FR 2077502 A1 19711029 FR 7033954 A 19700918 70 3395^ 1 2077502 Cette invention concerne des méthodes et un appareil pour produire des décharges électriques dans des milieux de travail gazeux contenus dans des cavités. De telles décharges électriques peuvent servir, par 5 exemple, à produire un effet de laser ou bien à produire un gaz ionisé électriquement conducteur pour des dispositifs magnéto-hydrodynamiques et autres, ou même pour produire des réactions chimiques. Toutefois, l'invention va être décrite ci-après relativement à son application à la production d'un effet de laser. 10 Dans le mode de réalisation habituel des lasers à gaz de la technique antérieure, à gaz statique, le gaz est contenu de façon statique dans un tube d'environ 100 centimètres de long. Les miroirr qui forment les extrémités de la cavité optique sont disposés soit à l'intérieur soit à l'extérieur du tube.-15 Le"pompage"se fait par excitation électrique (soit par radio-fréquence soit par courant continu). Outre les lasers à gaz hélium-néon, d'autres lasers à gaz ont été réalisés avec de l'hélium, du néon, de l'argon, du krypton, du xénon, de l'oxygène, et du césium (ce dernier 20 "pompé" par voie optique à l'état gazeux) comme atomes émetteurs. D'autres lasers comprennent un mélange de gaz carbonique, d'hélium, et d'azote. Un laser à gaz mobile de grande puissance comprenant du gaz carbonique, de l'hélium et de l'azote, se compose typiquement de deux réflecteurs formant un résonateur ou cavité 25 optique approprié , d'un tube formant les parois latérales du laser, d'un appareil de pompage (excitation) approprié comprenant une cathode, une anode et des sources de courant continu montées avec la polarité appropriée entre l'anode et la cathode; d'un appareil d'admission; d'une source de gaz carbonique, d'hélium 30 et d'azote qui qst raccordée à l'appareil d'admission; et d'un matériel d'évacuation des gaz usés du laser ou bien de refroidissement et de séparation de ces gaz avant réutilisation. Comme on le sait déjà, une sortie laser peut être produite dans divers milieux (c'est-à-dire cristaux, semi-conducteurs et 35 gaz) par pompage ou introduction d'énergie pour créer une inversion où un grand nombre des atomes se trouvent dans de hauts niveaux d'énergie pour entretenir l'émission de photons. Dans les lasers à gaz de la technique antérieure, que le gaz soit mobile ou statique, les lasers étaient "pompés" ou excités à l'aide 40 d'une décharge électrique commandée par diffusion dans BAD ORIGINAL 70 33954 2 2077502 un petit tube maintenu à une basse pression. Dans de tels tubes à décharge de gaz (dont le diamètre est typiquement de llordre d*un centimètre) fonctionnant à basse pression (environ 1 à ÎO torr) il se produit typiquement une perte de couples électron-ion depuis 5 le centre du plasma vers les parois latérales du tube, par diffusion radiale (dite diffusion ambipolaire de couples ion -électron). Pour le fonctionnement de la décharge en régime permanent, cette perte doit être compensée dans le plasma par une vitesse d'ionisation nette qui équilibre exactement la vitesse de perte par 10 diffusion. Cette vitesse d'ionisation nécessaire régit la température que les électrons doivent avoir pour entretenir la décharge, et donc le E/N applique qui est indispensable pour donner cette température aux électrons. Pour les tubes longs E/N est défini par la tension appliquée divisée par la longueur du tube 15 et la densité du gaz» Dans de tels cas la décharge peut être dite "lestée" par les parois du tube, c'est-à-dire- puisque la diffusion radiale des couples électron-ion est rapide, toute petite augmentation locale de densité des électrons est réduite par diffusion. Ceci 20 rend de telles décharges à la fois uniformes dans les sens radial et axial et très fiables et simples à obtenir. Le plasma (gaz neutre plus couples électron-ion,) qui est contenu dans le tubs de décharge électrique tend à rester uniforme dans le sens radial tant que temps nécessaire aux couples 25 électron-ion pour diffuser vers les parois d'enceinte esc égal au temps d'ionisation, tel par exemple, le temps nécessaire pour doubler la densité électronique. Puisque le temps de diffusion ambipolaire est généralement proportionnel au produit de la pression du gaz par le carré du diamètre du tube pour les 30 grands diamètres, ce temps de diffusion ambipolaire peut, dans certaines circonstances, devenir long en comparaison du temps d'ionisation dans le tube, notamment pour les grandes vitesses d'ionisation, les grands diamètres de tube, et ?.es hautes pressions. Dans ce dernier cas, la décharge n'est plus "lestée" par la 35 présence des parois du tube, c'est-à-dire que des augmentations locales de la densité électronique ne sont pas diffusées immédiatement vers les parois où elles sont réduites par recombinaison avec les parois, etc... En conséquence, des non-uniformités locales peuvent être produites par ces plus fortes densités 40 d'électrons et les non-uniformités à développement rapide BAD ORIGINAL 70 33954 3 2077502 peuvent devenir pires, Souvent le résultat est que la décharge luminescente auparavant uniforme se change en arcs, en décharges irrégulièresouen "rais" de courant. Ce dernier état correspond souvent à un plasma qui est très inefficace, et souvent inutilisable 5 pour certaines applications. D'après ce qui précède on verra que dans les tubes de décharge à grand diamètre, et sous haute pression, une augmentation locale quelcqnque de la densité des électrons n'a pas tendance à être amortie par -diffusion vers les parois de l'enceinte. 10 Lors de 11 r>ppiA>:ii;icn de telles perturbations, on peut réduire leur tendance à croître en réduisant la vitesse d'ionisation, ce qui implique une température plus basse pour les électrons car la vitesse d'ionisation locale est fonction de la température locale des électrons. Une température d'électrons plus basse 15 implique cependant qu'il faut appliquer un champ électrique plus faible. L'équilibre correct est un équilibre crucial : un champ électrique trop fort peut permettre à la décharge en grand diamètre et sous forte pression de former des "rais", ruais si on applique un champ électrique trop faible, la décharge ne peut 20 se déclencher en premier lieu„ En outre, aux fortes pressions, on constate en général qu'une tension ou un champ électrique appliqué assez grand pour déclencher une décharge est également assez grand pour rendre la décharge non-uniforme dans le sens radial et, par exemple, lui faire former des "rais". 25 Lê présente invention peut s'appliquer à la production ds- et; . un appareil permettant d'obtenir des-décharges utiles spatialement uniformes dans des lasers à gaz mobile à des niveaux r de pressiqn ^t pourdes dimensions tels que la diffusion des povjples électonr-ion vers les parois d'enceinte soit négligeable, 30 c'est-à-dire- que. la décharge ne soit pas régie par les parois . et, soit une véritable décharge de volume . . . Il faut cependant souligner .que la méthode et l'appareil qui sont utilisés dans la production de ladite décharge volumétrique ne se limitent pas auxlaseï® à gas mobile, comme indiqué ci-35 dessus. De telles décharges spatialement uniformes qui peuvent être proportionnées du point de vue volumitrique trouvenet leur emploi dans maints autres types de dispositifs qui emploient dss plasmas pour la propulsion, le pompage, la production d'énergie, le traitement chimique, etc... 40 Ainsi, selon cette invention, il est fourni une méthode BAD ORIGINAL 70 33954 4 2077502 pour produire une décharge électrique dans un milieu de travail gazeux contenu dans une cavité, méthode selon laquelle, pour rendre la décharge électrique spatialement uniforme dans l'ensemble du milieu de travail dans un cas où ceci n'est pratiquement pas 5 réalisable par diffusion vers les parois de la cavité, on crée une densité sensiblement spatialement uniforme d'électrons libres dans le milieu de travail, puis l'on règle la température électronique des électrons libres de façon à accroître leur énergie moyenne sans accroître substantiellement leurr densité. 