Brevet FR2736763A1 — publié le 19970117

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour créer un rayonnement laser par voie chimique, et plus particulièrement un procédé et un dispositif pour créer un rayonnement laser à partir d'un gaz actif formé d'acide fluorhydrique HF ou d'acide fluorhydrique deutéré DF. On connatt un procédé de ce type comportant d'abord une étape de dissociation d'un composé fluoré, en général dilué dans un gaz inerte. Cette dissociation s'effectue soit uniquement par chauffage, soit par combustion du composé fluoré avec un composé hydrogéné ou deutéré. On obtient alors un gaz contenant du fluor à l'état atomique ; ce gaz est détendu ensuite dans des tuyères puis mélangé avec de l'hydrogène, de manière à former des molécules d'acide fluorhydrique excitées en vibration et présentant une inversion de population. Le gaz contenant ces molécules excitées passe enfin dans une cavité optique résonnante afin de créer un rayonnement laser. Dans tous les cas, le gaz contenant du fluor atomique, situé en amont des tuyères, est porté à une température supérieure à 15000K de façon à obtenir une dissociation quasi totale du fluor, et sa pression est de l'ordre de plusieurs bars. Ce procédé présente l'inconvénient d'être assez onéreux, car il nécessite pour chauffer le mélange un four à haute température et la dépense d'une quantité d'énergie importante. La présente invention a pour but de mettre en oeuvre un procédé pour créer un rayonnement laser par voie chimique, à l'aide d'un dispositif d'un coût moins élevé que celui selon l'art antérieur cité, les performances obtenues étant sensiblement égales avec une moindre dépense d'énergie d'alimentation. La présente invention a pour objet un procédé pour créer un rayonnement laser par voie chimique consistant successivement - à chauffer dans une enceinte un produit fluoré de manière à obtenir un gaz contenant du fluor à l'état atomique, - à entraîner ce gaz à une vitesse supersonique par passage dans des tuyères, - à introduire de l'hydrogène dans le gaz entrainé à une vitesse supersonique pour former dans ce gaz des molécules d'acide fluorhydrique excitées en vibration et présentant une inversion de population - et à faire circuler le gaz contenant des molécules d'acide fluorhydrique excitées dans une cavité optique résonnante disposée transversalement par rapport au sens de circulation de ce gaz, afin d'obtenir ledit rayonnement laser, caractérisé en ce que la pression du gaz comprenant du fluor à l'état atomique disposé en amont des tuyères est maintenue entre 0,2 et 0,5 bar et que sa température est maintenue entre 800 et 1100 degrés K. La présente invention a aussi pour objet un dispositif pour créer un rayonnement laser par voie chimique, comportant - une enceinte, - des moyens pour introduire dans l'enceinte un produit fluoré, - des moyens pour chauffer l'enceinte contenant le produit fluoré, de manière à obtenir un gaz contenant du fluor à l'état atomique, - des tuyères disposées pour recevoir le gaz provenant de ladite enceinte, - des moyens d'entratnement du gaz à travers les tuyères, aptes à porter la vitesse de ce gaz à une vitesse supersonique, - des moyens pour introduire de l'hydrogène 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 transversalement au sens d'écoulement du gaz pour recevoir ce gaz et créer ledit rayonnement laser, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une cloison munie d'une ouverture disposée transversalement entre l'enceinte et les tuyères, de manière à ménager une chambre de détente limitée en amont par l'ouverture de la cloison et en aval par les tuyères, les dimensions de l'ouverture étant prédéterminées pour obtenir dans cette ouverture une vitesse d'écoulement du gaz sensiblement égale à celle du son, la pression du gaz dans l'enceinte étant supérieure à la pression du gaz dans la chambre de détente, cette dernière pression étant comprise entre 0,2 et 0,5 bar, le chauffage de l'enceinte étant capable de