Brevet FR2668316A1 — publié le 19920424

La présente invention concerne les procédés et dispositifs pour obtenir l'effet laser par voie chimique et plus particulièrement les procédés et dispositifs pour obtenir l'effet laser à partir d'un gaz actif formé d'acide fluorhydrique HF ou d'acide fluorhydrique deuteré DF. On connaît un procédé de ce type, comportant une étape initiale de formation de fluor à l'état atomique. Ce fluor est obtenu nar combustion d'un combustible hydrogéné ou deuteré avec un comburant contenant du fluor, tel que le fluor ou le trifluorure d'azote, en excès nar rapport à la composition stoechiométrique, ce comburant pouvant être dilué dans un gaz neutre. I1 est à noter que si l'on désire un laser chimique fonctionnant avec un gaz actif formé d'acide fluorhydrique deuteré DF, le combustible hydrogené doit être de l'hydrogène H? ou un de ses composés z inversement, Dour obtenir un laser fonctionnant avec un gaz actif formé d'acide fluorhydrique HF, le combustible hydrogéné doit être du deutérium Dz ou un de ses composés. Le gaz résultant de la combustion est ensuite accéléré à une vitesse supersonique par passage dans des tuyères, puis mélangé avec de l'hydrogène ou du deutérium, selon le cas, pour former des molécules de HF ou de nF excitées présentant une inversion de population. On crée un faisceau laser en faisant circuler le gaz contenant ces molécules dans une cavité optique résonnante. Le laser fonctionnant selon ce procédé présente des inconvénients. En effet, le fluor atomique résultant de la combustion est accompagné de produits nuisibles tels que HF (ou 0F) qui diminuent la puissance du laser. La présence de ces produits nuisibles ne nermet pas d'utiliser un morne générateur de fluor atomique indifféremment pour obtenir un laser HF ou un laser DF ou un laser émettant simultanément sur les transitions de HF et de nF. La présente invention a pour but de nallier ces inconvénients. La présente invention a pour objet un procédé nour obtenir l'effet laser par voie chimique, consistant successivement - à bruler dans une chambre de combustion un combustible avec un comburant contenant du fluor, pour obtenir un gaz comprenant du fluor à l'état atomique, - à entrainer ce gaz à une vitesse supersonique, - à introduire de l'hydrogène dans le gaz entrainé à une vitesse supersonique pour former dans ce gaz, par combinaison de l'hydrogène et du fluor à l'état atomique, des molécules d'acide fluorhydrique excitées en vibration et présentant une inversion de population -et à faire circuler le gaz contenant l'acide fluorhydrique dans une cavité optique resonnante pour former un faisceau laser selon un axe transversal par rapport au sens de circulation du gaz, caractérisé par le fait que ledit combustible contient du soufre. La présente invention a aussi pour objet un dispositif pour obtenir l'effet laser par voie chimique, comportant - une chambre de combustion, - des moyens pour faire brûler dans cette chambre un combustible avec un comburant contenant du fluor, de manière à obtenir un gaz comprenant du fluor à l'état atomique, - des tuyères disposées à la sortie de ladite chambre pour entrainer le gaz à une vitesse supersonique, - des moyens pour introduire de l'hydrogene dans le gaz sortant des tuyères pour former dans ce gaz des molécules d'acide fluorhydrique excitées en vibration et présentant une inversion de population - et une cavité optique résonnante disposée à la sortie des tuyères pour recevoir les molécules d'acide fluorhydrique excitées de façon à créer un faisceau laser selon un axe transversal par rapport au sens d'écoulement des gaz, caractérisé par le fait que ledit combustible contient du soufre. L'invention est décrite ci-dessous, à titre illustratif mais nullement limitatif, en regard du dessin annexé dans lequel - la figure 1 représente en coupe un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective d'un injecteur faisant nartie du dispositif illustré par la figure 1, - la figure 3 représente en coupe le dispositif illustré par la figure 1, chargé d'un combustible solide - la figure 4 représente en coupe un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Sur la figure 1, une chambre de combustion I de forme parallblipipédique est limitée sur une face extrême nar un injecteur 2 représenté dans l'espace sur la figure 2. L'injecteur 2 est