10 Pour appliquer la méthode aux lasers, on fait passer le milieu de travail gazeux, qui possède un état laser supérieur et un état laser inférieur,dans une cavité allongée allant d'une entrée de gaz à une sortie de gaz dans une direction orthogonale à l'axe longitudinal de la cavité, la densité sensiblement 15 spatialement uniforme des électrons libres étant ainsi créée qu'elle suffit à entretenir une inversion de population dans le milieu de travail, tandis que la température électronique des électrons libres est ainsi réglée qu'il se produit un effet de laser dans le milieu de travail au cours de son passage 20 dans la cavité. Il est également fourni un appareil permettant de mettre en oeuvre la méthode telle qu'elle est appliquée aux lasers, appareil dans lequel il est prévu des moyens d'alimentation en gaz qui produisent un écoulement du milieu de travail gazeux 25 de l'entrée de gaz à la sortie de gaz de la cavité allongée à une vitesse et sous une pression prédéterminées, plusieurs électrodes d'impulsion alignées dans le sens orthogcnal "à plusieurs électrodes servant de cathodes alignées ceWtcgonalf-ynant 30 à la direction d'écoulement du gaz et près de la sortie de gaz, plusieurs électrodes d'entretien alignées crtl'W^oaidla®eat à la direction d'écoulement du gaz et entre les électrodes d'impulsion et les électrodes cathodes qui sont respectivement alignées, un premier moyen d' excitation électrique ciout la sortie est 35 branchée entre les électrodes d'impulsion et les électrodes servant de cathodes pour produire une décharge électrique qui crée la densité sensiblement spatialement uniforme d'électrons libres dans le milieu de travail, et un second moyen d'excitation électrique dont la sortie est branchée entre, les électrodes 40 d'entretien et les .électrodes servant de cathodœ pour produire BAD ORIGINAL 70 33954 5 2077502 un champ électrique qui règle la température électronique des électrons libres en produisant l'effet de laser dans le milieu de travail,. Cet appareil comprend un laser à gaz mobile de grande 5 puissance qui est de type véritablement volumétrique et qui peut être proportionné suivant chacune des trois dimensions caractéristiques ainsi qu'en niveau de pression. Une décharge spatialement uniforme apparaît lorsque la diffusion des couples électron-ion vers les parois est vraiment négligeable. 10 La présente invention va être décrite relativement à un laser à azote mobiles et électriquement excités, mais elle peut s'appliquer à d'autres systèmes dans lesquels un tel plasma est nécessaire, y compris, mais sans s'y restreindre, aux lasers dont les 15 constituants gazeux sont autres que l'azote, le gaz carbonique et l'hélium, ainsi qu'à d'autres systèmes à action de laser . Une décharge selon cette invention se fait à la température électronique correcte pour que le fonctionnement du laser soit le plus rentable possible. En outre, un laser qui concrétise 20 l'invention est volumétrique en ce sens que la température du gaz et les concentrations d'état inférieur 3u laser correctes sont entretenues non pas par diffusion dans le gaz vers les parois latérales refroidies, mais plutôt par le choix convenable de la vitesse d'écoulement du gaz. 25 Pour que l'invention puisse être bien comprise on va maintenant la décrire en considérant les dessins annexés, dans lesquels : La Figure 1 est une vue en perspective, avec des parties arrachées d'un exemple d'appareil dans lequel on peut 30nettre en oeuvre la méthode de cette invention; La Figure 2 est une coupe, vue de dessus, suivant les lignes 2-2 de la Figure 1; La Figure 3 est une coupe, vue de côté, suivant les lignes 3-3 de la Figure 1; 35 La Figure 4 est un diagramme de la température électronique en fonction de E/N pour l'hélium, le gaz carbonique et l'azote pur», ainsi que pour un mélange type de gaz utilisé dans les lasers à gaz Nj/COj/ÏIe excité électriquement; La Figure 5 est un diagramme de la constante de vitesse 40 en fonction de la température électronique pour les niveaux laser V BAD ORIGINAL 70 33954 6 2077502 supérieur et inférieur de CC^ et de excité par vibration ; et Les Figures 6A, 6B et 6 C sont des diagrammes montrant l'effet de la température du gaz pour divers rapports entre la densité volumétrique des électrons libres ne dans le gaz et 5 la pression P du gaz qùi est nécessaire pour produire des lasers à gaz mobile pouvant être dimensionnés volumêtriquement, de grande puissance et rentables. Considérons maintenant les Figures 1 à 3. Un milieu gazeiix pouvant produire un effet de laser, tel par exemple un mélange 10 comprenant 16 % de CO2 / 34 % de ^ et 50 % de He, est fourni par une source appropriée, tels une chambre sous pression et un diffuseur (non représenta ) à la section utile du las Dans la partie centrale de la section supérieure 14 sont montéesde façon étanche plusieurs électrodes espacées l'une de lrautre et désignées collectivement ci-après sous le nom 30 d'électrodes 21 du circuit d'entretien. Les électrodes 21 du circuit d'entretien traversent la section supérieure 14 dans la direction Y etïespace délimité par les sections supérieure et inférieure et pénètrent dans la section inférieure 15 de telle manière que leurs extrémités soient enfoncées dans la surface 35 interne de la section inférieure 15» De même, la section inférieure est pourvue, de façon étanche, de plusieurs électrodes espacées l'une de l'autre qui sont placées respectivement dans les portions amont et aval de la section inférieure. Ces électrodes 22 et 23 traversent la section utile et pénètrent dans des gorges 24 et 25 40 délimitées par le bâti 13 et la section supérieure 14. BAD ORIGINAL 70 33954 7 2077502 Les électrodes amont sont désignées collectivement ci-après par le nom d'électrodes 22 du circuit d'impulsion, et les électrodes aval sont désignées collectivement ci-après par le nom d'électrodes 23 de cathode commune . Les bouts de toutes 5 ]&s électrodes sont enfonces afin d'assurer une décharge uniforme dans le milieu actif formé par le gaz mobile, en empêchant la formation d'arcs entre les bouts des électrodes. Dans les parois terminales 26 et 27 du bâti 13 sont disposés des miroirs respectifs 28 et 29 qui délimitent une cavité optique ou région d'action de 10 laser entre les électrodes 21 du circuit d'entretien et les électrodes 23 de la cathode commune. Grosso modo, la région à ection de laser ne se limite pas à un emplacement spécifique quelconque et peut englober une région très importante en aval des électrodes 22. Les miroirs 28 et 29 sont de conformation 15 et de type classiques, et sont suffisants pour délimiter une cavité optique, ce qui est bien connu dans la technique antérieure. Les électrodes servant de cathodes peuvent être reliées à la terre par l'intermédiaire d'éléments isolants 31 tels que résistances et/ou condensateurs. 20 L'excitation et l'inversion du milieu gazeux dans la région 35 entre les électrodes d'entretien 21 et les électrodes 23 de la cathode commune se font selon un processus en deux étapes. Grosso modo, une décharge de hsute tension peut être provoquée entre les électrodes 22 du circuit d'impulsion et 25 les électrodes 23 de la cathode commune au moyen d'une source d'énergie 36 de haute tension classique,d'un circuit d'impulsion 37 et d'un circuit de déclenchement 38. Le circuit d'impulsion peut comprendre, à titre d'exemple, un condensateur et un éclateur , comportant une électrode de déclenchement (non représenté}) 30 qui est déclenchéepar un circuit de déclenchement classique du type oscillateur. Le condensateur est chargé par la source d'énergie à haute tension et est couplé aux électrodes d'impulsion par l'intermédiaire dû L'Pointeur Pour maintenir sans interruption des conditions optimales d'action de laser dans la région 35 à 35 action de laser on provoque une seconde décharge entre les électrodes d'entretien 21 et les électrodes 23 de la cathode commune, par exemple au moyen d'une source d'énergie en courant continu classique 45 et d'un circuit d'entretien 46 comprenant plusieurs condensateurs dont chacun est en série avec une 40 résistance. Sinon, on peut utiliser une source d'énergie 70 33954 s 2077502 en courant alternatif avec un montage approprié» Les condensateurs et résistances dont il est question ci-dessus peuvent être remplacés par des résistances ou des inductances . Chacun des condensateurs et résistances sus-mentionnés est couplé individuelle-5 ment à la source d'énergie 45 et â l'une des électrodes d'entretien pour assurer que chaque couple anode-cathode fait passer du courant dans le gaz. Dans un modela qui a donné satisfaction, la section utile 12 comprenait 44 électrodes d'impulsion 22, 44 électrodes d'entretien 21 et 44 électrodes 23 de cathode 10 commune, comme représenté sur la Figure 1, l'écartement entre les électrodes étant d'environ 2,54 cm dans la direction X et d'environ O,60 cm dans la direction Z. Les électrodes amont avaient environ 0,05 cm de diamètre. Dans ce cas particulier la distance entre les sections supérieure et inférieure 