porter le gaz contenu dans la chambre à une température comprise entre 800 et 11000K, de manière à obtenir une dissociation partielle du fluor moléculaire en fluor atomique. Des formes particulières de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente en coupe partielle longitudinale un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe partielle longitudinale d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention - et la figure 3 est une vue plus détaillée, en coupe longitudinale, à plus grande échelle, de deux tuyères consécutives faisant partie des dispositifs représentés sur les figures 1 et 2. Le dispositif représenté sur la figure 1, qui est en soi d'un type connu, comporte une enceinte 1 de forme cylindrique et dont les parois sont en nickel. Une face plane 2 de la paroi de cette enceinte comporte deux ouvertures 3 et 4 permettant l'entrée de gaz dans l'enceinte 1. Autour de la surface cylindrique 5 de la paroi de l'enceinte 1 est disposé un four 6 en forme de manchon. Ce four peut être soit un four électrique alimenté par une source non représentée soit un four de type pyrotechnique constituée d'une cartouche de poudre à haut pouvoir calorifique, cette poudre pouvant être enflammée à l'aide d'un dispositif d'allumage électrique. L'autre face plane de la paroi de l'enceinte 1 comporte des tuyères juxtaposées telles que 7 faisant correspondre l'enceinte 1 avec une enceinte 8 disposée en prolongement de l'enceinte 1. Deux miroirs 9 et 10 disposés face à face dans la paroi de l'enceinte 8 forment une cavité optique résonnante dont l'axe 11 est sensiblement perpendiculaire à l'axe commun des enceintes 1 et 8.La paroi de l'enceinte 8 est prolongée, du côté opposé aux tuyères 7, par un diffuseur 12 aboutissant à un système 13 tel qu'une pompe permettant d'extraire le gaz de l'enceinte 8. La figure 3 est une vue plus détaillée et à plus grande échelle montrant la forme d'une tuyère 7, ces tuyères étant représentées très schématiquement sur la figure 1 pour des raisons de clarté. On voit que le corps de chaque tuyère comporte une canalisation interne telle que 14 disposée transversalement par rapport à l'axe des enceintes 1 et 8, la canalisation 14 étant raccordée à une canalisation longitudinale telles que 15, de façon à pouvoir injecter un gaz suivant la flèche 16 dans l'enceinte 8 à proximité de la sortie 17 de la tuyère, parallèlement au sens 18 d'écoulement gazeux dans la tuyère. Le corps de chaque tuyère peut comporter aussi une autre canalisation interne telle que 19 apte à conduire un fluide de refroidissement. Le dispositif représenté sur la figure 1 permet de mettre en oeuvre le procédé suivant. Le four 6 et le système 13 étant mis en marche, on introduit dans l'enceinte 1 par l'ouverture 3 un produit fluoré qui peut être du fluor moléculaire F2 ou du trifluorure d'azote NF3, et par l'ouverture 4 un gaz neutre tel que l'hélium, l'argon ou l'azote. Selon une disposition de l'invention, le chaufgage du four 6 est réglé de manière que le gaz situé en 25, dans l'enceinte 1 à l'amont des tuyères 7, se trouve porté à une température comprise entre 800 et 11000K. Compte-tenu de la section du col des tuyères 7, la pression du gaz situé en amont des tuyères est comprise entre 0,2 et 0,5 bar. Dans ces conditions le fluor moléculaire disposé dans l'enceinte 1 est dissocié partiellement et le gaz situé en amont des tuyères contient du fluor atomique. Ce gaz passe à travers le col des tuyères 7 à une vitesse supersonique, de l'ordre de Mach 2,5 à 3 par exemple. A la sortie des tuyères, la pression du gaz est par exemple de 5 torrs et sa température est de l'ordre de 2500K. Le gaz sortant des tuyères est mélangé avec de l'hydrogène injecté par les canalisations 14 et 15. Cet hydrogène peut être de l'hydrogène ordinaire ou, comme dans l'exemple décrit, de l'hydrogène lourd c'est-à-dire du deutérium. Le gaz contenant du fluor actif, accéléré par passage dans les tuyères, se mélange au deutérium injecté, ce qui entraine la