. 3/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le corps fluide est un gaz. 4/ Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le corps fluide comprend un gaz neutre. 5/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le combustible est un liquide. 6/ Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le combustible est mélangé avec un gaz neutre. 7/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le comburant est choisi dans le groupe constitué par le fluor et le trifluorure d'azote. 8/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps gazeux comprend un gaz neutre. 9/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les quantités de combustible et de comburant correspondent à la stoechiométrie de la réaction de combustion. 10/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième gaz comprend un gaz neutre. 11/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'hydrogène du composé hydrogéné est de l'hydrogène lourd. 12/ Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte - une chambre de combustion (1), - des moyens (2, 3, 4) pour introduire dans la chambre (1) le corps fluide et le corps gazeux, - des tuyères (5) disposées à la sortie de la chambre pour détendre le premier gaz, - des moyens (15, 17) pour introduire le deuxième gaz à la sortie des tuyères - et une cavité optique résonnante (19, 20) disposée en aval des tuyères pour être traversée transversalement par le troisième gaz. 13/ Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'amorçage de la réaction de combustion. 14/ Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que, le combustible étant liquide, les moyens pour introduire le combustible dans la chambre de combustion comportent une chambre (32)d'admission de combustible, cette chambre débouchant sur un tube (35) d'admission, et en ce qu'il comporte en outre, disposée autour du tube (35), une chambre (33) d'admission sous pression d'un gaz neutre, de façon à projeter dans la chambre de combustion (1) un mélange du combustible avec ledit gaz neutre.