14 et 15 était 15 de 2,54 cm, et la distance dans la direction Z entre les miroirs 28 et 29 était d'environ 30 ct\r. La direction de la sortie laser est perpendiculaire à la direction d'écoulement du gaz et, comme indiqué sur le dessin, correspond à la direction Z, l'écoulement gazeux se faisant 20 dans la direction X, et sensiblement suivant la longueur de l'axe longitudinal de la cavité„ La cavité optique 35 est délimitée par les électrodes d'entretien 21 et les électrodes 23 de cathode commune ainsi que par les miroirs 28 et 29. Selon la pratique classique, l'un des miroirs, comme par exemple 25 le miroir 29, est fortement réflecteur à la fréquence convenable et l'autre (le miroir 28) est partiellement réflecteur et partiellement transmetteur pour permettre une sortie. Comme déjà mentionné, le gaz de travail traverse la section utile dans la direction X telle qu'elle est représentée. Lé gaz peut être 30 fourni à une pression de 15 torr, par exemple, à une vitesse de Mach 0,2. Un moyen approprié d'alimentation en gaz (non représenté) peut être prévu et couplé à la sortie de la sëction utile ; pour fournir la pression voulue. Il faut cependant comprendre qu'on peut obtenir un effet 35 de laser même en aval des électrodes 23, et que par conséquent l'excitation du milieu de travail peut être obtenue dans une . „ laser où cavité ou région distincte de la région de travail ou d'action de/ est utilisé l'inversion de population ou effet de laser voulu . Comme représenté uniquement à titre d'exemple sur les 40 Figures 1 à 3, la présente invention peut être concrétisée 70 33954 9 2077502 par un laser à ?az nolixl^. qui a un caractère véritablement volumétrique ft qui peut être proportionné aussi bien suivant chacune des trois dimensions caractéristiques qu'en niveau de pression. Une décharge spatialement uniforme qui sera décrite 5 plus complètement ci-après, apparaît dans la région de travail, dans laquelle la diffusion des couples électron-ion vers les parois dans le gaz mobile est négligeable. Il faut comprendre que la présente invention est utilisable avec des gaz autres que ceux qui sont décrits relativement au mode de réalisation 10 préférentiel, une décharge à effet de pompage (excitation) étant provoquée pour produire la température électronique correcte pour que le fonctionnement du laser soit le plus efficace. En outre, un laser incorporant cette invention est volumétrique en ce sens que la température du gaz et les concentrations d'état inférieur 15 du laser correctes sont maintenues non pas par diffusion dans le gaz vers les parois latérales refroidies mais plutôt, entre autres, par le choix convenable de la vitesse d'écoulement du gaz. Deux problèmes qui se sont avérés associés à la production 20 d'un milieu à action de laser qui est véritablement volumétrique, et qui sont surmontés par la présente invention, sont le réglage de la température du gaz et l'uniformité de la décharge. Pour faciliter la compréhension de cette invention, on va maintenant discuter d'abord le problème du réglage de la température 25 du gaz puis celui de l'obtention d'une décharge uniforme. Considérons d'abord le réglage de la température du gaz. Dans le tube de décharge en courant continu des lasers classiques à ^-COg-He "pompés" (excités) au moyen d'une décharge de courant continu, le gaz contenu dans le tube est refroidi par diffusion 30 thermique vers les parois latérales, typiquement refroidies par de l'eau, et est maintenu uniforme par cette diffusion aussi bien que par diffusion ambipolaire de couples ion -électron. On peut démontrer, grâce à une équation simple et bien connue dans la technique, que dans un tel cas de régime permanent en courant 35 continu, l'équilibre énergétique du gaz dans le tube, ainsi que les conductivités thermiques des gaz utilisés et que le degré de chauffage tolérable maximal connu que l'on autorise pour le gaz, limite la quantité maximale de chaleur qui peut être acheminée à travers le gaz jusqu'aux parois latérales refroidies , 40 a une valeur de lOO à 200 watts par mètre de longueur du tube, —— TT BAD ORIGINAL 70 33954 10 2077502 cette quantité dépendant dans une certaine mesure de la fraction d'hélium utilisée. Par conséquent, puisque le rendement maximal du système à laser Nj-CO^-He est d'environ 40 pour cent, les pertes thermiques suenentionnéasde 100 à 200 watts par mètre 5 de longueur représentent également à peu près la valeur maximale de puissance que l'on peut obtenir pour le laser, par mètre, avec un tube de décharge à laser ^-COj-He à parois refroidies et en régime permanent. Dans des essais réels, on a obtenu une puissance de laser atteignant jusqu'à 75 watts par mètre de tube 10 de décharge en opérant en courant continu et en régime permanent, La limite sus-mentionnée de tels lasers efc gaz est imposée par l'exigence de refroidissement du gaz par les parois du tube d'enceinte. La répartition axiale (x) et radiale (r) de la température dans un ga* mobile thermlquessnt; conducteur est 15 donnée par l'équation énergétique globale : p UC„ ffTo + _JL_ » r X Y ^x r où jp est la densité àn gaz, u la citasse du gaz, là chaleur spécifique du gas, ^ la conductivité thermique du gaz, r la distance radiale, x la distance axiale, Q la chaleur volumétrique 20 uniforme engendrée, T la température du gaz dt T la température de stagnation. Le premier terme ou terme de conv^ct: on de chaleur de l'équation (1) représente la montée axiale de température du gas et dépend de la pression du gaa et de la vitesse d'écoulement. Le second terme ou terme de conduction de chaleur, 25 (terme placé à gauche du signe égale) représente la chaleur acheminée par le gaz jusqu'aux parois d'enceinte; et le troisième terme, ou terme source de chaleur Q, représente la chaleur volumétrique d'une source qui dépend de la pression du gaz. On peut voir d'après l'équation (1) ci-dessus que si le terme source de chaleur Q est équilibré par le second terme ou terme de conduction de chaleur, un diamètre de tube admissible qui dépend de la pression s'impose pour empêcher une surchauffe du gaz. Cependant, si le terme source de chaleur Q est équilibré par le premier terme ou terme de convection de chai sur dans 35 l'équation (1) le rayon du tube ne dépend plus de la pression. En outre, puisque les termes source, de chaleur et convection de chaleur sont tous deux proportionnels à la pression du gaz, ces effets du niveau de pression tendent à sfannuler. C'est-à-dire qu'une pression plus forte permet «ne plus grande admission 40 d'énergie dans le gaz, mais entraîne aussi une plus grande BAD ORIGINAL 70 33954 2077502 aptitude du gaz à emmagasiner cette énergie avant qu'une montée de température commence. En ce qui concerne le refroidissement global seul, dans la mise au point de la présente invention on a constaté que, pour avoir la température de la masse du gaz 5 réglée par l'écoulement plutôt que par le refroidissement des parois, il suffit que la durée de parcours d'une particule de gaz dans la chambre de travail du laser soit bref en comparaison de la durée de diffusion de cette particule entre le centre du milieu et les parois, c'est-à-dire que les couches limites ther-10 iniques de la paroi soient minces en comparaison de la hauteur du canal. Pour une géométrie à plaques parallèles, avec un écartement entre donné / plaques, une vitesse de gaz donnée, et une longueur axiale donnée, le critère à prendre en considération pour les 15 couches limites thermiques est que le temps de diffusion thermique dans l'espace qui sépare les plaques soit long en comparaison du temps d'écoulement à travers la '.longueur et soie donné par la relation : F c 20 ______ ( H \ x L a \2 ) >; 25 30 -ET où j- est la densité du gaz (directement proportionnelle à la pression P), c est la chaleur spécifique du gaz (indépendante de P la pression P), ^ est la conductivité thermique du gaz (indépendante de la pression), H est l'écartement entre plaques, U est la vitesse d'écoulement du gaz, et L est la longueur axiale des plaques. Pout des valeurs-types de la pression de gaz P égèrles à 10 torr d'hélium pur et un H de 10 cm, on a un temps de diffusion thermique'd'environ 1 seconde. Pour une "longueur de canal,L, d1environ 100 cm et une vitesse d'écoulement de Mach 0,1 (30 mètres à la secondé) la durée de parcours est de 0,030 seconde , Par conséquent, on verra maintenant Cependant, on a également constaté que la formation des couches limites minces dont il est question ci-dessus, n'était pas en soi suffisante pour le choix de la vitesse d'écoulement. A la suite d'une étude détaillée, on a constaté qu'il doit exister 40 BAD ORIGINAL* 70 33954 12 2077502 un accord entre la vitesse d'écoulement du gaz, le niveau de pression du gaz, la température du gaz, la densité des électrons, et l'énergie moyenne des électrons pour que l'on obtienne un laser à gaz mobile de grande puissance,rentable et pouvant être 5 proportionné volumétriquement, tel que par exemple le laser ^/CC^/He décrit ci-dessus. Il faut comprendre que, bien que la technique qui va être décrite maintenant ait été mise au point avec un mélange gazeux de ^/COg/He, elle est applicable à d'autres systèmes à action de 10 laser et qu'on peut ajouter d'autres gaz, si nécessaire ou souhaitable. La discussion précédente concernant les couches limites thermiques minces est importante comme point de départ pour déterminer la relation sus-mentionnée entre la vitesse, la pression,et les dimensions de la cavité. 