<Desc/Clms Page number 1>
Laser à gaz.
<Desc/Clms Page number 2>
-la présente invention concerne la production d'énergie électromagnétique cohérente et, en particulier, un nouveau mode d'excitation d'un laser.
Selon la présente invention, il est possible de faire fonctionner un laser à gaz à la pression atmosphérique et de supprimer les fenêtres et les pompes à vide.
La présente invention concerne également de nouveaux procédés d'utilisation d'un laser de manière à obtenir une émission de puissance et un rendement inconnus antérieurement.
La présente invention a pour objet un système permettant d'obtenir l'effet laser dans un gaz en excitant directement le gaz pour l'émission laser (ou gaz laser) par des collisions avec des électrons dont l'énergie cinétique est à peu près égale à l'énergie de l'état excité désiré ; le nouveau laser à gaz fonctionne sous - - des pressions relativement élevées telles que la pression atmos- phérique afin d'augmenter la puissance émise par unité de volume avec des ensembles simplifiés et relativement peu coûteux ; l'effet laser est obtenu dans un laser moléculaire à CO2 en uti- lisant une décharge en arc pour exciter directement l'anhydride carbonique et afin d'augmenter sensiblement la puissance et le taux d'excitation ;
la décharge s'effectue avantageusement en arcs multiples comportant plusieurs arcs équilibrés. Un tel sys- tème d'équilibrage des arcs peut être réalisé en incorporant un certain nombre d'électrodes dans le laser comme expliqué ci-après et en appliquant des impulsions à ces électrodes par des générateurs d'impulsions distincts commandés par un générateur d'impulsions de synchronisation ou en appliquant des impulsions aux électrodes avec un seul générateur d'impulsions de grande puissance.
L'appareil selon l'invention comprend de préférence des impédances appropriées telles que des résistances, des inductances ou desinductances montées sur un noyau commun, pour réaliser l'équili- brage des arcs ; il est possible de réaliser ainsi un laser de volume important, excité par un système d'excitation par arcs; les électrodes réalisant l'excitation par arcs étant constituées par une électrode centrale allongée et plusieurs électrodes extérieures disposées autour de l'électrode centrale ;
l'anhydride carbonique peut être mélangé avec une certaine proportion d'hélium pour
<Desc/Clms Page number 3>
abaisser la tension d'amorçage des arcs et réaliser une source abor.dante d'électrons permettant d'utiliser des impédances d'élec- trodes plus faibles tout en maintenant des décharges -uniformes.
De plas, comme dans les lasers antérieurs à basse pression, l'hélium facilite l'abaissement des températures de rotation de CO2 et la dépopulation préférentielle du niveau inférieur du laser. Une autre caractéristique de la présente invention est l'introduction, dans le mélange gazeux, d'azote qui agit comme un réservoir pour les niveaux supérieurs d'énergie de CO2 et augmente la durée de vie effective de ces niveaux d'énergie.
On a mis au point de nombreux dispositifs d'émission d'éner- gie rayonnante, cohérente. Lorsqu'ils sont utilisés pour la production ou l'amplification de l'énergie hyperfréquence, ces dis-
EMI3.1
......"C'-';"',f.,';'oP.........---4-- ±.( .:2----.(", aaa"ûvarvâ.
a, E.'e----^ "amplification des micro-ondes par émission stimulée de rayonnement") et quand on les utilise pour la génération ou 1 amplification d'énergie rayonnante dans la région du visible ou de l'infrarouge, ils ont été dénommés lasers ( ou parfois pour l'infrarouge , "irasers"). La présente invention concerne des appareils dénommés lasers à gaz et comprend des appareils utilisés pour engendrer ou amplifier un rayonnement cohérent, qu'il soit ou non dans les régions infra-rouges du spectre.
Les molécules du gaz utilisé dans un laser à gaz peuvent avoir plusieurs niveaux d'énergie. Pour que l'effet laser se mani- feste, il doit se produire une inversion de populations entre un niveau d'énergie excité métastable et un niveau inférieur, et le niveau métastable doit être couplé par rayonnement au niveau d'énergie inférieur. Les procédés de réalisation d'une inversion de polupations sont dénommés "pompage". L'émission d'un photon de rayonnement par les particules revenant à leur niveau inférieur à partir du niveau métastable est stimulée par des photons incidents et ce rayonnement est cohérent, en fonction des photons incidents.
Conformément aux techniques connues, des molécules du gaz laser peuvent être pompées ou élevées au niveau métastable désiré par divers procédés, par exemple une décharge dans la colonne positive ou plasma, par pompage thermique, par pompage lumineux et par excitation haute fréquence. Le laser à ions d'azote est une
<Desc/Clms Page number 4>
forme particulière de laser à pompage thermique dans lequel on utilise une décharge électrique transversale pour chauffer l'azote jusqu'à ce qu'il soit ionisé et fortement excité.