formation d'acide fluorhydrique deutéré et de deutérium, suivant la réaction (1) Le deutérium atomique formé réagit sur le fluor moléculaire non dissocié, ce qui provoque aussi la formation d'acide fluorhydrique deutéré suivant la réaction(2) Les molécules d'acide fluorhydrique formées par les réactions (1) et (2) sont dans des états vibrationnellement excitées. Le gaz contenant ces molécules excitées passe dans la cavité optique résonnante formée par les miroirs 9 et 10, ce qui permet d'obtenir un faisceau laser sortant de la cavité suivant l'axe 11 à travers le miroir 10 partiellement transparent. Le gaz arrive ensuite dans le diffuseur 12 dont la forme permet de réaliser une transition continue entre l'écoulement supersonique du gaz à basse pression qui traverse la cavité et l'écoulement subsonique du gaz à pression plus élevée traversant le système 13. Le gaz est finalement rejeté dans l'air ambiant par la sortie 26 du système 13. Le procédé décrit ci-dessus présente les avantages suivants. Par rapport au dispositif selon l'art antérieur, le dispositif illustré par la figure 1 permet de réaliser des économies d'énergie puisque la température de chauffage des gaz est moins élevée. La température des gaz à l'amont des tuyères, comprise entre 800 et 11000K ne permet d'obtenir qu'une dissociation partielle du fluor, mais le taux de dissociation est quand même appréciable parce que ce gaz est à plus basse pression que dans le procédé selon l'art antérieur. A titre d'exemple, on a constaté, en effet, qu'un gaz à la pression de 0,2 bar contenant du fluor mélangé à 95S d'hélium, porté à la température de 10000K présente un taux de dissociation de 0,4, alors qu'à la même température mais à la pression 1 bar le taux de dissociation n'est que 0,2. De plus, le nombre de molécules d'acide fluorhydrique excitées se trouve augmenté par l'effet de la réaction (2) citée plus haut. Enfin, le temps de recombinaison du fluor atomique en fluor moléculaire est particulièrement long pour les pressions de gaz comprises entre 0,2 et 0,5 bar. Donc les molécules de fluor dissociées par l'échauffement de l'enceinte 1 n'ont pas le temps de se recombiner en fluor moléculaire entre l'instant de dissociation et l'instant où elles passent à travers les tuyères 7. On a constaté en effet qu'un mélange de composition identique à celui cité ci-dessus, à une pression de 0,2 bar et à une température de 10000K, perd 20% des atomes de fluor excité en 2,9 X 10 2 seconde, lorsqu'on le refroidit brutalement à 8000K. Par contre un même mélange à une pression de 1 bar et à 10000K perd 20% des atomes de fluor excités en 2,6 X 10 3 seconde lorsqu'il subit le même refroidissement. Le taux de dissociation est donc moins sensible aux pertes calorifiques du mélange de gaz entre l'instant de la dissociation et celui de la réaction avec le deutérium injecté. Le mode de réalisation du dispositif selon l'invention représenté sur la figure 2 montre qu'il est possible de prévoir une chambre de détente entre l'enceinte chauffée où intervient la dissociation et les tuyères provoquant l'accélération du gaz. Le dispositif illustré par la figure 2 ne diffère de celui de la figure 1 que par cette chambre de détente 20 ménagée entre l'enceinte de chauffage 21 et les tuyères 7. Cette chambre de forme conique est limitée en amont par l'ouverture 22 d'une clo ison 23 disposée parallèlement à la paroi 2 et limitant l'enceinte 21 du côté opposé à cette paroi. Après chauffage par le four 6 de l'enceinte 21, le mélange de gaz s'écoule à travers l'ouverture 22 dans la chambre 20 avant d'être accéléré par passage dans les tuyères 7. La section de l'ouverture 22 est déterminée pour obtenir, dans cette ouverture, une vitesse d'écoulement sensiblement égale à celle du son. La pression de gaz dans l'enceinte est donc supérieure à celle qui règne dans la chambre de détente, celle-ci étant comprise entre 0,2 et 0,5 bar. Le chauffage de l'enceinte 21 est réglé pour que la température dans l'enceinte 20 soit