15 On peut utiliser l'équation (2) pour déterminer la vitesse d'écoulement minimale qui est nécessaire dans un dispositif donné opérant à un niveau de pression donné pour fournir au gaz un équilibre , refroidissement par écoulement-admission de puissance. Cependant, le niveau auquel on peut laisser monter 20 la température du gaz est le plus important et va maintenant être décrit en gain du laser à ^Ax^/He mobile qui est décrit ci-dessus. Le gain d'un milieu laser quelconque est en général proportionnel à la différence ent^e la population des états 25 laser supérieur et inférieur (désignés respectivement ci-après par XTT et X_) du système. Si l'état laser supérieur est plus U 1j abondamment peuplé jue l'état inférieur ( XyXL ) alors on. dit que le gaz ou système possède une inversion de population et on peut en général faire en sorte qu'il produise un effet laser. 30 Les Figures 6A, 6B et 6C représentent, à titre d'exemple pour un mélange 3/2/1 de He/^/CK^* les populations X^ et X^ d"'état laser supérieur et inférieur qui sont atteintes dans .un laser volumétrique électriquement excité pour une densité volumétrique donnée d'électrons n et un niveau de pression donné P, 35des conditions de flux laser faible pour des températures de gaz de 300°K , 500°K et 700°K. La région de la décharge électrique et la cavité du laser coïncidaient pour les besoins de ces diagrammes représentatifs, maasceci n'est pas en général nécessaire. A l'aide des diagrammes représentés sur les Figures 6A, 6B et 6C on va 40maintenant démontrer qu'il faut choisir une vitesse de gaz convenable BAD ORIGINAL 70 33954 13 2077502 pour empêcher une montée excessive de la température du gaz et donc un r.anque de rendement dans la cavité du laser avec une densité volumétrique donnée nfî d'électrons libres à un niveau de pression donné P. Pour les besoins de cette discussion on 5 suppose que les électrons se trouvent à-ou. près de-la température électronique optimale pour l'excitation du laser. Dans les appareils conformes à l'invention, il existe en général cinq régions (A à E) de différences de population. Dans la région A le rapport entre l'excitation de l'état supérieur 10 du laser par les électrons et la désexcitation par les molécules du gaz environnant (n /P) n'est pas suffisamment grand pour créer C une inversion de population. Par conséquent ^ Xy et il ne se produit pas d'action de laser. Dans la région " le rapport n /P est plus grand que dans la région A et des inversion:', de 6 15 population apparaissent (X^^ Xyjmais la population de l'état laser supérieur n'est pas sensiblement plus grande que celle de l'état laser inférieur. Par conséquent, il ne se produit çu":une action de laser très inefficace. Dans la région C le rapport nQ/P, bien que modéré, est supérieur à celui de la région B 20 et XL Xy. Ici une inversion efficace s'effectue, et il se produit un effet de laser utilisable. La limite entre les régions B et C est l'endroit où XT représente à peu près le cinquième Xi à la moitié de Xy. Dans la région D le rapport nfi/P est plus grand que dans la région C mais la population Xy de l'état supérieur 25 est alors assez importante pour que la désactivation de Xy par collisions produise une population X^ d'état inférieur telle que la différence nette entre X^ et X^ est à nouveau réduite à peu près à celle qui existe dans la région B. Par conséquent, le gain du laser est réduit par un facteur d'au moins 2 par rapport à 30 celui qui existe dans la région C et il ne 0e qu'un effet de laser très inefficace. Dans la région E on n'obtient pas d'inversion de population (comme dans la région A) à cause de l'existence d'un équilibre incorrect entre les vitesses d'excitation et les vitesses de désexcitation . 35 D'après la discusâon précédente et les Figures 6A, 6B et 6C on peut voir comment procéder au choix convenable de la vitesse du gaz selon l'invention. En supposant que le gaz admis se trouve à environ 300°K (voir Figure 6A), il est préférable de choisir la densité volumétrique n des électrons libres et le niveau e 40 de pression du mélange P de telle sorte que le gaz ou milieu — \ BAD 70 33954 14 2077502 de travail parte dans la cavité de laser dans la région C. Si l'énergie qui est fournie au gaz (dans ce cas l'énergie électrique) est, par exemple, à l'extrémité de faible ng/P Il y > 10 ne /p 'ylO , qui s'est avéré la plus rentable pour le fonctionnement jusqu'à des températures de sortie de 35 gaz d'environ 600°K. Il est alors évident qu'en augmentant la vitesse d'écouleme.t à partir d'une certaine valeur minimale on ne portera le rendement global du laser volumétrique dans la cavité que jusqu'au point où la température du gaz à la sortie 40 du laser est maintenue à une valeur telle que le gain ne soit bad original 70 33954 15 2077502 sensiblement proportionnel qu'à la population X^ de l'état supérieur, seule une faible réduction de gain se produisant en raison, par exemple, de la présence d'une population finie d'état inférieur. De nouvelles augmentations de la vitesse 5 d'écoulement feront tendre XT vers zéro, mais, comme déjà J-l souligné, entraîneront également une augmentation indésirable des fuites de gaz excité par vibration par la sortie de la cavité. Dans les lasers à gaz mobile où cette dernière perte énergétique représente une fraction appréciable de la sortie 10 du laser, la vitesse d'écoulement nécessaire pour le rendement maximal du laser ©st atteinte lorsque l'augmentation de rendement du laser (par production d'une population XL d'état inférieur moins importante) résultant d'une augmentation de la vitesse d'écoulement, est exactement compensée par la diminu-15 tion de rendement du laser due à l'augmentation résultant de la convection, hors du laser, de la population Xy d'état supérieur. En ce point la vitesse d'écoulement est optimisée du point de vue rendement du laser, selon l'invention, en fournissant l'accord nécessaire entre la puissance électrice d'admission et l'écoulement 20 massique du gaz. La discussion précédente est basée sur la supposition que la pression P est restée à peu près constante et que la décharge électrique qui produit l'excitation est demeurée une décharge uniforme. Grosso modo, au cours de la mise au point de l'invention 25 on a constaté que des décharges spatialement uniformes, comme et pour les applications qui sont décrites plus en détail ci-après,, produisent une sortie de laser de grande puissance et rentable à peu près jusqu'au point où une quantité suffisante d'énergie électrique 3 été, ajoutée au gaz par la décharge pour 30 porter, en gros, la température, initiale du gaz à une certaine limite. (environ 600° - 700° K yçixr le mode de réalisation qui est décrit ici) par chauffage du gaz par effet Joule dans la décharge, dans le temps nécessaire pour qu'une partie bien définie du gaz passe dans la section laser (temps d'écoulement). 