formé de trois plaques métalliques 3,4,5 superposées et assemblées entre elles par des moyens non représentés, l'étanchéité entre les faces en contact étant assurée par des joints 29 et 30. La plaque 3 comporte une chambre 6 constituée d'une rainure longitudinale de section rectangulaire débouchant sur la face de cette plaque appliquée sur la plaque 4. La plaque 4 comporte aussi une chambre 7 longitudinale de section rectangulaire débouchant sur la face de cette plaque appliquée sur la plaque 5. La plaque 4 est munie en outre d'ouvertures de faible section débouchant dans la chambre 6. Sur chacune de ces ouvertures est fixée l'extrémité d'un tube cylindrique 8 traversant la plaque 4 d'une face à l'autre et se prolongeant à l'intérieur d'une cavité 9 de la plaque 5, cette cavité étant en communication avec l'intérieur de la chambre I par un canal 10. Comne il est visible sur la figure 2 la plaque 5 comporte une pluralité de canaux 10 alignés entre eux le long de l'injecteur 2. La plaque 5 comporte en outre deux chambres cylindriques 11 et 12 dont les axes sont parallèles aux faces de la plaque et à la direction d'alignement des canaux 10.Les chambres Il et 12 sont en communication avec l'intérieur de la chambre 1 par des canaux tels que 13 et 14, Les ouvertures de la plaque 5 qui correspondent aux canaux 13 et 14 sont également alignées en elles suivant respectivenent deux lignes 15 et 16 parallRles à la ligne 17 sur laquelle sont alignés les canaux 10, cette ligne 17 étant située entre les lignes 15 et 16. Les parois latérales 18 de la chambre de combustion 1 peuvent être munies de serpentins, non représentés, parcourus par un liquide de refroidissement nendant le fonctionnement du dispositif. A l'extrémité de la chambre 1 opposée à l'injecteur 2 sont disnosées des tuyères telles que 19 faisant correspondre la chambre 1 avec une cavité ontique résonnante limitée par deux miroirs 20 et 21, le miroir 21 étant semi transoa- rent. Ces miroirs sont logés dans des parois 22 prolongeant les parois 18 dans le sens d'écoulement des gaz sortant des tuyères 19. L'axe 23 de la cavité est sensiblement perpendiculaire à la direction 24 d'écoulement des gaz de la chambre de combustion 1 à travers les tuyères 19. Le dispositif représenté sur la figure 1 comporte en outre des canalisations 25 situés entre les tuyères, grâce auxquelles il est possible d'injecter un gaz dans la chambre 26 entourée par la paroi 22, dans une direction 27 parallèle et de morne sens à la direction 24. Les parois 22 se prolongent au delà de la chambre 26 par une portion 28 de section progressivement décroissante. Le dispositif représenté sur la figure 1 fonctionne de la manière suivante. On injecte sous pression dans la chambre 6 un combustible liquide contenant du soufre tel que le sulfure de carbone ou un mercaptan. Dans la chambre 7 on injecte également sous pression un gaz inerte tel que l'hélium, l'azote ou l'argon. Le combustible liquide est mélangé avec le gaz inerte dans la cavité 9 de façon à être pulvérisé après traversée des canaux 10 dans la chambre de combustion 1 où il se vaporise. Simultanément on introduit dans les chambres 11 et 12 un comburant fluide à base de fluor, par exemple du fluor ou du trifluorure d'azote gazeux, dilué dans un gaz inerte (azote ou hélium). La réaction de combustion entre le combustible et le comburant s'amorce spontanément dans la chambre 1. La réaction étant fortement exothermique, on atteint rapidement une température comprise entre 1000 et 2000 degrés K. qui provoque la dissociation des molécules de fluor ou de trifluorure d'azote pour obtenir du fluor à l'état atomique. La pression gazeuse nui s'établit dans la chambre 1 est comprise entre 1 et 20 bars. Le gaz résultant de la combustion est détendu et accéléré à une vitesse supersonique par passage dans les tuyères 19. Ce gaz est mélangé à la sortie des tuyères à de l'hydrogène (H2 ou D2) injecté dans la chambre 26 par les canalisations 25. Les atomes de fluor réagissent sur l'hydrogène ou le deutérium pour former des molécules d'acide fluorhydrique tHF ou DFt dont une fraction importante se trouve dans des états excités en vibration. il en résulte une inversion partielle ou totale de population dans les niveaux quantiques propres à la molécule HF ou nF. Cette inversion provoque l'émission d'un faisceau laser continu 31 