comprise entre 800 et 11000K. De préférence la dimension longitudinale 24 de l'enceinte 20, parallèlement à l'écoulement du gaz, est choisie suffisamment courte pour que le temps d'écoulement du gaz dans cette chambre soit inférieur au temps de recombinaison du fluor atomique en fluor moléculaire. Le temps de recombinaison peut être par exemple la durée de recombinaison de 20% des atomes de fluor excités, comme il a été indiqué plus haut. Ce mode de réalisation présente l'avantage de permettre une température et une pression de gaz plus élevée dans l'enceinte de chauffage et donc d'augmenter le taux de dissociation. REVENDICATIONS 1/ Procédé pour créer un rayonnement laser par voie chimique consistant successivement - à chauffer dans une enceinte un produit fluoré de manière à obtenir un gaz contenant du fluor à l'état atomique, - à entrarner ce gaz à une vitesse supersonique par passage dans des tuyères, - à introduire de l'hydrogène dans le gaz entratné à une vitesse supersonique pour former dans ce gaz des molécules d'acide fluorhydrique excitées en vibration et présentant une inversion de population - et à faire circuler le gaz contenant des molécules d'acide fluorhydrique excitée dans une cavité optique résonnante disposée transversalement par rapport au sens de circulation de ce gaz, afin d'obtenir ledit rayonnement laser, caractérisé en ce que la pression du gaz comprenant du fluor à l'état atomique disposé en amont des tuyères est maintenue entre 0,2 et 0,5 bar et que sa température est maintenue entre 800 et 11000K. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'hydrogène est de l'hydrogène lourd, ledit acide fluorhydrique étant alors de l'acide fluorhydrique deutéré. 3/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un gaz inerte est mélangé audit produit fluoré disposé dans l'enceinte. 4/ Dispositif pour créer un rayonnement laser par voie chimique, comportant - une enceinte, - des moyens pour introduire dans l'enceinte un produit fluoré, - des moyens pour chauffer l'enceinte contenant le produit fluoré, de manière à obtenir un gaz contenant du fluor à l'état atomique, - des tuyères disposées pour recevoir le gaz provenant de ladite enceinte, - des moyens d'entrainement du gaz à travers les tuyères, aptes à porter la vitesse de ce gaz à une vitesse supersonique, -des moyens pour introduire de l'hydrogène 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 transversalement au sens d'écoulement du gaz pour recevoir ce gaz et créer ledit rayonnement laser, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une cloison munie d'une ouverture, disposée transversalement entre l'enceinte et les tuyères, de manière à ménager une chambre de détente limitée en amont par l'ouverture de la cloison et en aval par les tuyères, les dimensions de l'ouverture étant prédéterminées pour obtenir dans cette ouverture une vitesse d'écoulement du gaz sensiblement égale à celle du son, la pression du gaz dans l'enceinte étant supérieure à la pression du gaz dans la chambre de détente, cette dernière pression étant comprise entre 0,2 et 0,5 bar, le chauffage de l'enceinte étant capable de porter le gaz contenu dans la chambre à une température comprise entre 800 et 11000K,de manière à obtenir une dissociation partielle du fluor moléculaire en fluor atomique. 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens pour chauffer l'enceinte comportent un four pyrotechnique. 6/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens d'entratnement du gaz à travers les tuyères comportent un diffuseur disposé en aval de la cavité résonnante et une pompe d'aspiration disposée à la sortie du diffuseur. 7/ Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que la dimension longitudinale de la chambre de détente dans la direction de l'écoulement du gaz est suffisamment courte pour que le temps d'écoulement du gaz dans cette chambre soit inférieur au temps nécessaire pour que le fluor atomique se transforme de nouveau en fluor moléculaire.