35 il faut remarquer que cette limite de température du gaz est compatible avec la relation, décrite ci-dessus, entre la vitesse d'écoulement et la température du gaz. Au-delà de la limite apparente sus-mentionnéepour le rendement maximal que l'on peut obtenir, on a constaté que la 40 décharge tendait à devenir non-uniforme et que, si l'effet t BAD ORIGINAL 70 33954 16 2077502 de laser ne cessait pas, le processus devenait moins rentable . Cependant,, cette limite, comme indiqué ci-dessus, s'élève en même temps que la pression et la vitesse du gaz. Ainsi, selon l'invention, à mesure que la pression, la vitesse d5écoulement et 5 les dimensions augmentent, on peut ajouter de plus en plus d'énergie au gaz sans cesser d'obtenir une décharge uniforme et donc un effet de lasèr de grande puissance et rentable à des niveaux d'énergie de plus en plus hauts. Pour des conditions opératoires données quelconques en 10 dessous de la limite des décharges spatialement uniformes que l'on peut obtenir, le choix de la vitesse d'écoulement dépend de paramètres associés à la cavité à action de laser,qui seront décrits plus en détail ci-après. Par exemple, dans le cas du fonctionnement en cycle fermé du laser à gaz mobile, la puissance 15 exigée par les ventilateurs ou les pompes qui servent à recycler le gaz dans la cavité du laser et le moyen de refroidissement, augmente comme le cube de nombre de Mach de l'écoulement, et il est facile de démontrer que la puissance demandée par les pompes pour un système à cycle fermé indique qu'un faible nombre de Mach 20 est souhaitable.Ainsi, pour un nombre de Mach égal à 0,2 la puissance de pompe nécessaire pour surmonter la perte de pression ne représente qu'à peu-près le cinquième de la sortie de laser obtenue avec une cavité à îT2""co2~He' tandis qu'à Mach 2,0 la puissance demandée par les pompes représente au moins 20 fois 25 cette sortie de laser. Pour le fonctionnement en cycle fermé cependant, de grandes vitesses d'écoulement ne présentent pas en soi d'inconvénients. Par conséquent, des écoulements à grande vitessefà plus de Mach 1,0 pour un système à cycle ouvert) peuvent être intéressante et permettent à la pression de Ici 30 cavité du laser d'être inférieure à une atmosphère et permettent également au milieu de travail de s1 échapper directement à l'atmosphère. Dans les expériences menées dans la mise au point de la présente invention on a constaté qu'un nombre de Mach allant de 35 0,05 à 0,6 est suffisant pour que le fonctionnement du laser soit rentable. Considérons maintenant la nécessité d'obtenir une décharge uniforme . Comme cela a été démontré ci-dessus, l'utilisation de l'écoulement pour régler la température du gaz dans les 40 limites indiquées ci-dessus permet de proportionner les dimensions BAD ORIGINAL t 70 33954 17 2077502 indépendamment du niveau de pression, avec cet avantage parallèle que dan.-: un dispositif de dimension fixe utilisant une vitesse d'écoulement appropriée pour le réglage de la température du gaz, l'augmentation du niveau de pression permet une augmentation de 5 la puissance de sortie du laser. Cependant, à des pressions aussi élevées la décharge doit rester uniforme, et ne pas se transformer en arc, décharges irrégulières et/ou "rais"„ En outre, à une pression aussi élevée la décharge doic pouvoir entretenir, sans formation de "rais", les champs électriques nécessaires au fonction-10 nement du laser. On trouve dans la littérature les renseignements concernant l'énergie moyenne des électrons (appelée ici température électronique) qui est atteinte dans des décharges électriques dans des gaz monotype tels que, par exemple, N2 pur- , C02 pur He pur 15 ecc... Ainsi que cela a été fait dans la mise au point de la présente invention, on peut utiliser ces résultats pour prévoir la température électronique dans une décharge de gaz contenant, par exemple, un mélange de gaz monotype. Cette méthode doit faire appel à l'idée décrite ci-dessus quant au. gain et à la perte 20 d'énergie pour une collision électron - atome dans un champ électrique appliqué. Ainsi, étant donné ?a température électronique T i et la mobilité en fontion de E/N pour chaque gaz en question, on peut procéder au calcul de et en fonction de E/N pour un mélange quelconque de ces gaz. La température électronique 25 pour N2 pur , C02 pur He pur , et pour un mélange de 16 % de C02, 34 % de,N2 et 50 ?' de He,obtenue selon les indications ci-dessus, est représentée sur la Figure 4. Ainsi que cela est peut être évident maintenant, pratiquement n'importe quel gaz ou combinaison de gaz tels que CO, NO, H2, Ar, N02, N20 , etc.. peut être 30 traité de la façon discutée ci-dessus et d'autres gaz peuvent être ajoutés si c'est nécessaire ou souhaitable. En utilisant comme point aa .départ la documentation concernant les lasers à N2~C02 à diffusion prédominante et étanches on £ déterminé qu'un rapport d'environ 2/1 entre les pressions 35 de N2 et de C02 était optimal pour la sortie de puissance et qu'il fallait utiliser en général plus d'hélium que de N2 ou de C02. Un mélange de 2 % à 50 % d'hélium, le reste du gaz étant formé de deux parties de N2 pour une partie de C02,s'est avéré satisfaisant. 40 lies sections efficaces d'excitation directe des niveaux lasers BAD ORKS'MAL 70 33954 18 2077502 supérieur et inférieur de CC»2 par impact électronique ont été publiées,, ainsi que celles d'excitation de Ng par vibration. Ces sections efficaces, transformées en vitessesd'excitation, sont représentées sur la Figure 5, La Figure 5 montre que des températures 5 électroniques de l'ordre de 0,80 à 1,50 électron volt sont optimales pour l'excitation directe du niveau laser supérieur de CO2 (état OOl ) (courbe II) et le premier niveau de vibration de N2 (V = 1) (courbe I) qui transfère efficacement son énergie à l'état C0200l . Sur la Figure 5 la courbe III représente ÎO l'excitation de CO2 état 010, et la courbe IV la vitesse d'ionisation de N~ . 16 Pour le mélange ci-dessus un E/N d*environ 1 à 3 x 10 volts par centimètre et par particule et par centimètre cube donne une température électronique d'environ 1 av. 15 D'après ce qui précède on pe^t voir maintenant que pour que le fonctionnement du système îlg-CO^ soit optimal, par exeiaple, la région d'opération préférentielle est une région dans laquelle la vitesse de perte d'énergie par les électrons dans la décharge est due en prédominance à l'excitation du ^ et du CO2 par vibration 20 et que, par conséquent, la température électronique doit être fixée à 1 eV environ * Cette, eovidjfeign est toutefois, du moins dans certains cas,incompatible avec la condition que dans un laser à diffusion prédominants en courant continu, pour des raisons d'uniformité de décharge,- la vitess© de production d'électrons 25 doit exactement équilibrer la vitesse nette de perte d'électrons. Lorsque ces derniers cas se présentent la température électronique est liée au niveau de pression et à la dimension du tube et n'est pas nécessairement égale à 1 eV. En prévoyant la technique de pompage (excitation) à double 30 décharge on tourne la restriction ci-dessus en appliquant essentiellement deux décharges électriques successives au gaz pendant qu'il traverse le canal„ La première décharge crée la densité des électrons en n'utilisant uniformément qu'une petite quantité d'énergie, tandis 35 que la seconde décharge fournit une tension pour donner à ces électrons une température assez haute pour l'effet de laser mais pas assez haute pour engendrer la moindre augmentation appréciable de densité fles électrons. La seconde décharge,ou décharge d'entretien, introduit la quantité prédominante d'énergie 40 dans le gaz, directement là où elle est souhaitée. Dans le cas BAD ORIGINAL 70 33954 19 2077502 du laser à ^-CC^ l'énergie est introduite dans l'état laser supérieur de CC^ et dans le niveau de vibration de l'azote, la température électronique optimale assurant le rendement optimal du laser. A la création d'un nuage uniforme d'électrons-5 ionspar la première décharge, le nuage reste uniforme pendant la durée de la seconde décharge tant que cette seconde décharge ne crée pas rapidement d'électrons. Si le niveau de la seconde décharge ou décharge d'entretien est porté au point où elle produit elle aussi une ionisation rapide, alors des non-uniformités 10 de décharge peuvent apparaître. Cependant, la prévision d'une seconde décharge ou décharge d'entretien, choisie de façon à créer lentement des électrons, entraîne l'entretien d'une décharge uniforme stable sur plusieurs périodes d'écoulement. Cette lente création d'électrons par la seconde décharge équilibre 15 presque la perte d'électrons qui est produite par la première décharge à la suite de l'écoulement et des pertes d'électrons par recombinaison, et ne doit pas accroître substantiellement le niveau d'ionisation car ceci entraînerait une densité électronique non uniforme, avec formation d'arcs par exemple. 