traversant le miroir semi transparent 21 suivant l'axe 23. Le combustible contenant du soufre injecté dans la chambre 6 peut être aussi un gaz tel que l'hydrogène sulfuré H2 S. Dans ce cas, l'introduction d'un gaz inerte de dilution dans la chambre 7 est facultative. Lorsque le combustible contenant du soufre est un solide, tel que le soufre ou le sulfure de silicium Si S2, ce solide est introduit préalablement dans la chambre 1 de manière à former un revêtement interne 32 (figure 33. Le comburant contenant du fluor mélangé avec son diluant est toujours introduit dans les chambre 11 et 12. On peut facultativement introduire un gaz inerte dans les chambres 6 et 7. Lorsque le combustible contenant du soufre est un solide et que le comburant contenant du fluor est aussi un solide tel que le corps NF4 BF4 ne réagissant pas spontanément à la température ambiante avec le combustible, le dispositif laser ne comporte pas d'injecteur, comme représenté sur la figure 4. Dans ce cas, le combustible et le comburant sont oréalablement nulvérisés et mélangés entre eux. Le mélange est ensuite déposé intérieurement dans la chambre 1 pour former un revêtement intérieur 33 des parois. Le dispositif comporte alors un dispositif d'allumage comprenant une bougie à effluve 34 ou d'une bougie à étincelle apte à déclencher la combustion du mélange. La présente invention présente les trois avantages suivants - A cause de la chaleur de formation très élevée de SF6 qui se forme au cours de la combustion, la réaction du combustible contenant du soufre avec le comburant contenant du fluor est très exothermique et permet de dissocier de larges excès de comburant par rapport à la composition stoechiométrique. La teneur en fluor atomique des gaz brûles est donc très élevée, ce aui augmente le rendement du laser. Lorsque le combustible est un composé de carbone ou de silicium, tel que CS2 ou Si S2, la réaction de combustion entrasse aussi la formation de CF4 ou de Si F4. La formation de ces corps dégage aussi beaucoup de chaleur, ce qui tend encore à augmenter la teneur en fluor atomique. - Dans le dispositif selon l'invention, la combustion libère une faible proportion (entre 1 et 5 t) de produits résiduels tels que SF6, CF4 ou Si F4, ceux-ci ne perturbant pas le fonctionnement du laser. Au contraire dans les dispositifs connus utilisant des combustibles hydrogénés, la proportion des gaz résiduels est plus élevée (entre 5 et 15 tZ, et ces gaz comportent tous de l'acide fluorhydrique HF ou 0F qui perturbe le fonctionnement du laser. - Dans le dispositif selon l'invention, l'absence totale de HF ou de nF dans les gaz résultant de la combustion permet d'utiliser le même générateur de fluor atomique indifféremment pour un laser HF ou un laser OF, ce qui est un avantage dans certaines applications, en particulier si l'on désire réaliser un laser emettant simultanément sur les transitions quantiques de HF et de nF. Le tableau canparatif ci-dessous donne à titre indicatif, la composition des gaz résultant de la combustion dans des systèmes connus et dans des systèmes selon 1 'invention, dans les mêmes conditions de température de combustion t de pression P et de proportion de gaz neutre (He + N2). Comburant Combustible Gaz neutre Composition [%) des gaz T P résultant de la combustion F F2 HF CF4 Si F4 SF6 He+N2 degrés atm aton K Systèmes connus F2 C6 H6 He 17,6 0,4 3,5 3,5 0 0 75 1500 1 Systèmes selon l'invention F S He 17,6 0,54 0 0 0 3,86 75 1500 1 2 F2 CS2 He 20,5 0,45 0 1,35 0 2,7 75 1500 1 F2 H2 S He 17,20,4 S 0 0 2,4 75 1500 1 Le dispositif selon la présente invention neut etre appliqué dans tous les cas ou l'on désire obtenir un faisceau laser de grande énergie ou une excellente transmission atmosphérique de ce faisceau, nar exemple pour l'arnlyse des gaz pollués ou toxiques. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits ou représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particu- lier on peut, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer certains moyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1/ Procédé pour obtenir l'effet laser par voie chimique, consistant successivement - à brûler dans une chambre de combustion un combustible avec un comburant contenant du fluor, pour obtenir un gaz comprenant du fluor à l'état atomique, - à entralner ce gaz à une vitesse supersonique - à introduire de l'hydrogène dans le gaz entraîné à une vitesse supersonique pour former dans ce gaz, par combinaison de l'hydrogène et du fluor à l'état atomique, des molécules d'acide fluorhydrique excitées en vibration et présentant une inversion de population, - à faire circuler le gaz contenant l'acide fluorhydrique dans une cavité optique résonnante pour former un faisceau laser selon un axe transversal par rapport au sens de circulation du gaz, caractérisé par le fait que ledit combustible contient du soufre 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait nue ledit combus- tible est choisi dans le groupe constitué par le soufre, le sulfure de carbone, le sulfure de silicium, l'hydrogène sulfuré et les mercaptans. 3/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit comburant est choisi dans le groupe constitué nar le fluor le trifluorure d'azote, et le produit ayant pour formule chimique NF4 BF4. 4/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, ledit, comburant étant un fluide, ce comburant est dilué avant la combustion dans un gaz inerte. 5/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit combustible étant un fluide, ce combustible est dilué avant la combustion dans un gaz inerte. 6/ ProcÉdé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit combustible étant à l'état solide, ce combustible est introduit dans ladite chambre (1) avant la combustion. 7/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, ledit combustible et ledit comburant étant à l'état solide pulvérulent, ce combustible et ce comburant sont mélangés entre eux et introduits dans ladite chambre t13 avant la combustion, ladite combustion étant amorcée par un dispositif d'allu mage (4). 8/ Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait aue, ledit combustible étant à l'état liquide, la dilution de ce combustible dans un gaz inerte s'effectue sous pression de manière à vaporiser le combustible dans la chambre t1). 9/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit hydrogène est de l'hydrogène lourd. 10/ Dispositif pour obtenir l'effet laser par voie chimique, comportant - une chambre de combustion, - des moyens pour faire brûler dans cette chambre un combustible avec un comburant contenant du fluor, de manière à obtenir un gaz comprenant du fluor à l'état atomique, - des tuyères disposées à la sortie de ladite chambre pour entrainer le gaz à une vitesse supersonique, - des moyens pour introduire de l'hydrogene dans le gaz sortant des tuyères pour former dans ce cas des molécules d'acide fluorbydrique excitées en vibration et présentant une inversion de population - et une cavité optique résonnante disposée à la sortie des tuyères pour recevoir les molécules d'acide fluorhydrique excitées de façon à créer un faisceau laser selon un axe transversal par rapport au sens d'écoulement des gaz, caractérisé par le fait nue ledit combustible contient du soufre 11/Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait aune, ledit contustible étant à l'état liquide et ledit comburant étant un fluide, lesdits moyens pour faire brûler dans la chambre de combustion (1) le combustible avec le comburant comportent un injecteur (2) comprenant - une chambre (6) d'admission du combustible, - une chambre (7) d'admission d'un gaz inerte, cette chambre étant en comnuni- cation par des canalisation (8, 14) d'une nart avec la chambre (6) d'admission du combustible et d'autre part avec la chambre (13 de combustion, - au moins une chambre (11, 12) d'admission du comburant, cette chambre étant reliée par des canalisations C13 > 14) à la chambre de combustion ( - des moyens pour introduire sous pression le combustible dans la chambre (6) d'admission du combustible, - des moyens pour introduire sous pression un gaz inerte dans la chambre (7) d'admission de gaz inerte - et des moyens pour introduire le comburant fluide dans la chambre d'admission de comburant. 12/ Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait oue ledit combustible et ledit comburant étant tous les deux à l'état solide pulvérulent, lesdits moyens pour faire brûler dans la chambre (1) de combustion le combustible avec le comburant comportent - des moyens pour introduire dans la chambre de combustion un mélange [33) du combustible et du comburant - et un système d'allumage (34) capable d'amorcer la combustion du mélange.