20 Ainsi que ceci doit être maintenant évident, la présente invention permet 1'obtention,dans un latar à gaz mobile, d'une décharge spatialement uniforme à la température électronique optimale nécessaire pour que le fonctionnement du laser soit rentable à des niveaux de pression et pour des dimensions physiques 25 arbitraires. Bien que l'invention ne s'y restreigne pas, ceci peut être réalisé par utilisation de la décharge sus-mentionnée en deux phasestcomprenant de préférence d'abord une décharge rapide sous haute tension qui crée une densité électronique uniforme laquelle, si on la laissait à elle-même,disparaîtrait 30 par des processus volumétriques tout en s'échappant du canal et serait incapable de produire un effet de laser de grande puissance et rentable. Cependant, il est prévu une seconde décharge scus tension plus faible qui donne aux électrons produits par la première décharge la température électronique nécessaire 35 pour que l'excitation du laser soit de préférence optimale, sans augmentation marquée de la densité électronique. Il faut comprendre que l'invention ne se restreint pas à l'appareil qui est représenté et décrit mais que, par exemple, on peut utiliser d'autres méthodes et d'autres appareils pour 40 créer la densité électronique initiale, par exemple, rayonnement BAD 70 33954 20 2077502 ultraviolet, faisceau très énergétique d'électrons, de protons, etc... fournis par des moyens générateurs de faisceaux d'électrons pour introduire un ou plusieurs faisceaux d'électrons en produisant l'ionisation du milieu gazeux, comme et pour les applications indiquées ci-dessus. Que les électrons soient produits de la manière décrite ci-dessus ou d'une autre manière appropriée quelconque, ils doivent être portés à la température électronique correcte par le E/N qui est appliqué par la décharge d:entretien . "A \ \ \ -\ \ v \ \ \ \- \ BAD ORIGINAL 70 33954 21 2077502 Considérons de nouveau les Figures 1 à 3 qui représentent un modèle mis réellement en oeuvre et qui incorporait la décharge impulsion-entretien en deux phases, déjà décrite, dans un mélange gazeux de ^, C02 et He. 5 Du fait des tensions assez élevées qui peuvent être nécessai res pour le circuit d'impulsion qui est représenté et décrit pour produire une première décharge, des distances suffisantes d'équilibre de tension doivent être prévues aussi bien en amont qu'en aval des électrodes pour n'assurer le passage du courant dans le 10 gaz que dans la direction correcte dans le circuit d'impulsion. Dans les lasers, ceci peut se faire, comme déjà souligné, par exemple, en fabriquant la section utile elle-même avec un matériau résistant et électriquement non conducteur tel que, par exemple, la fibre de verre imprégnée d'une résine époxy. Puisque 15 les lasers du type décrit ici peuvent être proportionnés, on peut utiliser de grands canaux qui, pour des raisons de structure, peuvent exiger des parois métalliques. Dans ce cas les surfaces internes, du moins dans la zone de la décharge, doivent être gainées d'un matériau non conducteur approprié tel que, par exemple, 20 Ie quartz ou un matériau équivalent. Lorsqu'on utilise des miroirs métalliques il importe qu'ils ne soient pas placés trop près de la zone de décharge car des électrodes adjacentes aux miroirs tendent à se décharger dans ces miroirs,au lieu de le faire dans le gaz mobile comme il est 25 souhaitable. Par conséquent, une distance suffisante d'équilibre de tension entre les miroirs et la décharge est nécessaire pour prévenir une décharge indésirable vers les miroirs, il s'est avéré satisfaisant de séparer les miroirs et les électrodes d'environ une à deux distances anode-cathode. Le gaz qui se trouve 30 dans la région intermédiaire aux miroirs et aux électrodes peut être en circulation, en recirculation ou bien simplement statique, mais on préfère un gaz en circulation. Il importe de remarquer que la direction de passage du courant, telle qu'elle est représentée sur la Figure 1, est parallèle 35 à la direction d'écoulement du gaz (dans la direction X). Cette disposition est préférable car elle supprime le problème de l'éclatement de décharge. On sait qu'une décharge qui frappe perpendiculairement un écoulement de gaz à grande vitesse ne se fait pas directement dans l'intervalle anode-cathode mais que le 40 trajet du courant est "soufflé" vers l'aval, et que plus la - 1 BAD ORK3'N*Lr 70 33954 22 2077502 vitesse du gaz est grande plus la déformation du trajet du courant est importante, il est alors évident qu'en choisissant les trajets de courant parallèles à 1'écoulement de gaz selon cette invention, ce problème ne se pose pas. 5 Si les axes des électrodes sont choisis, par exemple, dans la direction Z,même si on conserve le passage de courant dans la direction X, les lames de courant résultantes ainsi que les gradients de densité de gaz qui leur sont associés tendent à provoquer des effets de réfraction sur les faisceaux lasers dans la 10 cavité et entraînent un faisceau laser de sortie inférieur qui ne présente pas la plus grande facilité de mise au point. Cependant, il faut noter qu'une orientation des axes d'électrodœ dans la direction z est. utilisable mais qua l'orientation des axes d'électrodes dans la direction Y est préférât!~ car elle supprime, entre 15 autres, les problèmes et diffiswltS* 3® x£fr?st,ion susmentionnés, L'écartement transiter sal entre électrodes (distance entre électrodes dans la direction S) doit. Stxa choisi de telle sorte que la diffusion ambipolaire dans la direction S soit juste suffisante pour amener les lames de courant adjacentes à se fondre, 20 même aux hautes pressions et pour les grandes vitesses d'écoulement, pour que tout le gaz qui traverse la région de travail subisse la processus d'excitation et soit ainsi rendu disponible pour 1'action de laser. Pour un cas donné quelconque, on peut calculer un écartement transversal approprié (diras-Lion Z; à l'aide du temps 25 de diffusion ambipolaire, de l'écarfceiaent anode-cathode, et des diamètres d'électrodes. Les électrodes servant de cathodes présentent une plus grande chute de tension pendant le fonctionnement et elles assurent donc un chauffage plus important que les électrodes servant d'anodes, 30 de façon correspondante. Pour cette raison les électrodes servant de cathodes doivent être placées au voisinage de la sortie de la cavité du laser, en aval des électrodes servant d'anodes. Un tel agencement a l'avantage de donner au milieu à action de laser qui se trouve dans la région de travail une température de gaz plus 35 basse et donc un processus laser plus rentable. Dans des essais réels, on a constaté que les décharges qui ne produisaient qu'accessoirement un effet de laser avec le mode de réalisation représenté sur la Figure 1, ne produisaient pas d'effet de laser du tout lorsque les cathodes étaient xjlacée s en amont de la cavité 40 du laser ou région de travail. BÂD ORIGINAL 70 33954 23 2077502 Les électrodes peuvent être de forme cylindrique et, comme déjà décrit, sont noyées dans les parois de la région de travail pour garantir qu' une décharge uniforme venant des surfaces cylindriques aura son point d'impact entre les électrodes servant respec-5 tivement d'anodes et de cathodes. Si les bouts des électrodes ne sont pas protégés, par exemple par noyage dans les parois, on peut s'attendre à une décharge préférentielle par les bouts des électrodes, ce qui tend à provoquer une décharge spatialement non uniforme et par conséquent une action de laser de qualités 10 médiocres. Il faut noter que la conformation des électrodes ne se restreint pas aux électrodes cylindriques et que l'on peut utiliser d'autres conformations. On peut utiliser par exemple une forme "feuille d'air" à surfaces polies (non représentées). Une 15 conformation "feuille d'air" a l'avantage de réduire la chute de pression due à la traînée aérodynamique des électrodes. En outre, les électrodes doivent être aussi rapprochées que possible l'une de l'autre car ceci tend à faire que tout l'ensemble des électrodes joue le rôle d'une "cathode creuse", en permettant ainsi d'employer 20 Ie rayonnement ultraviolet inhérent à ces cathodes pour augmenter l'arrachement des électrons des surfaces métalliques au-delà de l'arrachement qui résulte de la chute de tension des cathodes. Plus encore, les surfaces émettrices des électrodes à feuille d'air, qui sont plus grandes, offrent cet avantage supplémentaire 25 de favoriser l'émission de courant en réduisant la chute de tension nécessaire à la cathode. Quant aux matériaux d'électrodes, on a formé des électrodes appropriées avec du tungstène et du cuivre. Comme on pouvait s'y attendre, le tungstène et par conséquent d'autres métaux réfractaires se sont avérés avoir une 30 durée de vie beaucoup plus grande à cause de leur haute température d'arrachement et de leur conductivité thermique relativement grande. . Pour garantir que chaque couple anode-cathode du circuit d'entretien transporte du courant, chacun de ces couples anode-35 cathode doit de préférence avoir son propre condensateur comme source d'énergie. On peut assurer le transport du courant par chaque couple d'électrodes isolé en "lestant" lourdement chacun de ces couples anode-cathode à l'aide d'éléments à grande résistance et en excitant toutes les électrodes à l'aide d'un seul 40 gros condensateur ou même directement depuis la source d'énergie. 70 33954 24 2077502 Cependant, cette dernière solution entraîne généralement un gaspillage d'énergie dû à la dissipation ohmique dans les importantes résistances chutrices qui sont nécessaires. On peut utiliser une combinaison des deux méthodes ci-dessus, ainsi que d'autres 5 conformations et éléments de circuit, par exemple des éléments d'induction en place ou en plus des combinaisons résistance/ condensateur, dont le choix sera dicté par l'application spécifique. Les condensateurs destinés aux circuits anode-cathode d'entretien doivent avoir une dimension qui leur permette de ne pas 10 se décharger appréciablement si le circuit d'entretien opère par impulsions. Une réduction de 5 % à lo % de la tension initiale a été jugée satisfaisante. La source d'énergie d'entretien, qui peut avoir une conformation classique, doit avoir une capacité suffisante pour recharger les condensateurs d'entretien avant que 15 l'impulsion de courant suivante soit demandée aux condensateurs. Par conséquent, le temps de chargement nécessaire sera déterminé par la fréquence de répétition demandée aux impulsions de décharge. Cette fréquence dépend à son tour de l'usage auquel est destiné un laser selon cette invention. De grandes fréquences de répétition 20 d'impulsions produisent une sortie laser essentiellement en courant continu, tandis que de faibles fréquences de répétition, qui peuvent être nécessaires dans certains cas, produisent une sortie à impulsions. Une décharge d'entretien d'une durée de l'ordre de la milliseconde s'est avérée satisfaisante, et donc l'inductance 25 du circuit donne naissance à de très faibles chutes de tension. La tension qu'il faut appliquer aux bornes des condensateurs d'entretien est déterminée par les considérations de E qui ont ' N déjà été mentionnées ici, ainsi que par les chutes de tension de cathode et d'anode qui sont mesurées pour la géométrie d'élec- trodes donnée, le matériau donné, l'état de surface donné, la densité de courant donnée et le niveau de pression donné. Par conséquent, tandis que le niveau de pression, les constituants gazeux, l'écartement entre électrodes et la température électronique qui sont exigés donnent la chute de tension nécessaire 35 de part et d'autre de la colonne positive de la décharge, la tension réelle qui est appliquée aux condensateurs dans le circuit d'entretien doit être supérieure de quelques centaines de volts par suite des chutes de tension d'électrode. Si le proportionne-ment du laser et les conditions opératoires sont tels que des 70 33954 25 2077502 kilovolts s'avèrent nécessaires pour l'effet de laser, alors bien entendu des chutes de tension d'électrode de l'ordre de la centaine de volts seront sans importance. Si toutefois on détermine qu'il suffit de quelques centaines de volts de part et d'autre 5 de la colonne positive, alors un certain degré d'empirisme peut être nécessaire pour déterminer la tension de condensateur qui est la mieux appropriée. Le circuit d'impulsion comprend les électrodes d'impulsion susmentionnées serva.nt respectivement d'anodes et de cathodes. 10 Une source d'énergie de haute tension classique est couplée à un circuit chargeur qui est couplé aux anodes du circuit d'impulsion par l'intermédiaire d'ion circuit de déclenchement. La source d'énergie du circuit d'impulsion peut comprendre una source de tension de courant continu classique pouvant fournir 1 à 20 kv 15 ou plus. Le circuit chargeur est couplé à la source d'énergie et peut comprendre un condensateur en série avec une résistance limitrice (non représentée). Le circuit de déclenchement peut comprendre un éclateur classique (non représenté) avec une électrode de déclenchement couplée à un oscillateur classique ou un 20 élément équivalent, conçu pour fournir la tension d'impulsions, la longueur d'impulsions et la fréquence de répétition voulues. La forme de l'impulsion rapide de haute tension (c'est-à-dire le temps de montée, le temps d'affaiblissement, et la grandeur de la tension et de l'intensité) s'est avérée importante pour le 25 rendement du laser dans certains régimes opératoires, auquel cas la forme des impulsions peut être influencée par l'incorporation de résistances servant de conformateurs d'impulsion (non représentées) dans le circuit d'impulsion. Les valeurs appropriées de ces résistances varient, par exemple, avec le niveau de pression 30 qui règne dans le canal laser et avec la capacité du circuit d'impulsion (emmagasinage d'énergie). Lorsque le gaz de travail pénètre dans la région de travail à des nombres de Mach de, par exemple, 0,05 à 0,60 et sous des pressions de 5 à 50 torr, il traverse les électrodes d'impulsion 35 à haute tension qui sont maintenues à une tension élevée,de 1 à 20 kV par exemple. C'est en ce point (au niveau ou juste en aval des électrodes servant d'anodes d'impulsion) que la densité électronique spatialement uniforme initiale nécessaire apparaît. Les électrons ainsi produits, en compagnie du reste du plasma créé par 40 la décharge du circuit d'impulsion,traversent ensuite les élcctrodes BAD ORT'^At 70 33954 26 2077502 servant, d'anodes d'entretien où les électrons sont portés à la température électronique nécessaire pour le gaz utilisé, température telle que, pour le cas du mélange gazeux CC^-He par exemple, les niveaux laser supérieurs^§2 et C02 soient excités 5 préférentiellement par impact des électrons pour que le rendement du laser soit maximal. Pour un laser ou oscillateur l'énergie du laser peut être recueillie de la manière classique par les miroirs qui sont disposés à chaque bout de la cavité délimitée par les électrodes d'entretien et de terre et par les parois 10 latérales du bâti. Pour an amplificateur, les miroirs peuvent être remplacés par des fenêtres appropriées pour permettre au faisceau lumineux nécessaire de traverser la cavité et d'être amplifié de manière classique. Bien qu'on ait fait fonctionner le circuit d'entretien sous 15 des tensions de l'ordre de 10C0 volts ou moins et que la tension de ce circuit puisse être appliqués sans interruption, on a appliqué avec succès la tension «3u circuit d5 impulsion sans aucune perte d * uniformité dans la décharge, au rythme, par exemple, de 100 impulsions à la seconde avec une largeur d'impulsion de 20 à 20 100 nanosecondes, jusqu'à un temps de montée atteignant, jusqu'à une microseconde et un temps d'affaiblissement de plusieurs microsecondes. On a obtenu un fonctionnement satisfaisant en appliquant la tension du circuit d'impulsion pas plus d'une fois toutes les deux ou trois périodes d'écoulement, c'est-à-dire 25 pendant le temps qu'il faut au gaz pour passer des anodes du circuit d'entretien aux électrodea servant de cathodes à la terre. On peut s'attendre à des temps de l'ordre indiqué ci-dessus avec d'autres gaz tels que, par exemple„C02, H0, N20, N02» S02> HCl, HBr, HI, HF, Ar, etc... 30 Aux essais on a constaté que pour le laser à N2-C02~He dont il est question ci-dessus, avec un seul condensateur de 0,003 microfarad pour le circuit d'impulsion, un effet de laser optimal se produisait pour des tensions d'impulsion (de part et d1autre d'un intervalle de 5,08 cm dans la direction X) de 15 kv pour 35 une pression de 15 et 30 torr, et à une tension d'impulsion de 20 kv pour 45 torr. En outre, la tension nécessaire pour le circuit d'impulsion dépend, du moins en partie, de la taille de l'intervalle. On a également constaté qu'en augmentant d'un facteur de 7 la capacité du circuit d'impulsion et donc en augmentant d'un 40 facteur de 7 l'énergie admise dans le circuit d'impulsion, on SAD ORIGINAL 70 33954 27 2077502 augmentait d'un "facteur de 2, seulement, l'énergie admise dans le circuit d'entretien et donc la sortie du laser. En un tel point, l'ensemble du système devient moins rentable car l'admission d'énergie dans le circuit d'impulsion tend vers l'admission d'éner-5 gie dans le circuit d'entretien. On a en outre constaté que dans la partie initiale de l'impulsion du circuit d'entretien, il existait dé forts courants dus à la forte densité électronique initiale produite par le circuit d'impulsion. A mesure que ces électrons disparaissent par recombinaison volumétrique, le courant du 10 circuit d'entretien tombe et la décharge d'entretien s'éteint. Le rayonnement laser présentait une période initiale d'environ 10 à 30 microsecondes pendant laquelle il ne se produisait pas d'effet de laser. Ensuite, un seuil semblait être franchi et le laser se mettait en route. En ce point l'histoire de la sortie 15 du laser suivait étroitement dans le temps l'histoire de l'entrée de courant. Des exemples de paramètres opératoires pour un mode de réalisation réellement mis en pratique sont donnés dans le Tableau 1 ci-dessous. 20 TABLEAU 1 Rendement de la colonne positive du laser Longueur d'onde de la sortie Couplage de sortie 25 Puissance maximale de la sortie à impulsions Fréquence de répétition Largeur d'impulsion (Circuit d'impulsion) 30 Largeur d'impulsion (Circuit d'entretien) Gaz Pression d'entrée 35 Vitesse d'entrée Taille de la cavité du laser jusqu'à 30 % 10,6 /' 4 % 50 à 1000 Watts là 100 impulsions par seconde 20 à 100 nanosecondes (jusqu'à plusieurs microsecondes) jusqu'à 6 millisecondes 16 % de CO-, 34 % de NL, d e He . . 50 % Electrodes 35 15 torr (15 à 45 torr) 0,2 Mach (0,05 à 0,6 Mach) 2,54 cm de large x 2,54 cm de haut x 30 cm de long 44 anodes de tungstène pour le circuit d'impulsion 44 anodes de tungstène pour le circuit d'entretien 44 cathodes communes en tungstène BAD 70 33954 28 2077502 Circuit d'impulsion : Source d'énergie à haute tension Résistance de charge 5 Résistances servant de conformateurs d'impulsion Condensateur d'emmagasinage d'énergie Eclateur sous pression 10 Circuit de déclenchement Circuit d'entretien Source d'énergie Résistances Conden sateur s 15 Résistance chutrice pour chaque couple d'électrodes 20 kv à 1 milliampère 50 à 500 Kohms 720 ohms 0,003 à 0,030 ytLF largeur d'intervalle 0,60 cm 1 à ÎOO impulsions par seconde 3 kv à 6 ampères 20 Kohms C = 1 j* F 500 ohms. \ BAD ORIGINAL 70 33954 29 2077502 REVENDICATIONS 1. Une méthode pour produire une décharge électrique dans un milieu de travail gazeux placé dans une cavité, caractérisée par le fait que,pour rendre ladite décharge électrique spatialement uniforme dans l'ensemble du milieu de travail dans le cas où ceci 5 n'est pratiquement pas réalisable par diffusion vers les parois de la cavité, on crée une densité sensiblement spatialement uniforme d'électrons libres dans le milieu de travail, puis on règle la température électronique des électrons libres de façon à accroître leur énergie moyenne sans accroître substantiellement 10 leur densité. 2. Une méthode selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le réglage de la température électronique comprend le maintien du niveau et de l'uniformité,tant de la densité que de la température du milieu de travail,à des valeurs qui empêchent la 15 formation d'arcs dans le milieu de travail. 3. Une méthode selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que ladite création de la densité sensiblement spatialement uniforme d'électrons libres et ledit réglage de la température électronique s'effectuent pendant que le milieu de travail gazeux 20 traverse la cavité. 4. Une méthode selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée par le fait que les électrons libres sont engendrés avec une énergie moyenne insuffisante pour entretenir une décharge électrique mais avec une densité suffisante pour entretenir une 25 décharge électrique. 5. Une méthode selon la revendication 4, caractérisée par le fait que l'énergie moyenne des électrons libres est inférieure à celle qui produirait une décharge électrique non uniforme. 6. Une méthode selon la revendication 1, dans laquelle le milieu 30 de travail gazeux a un état laser supérieur et un état laser inférieur et traverse une cavité allongée entr^ une entrée de gaz et une sortie de gaz dans une direction orthogonale à l'axe longitudinal de la cavité, caractérisée par le fait que l'on crée la densité sensiblement spatialement uniforme d'électrons libres 35 de telle sorte qu'elle soit suffisante pour entretenir une inversion de population dans le milieu de travail, et par le fait qu'on règle la température électronique des électrons libres de telle sorte qu'un effet de laser soit produit dans le milieu de travail au cours de son passage dans la cavité. !;!*] CAcJ BAD 70 33954 30 2077502 7. Une méthode selon la revendication 6, caractérisée par le fait qu'un champ électrique est créé parallèlement à la direction d'écoulement du milieu de travail en vue dudit réglage de la température électronique des électrons libres. 5 8. Une méthode selon la revendication 7, caractérisée par le fait qu'on utilise une décharge électrique pour ladite création de la densité sensiblement spatialement uniforme d'électrons libres. 9. Une méthode selon la revendication 8, caractérisée par le 10 fait que la décharge électrique utilisée pour engendrer les électrons libres est fournie séquentiellement sous forme d'impulsions, l'énergie ajoutée au milieu de travail par les impulsions étant faible en comparaison de 18énergie ajoutée au milieu de travail par le champ électrique. 15 10. Une méthode selon la revendication 9, caractérisée par le fait que chacune des impulsions est fournie pendant un temps qui est court en comparaison du temps ïiëeessaire au milieu de travail pour traverser la cavité, chaque impulsion ayant une haute tension et une faible intensité en comparaison de la tension et de 20 l'intensité du champ électrique. 11. Une méthode selon la revendication 10, caractérisée par le fait que la durée de chaque impulsion est inférieure à dix microsecondes, la vitesse d'écoulement du milieu de travail étant inférieure à la vitesse du son. 25 12. Une méthode selon la revendication 6, 7, 8, 9, 10 ou 11, caractérisée par le fait que la densité des électrons libres, la pression qui règne dans la cavité et la température d'admission du milieu de travail gazeux sont choisies de façon à donner dans le milieu de travail, près de l'entrée de gaz, un gain qui n'est 30 sensiblement proportionnel qu'à la fraction du milieu de travail qui se trouve dans l'état laser supérieur, et /ou sont choisies pour maintenir la température du milieu de travail qui sort de la cavité par la sortie de gaz, à une valeur n'excédant pas sensiblement 800° K. 35 13. Appareil permettant de mettre en oeuvre la méthode selon la revendication 6, caractérisé par des moyens d'alimentation en gaz qui produisent un écoulement du milieu de travail gazeux de l'entrée de gaz à la sortie de gaz de la cavité allongée à une vitesse et sous une pression prédéterminées, plusieurs élec-40 trodes d'impulsion alignées orthogonalement à la direction BAD ORIGINAL 70 33954 31 2077502 d'écoulement du gaz et près de l'entrée de gaz, plusieurs électrodes servant de cathodes alignées orthogonalement à la direction d'écoulement du gaz et près de la sortie de gaz, plusieurs électrodes d'entretien alignées orthogonalement à la direction 5 d'écoulement du gaz et entre les électrodes d'impulsion et les électrodes servant de cathodes qui sont respectivement alignées, un premier moyen d'excitation électrique dont la sortie est branchée entre les électrodes d'impulsion et les électrodes servant de cathodes pour produire une décharge électrique qui crée la 10 densité sensiblement spatialement uniforme d'électrons libres dans le milieu de travail, et un second moyen d'excitation électrique dont la sortie est branchée entre les électrodes d'entretien et les électrodes servant de cathodes pour produire un champ électrique qui règle la température électronique des électrons libres 15 de façon à produire l'effet de laser dans le milieu de travail. 14. Appareil selon la revendication 13, caractérisé par le fait que le premier moyen d'excitation électrique a un étage de sortie composé d'un circuit d'impulsion, tandis que le second moyen d'excitation électrique a un étage de sortie composé d'un 20 circuit d'entretien, le circuit d'impulsion produisant une tension plus forte pendant un temps plus court par rapport à la tension qui est produite par le circuit d'entretien. 15. Appareil selon la revendication 13 ou 14, caractérisé par le fait que la cavité comporte des parois terminales dotées de 25 moyens pour laisser passer un faisceau lumineux à travers la cavité parallèlement à l'axe longitudinal de la cavité et en aval des électrodes d'entretien. 1(6. Appareil selon la revendication 13 ou 14, caractérisé par le fait que la cavité comporte des parois terminales dotées de 30 moyens servant de miroirs et délimitant un résonateur optique parallèle à l'axe longitudinal de la cavité. 1 BAD ORIGINAL