Cette condition conduit à une inversion-de populations à vie courte après l'arrêt de l'excitation, à cause des différentes vitesses de dépopulation des niveaux d'énergie et donne naissance à une impulsion de sortie d'une durée de @0 à 20 nanosecondes. Une autre technique indiquée pour le pompage d'un laser à gaz consiste à ioniser un vremier gaz, tel que l'hélium, par exemple dans une enceinte à arcs à température élevée et à introduire ainsi ce premier gaz dans une enceinte d'émission laser en même temps que le gaz laser, par exemple du néon, où une conversion d'énergie se produit par transfert par résonance entre le premier gaz et le gaz laser pour amener par pompage le gaz laser au niveau métastable désiré.
Pour l'étude ci-après, on décrit des lasers à gaz utilisant .l'anhydride carbonique comme gaz laser, bien qu'il soit évident qu'on puisse remplacer C02 par d'autres gaz laser.
Pour le laser à CO2' comme pour beaucoup d'autres, le procédé le plus courant de pompage comporte une décharge dans une colonne positive au cours de laquelle une charge électrosta- tique est créée l'intérieur d'un tube isolant dans lequel on a fait le vide, ladite charge tendant à confiner une colonne de plasma à basse pression et à la maintenir suivant l'axe du tube cylindrique. Lorsque cet appareil s'écarte le la forme cylindrique, on observe une instabilité du plasma. De plus, le laser à CO2 gazeux du type à colonne positive de décharge nécessite l'introduc- tion d'une quantité importante d'un gaz intermédiaire tel que l'azote dans le mélange gazeux.
L'azote réagit par collision avec les électrons à grande vitesse dans le plasma et transmet ensuite son énergie aux molécules de C02 , pompant ainsi le CO2'
De plus , les lasers à gaz à colonne positive fonction-nent sous des pressions nettement inférieures à un bar, par exemple de 1/100 de bar. Dans certains cas, en particulier avec CO2' la décomposition du gaz résultant de l'existence de la colonne positive de décharge exige un remplacement contins du gaz pour maintenir un fonctionnement efficace du laser. Des ensembles @
<Desc/Clms Page number 5>
de pompes à vide sont par conséquent incorporés pour évacuez* le.-3 gaz provenant du laser pendant son fonctionnement.
Le remplm- cement de C02 exige une pompe à vide importante pour évacuer-lem gaz présents dans le laser lorsque l'appareillage fonctionne,, Avec les lasers à C02 gazeux connus de 1 mètre de lomgour, on a pu atteindre des puissances moyennes d'environ 100 w. La. puissance émise est proportionnelle à une puissance inférieure à 1 de la longueur du tube et ne dépend pas du diamètre de celxl-ci, la puissance émise par unité de longueur diminuant,par conséquement, légèrement lorsque la longueur du tube augmente. Dans le fonctiomme- ment en impulsions, des lasers à C02 gazeux eonnus ont pu émet des puissances de crête comprises entre 2 et 500 W par mètre, voir par exemple Physics Letters Vol. 20 N 4, p. 384, der Mars 1966.
Dans le mode de fonctionnement avec commutateur - Q (commutateur de travail) qui est une technique connue des spécialistes du laser, voir par exemple IEEE Journal of Quantum Electronics Vol. QB2 N 11 p. 737 Nov. 1966; on a signalé des puissances de crête d'en- viron 50 kW par mètre.
En ce qui concerne le rendement des lasers à gaz connu% on a indiqué des chiffres atteignant 20 %. Cependant, ces valeurs du rendement ont été déterminées en se basant uniquement sur l'énergie électrique consommée par la décharge dans le plasma, comparée à l'énergie émise par le laser. On peut obtenir des valez= du rendement plus significatives en considérant l'énergie totale fournie au. laser à gaz comparée à l'énergie émise par le laser.
Avec un laser représentatif à gaz à décharge dans le plasma ématiamt 500 W en régime continu, de type connu, le plasma consomme environ 3000 W d'énergie électrique. De plus, la stabilisation consomme environ 1000 W et '.' ensemble de pompes à vide consomme jusqu'à 4 kW. Par conséquent, le rendement global d'un tel laser à gaz connu, si l'en compte toute l'énergie fournie au système, est de l'ordre de 6 à 7 %.
Les structures de deux lasers à gaz connus sont décrit... par exemple, dans les brevets des Etats-nis d'Amérique N 3.302.127 n 3.172.057. De plus, la structure du laser à colonne positive de décharge est décrite par exemple dans le compte rendu de recherche "Lasers à gaz de grande puissance" de P. Harrigan, n AD 637.023
<Desc/Clms Page number 6>
existant à la Clearing House for Fédéral Scientific and Technical
Information of the United Statea Government et dans le compte- rendu de recherche sur le même sujet de R. Whitehouse, n AD 637.031, qu'on peut obtenir de la même source.
Tous les lasers à gaz connus sont des enceintes fermées nécessitant des joints à vide et des fenêtres à vide coûteuses et comportent des pompes à vide pour obtenir des débits élevés de gaz dans un récipient à basse pression et par conséquent sont très importants pour l'émission de puissances modérées. Les dimensions et le poids de ces lasers à gaz sont très grands comparés à leur puissance à l'émission. Un laser à CO2 gazeux connu, représentatif, émettant une puissance continue de l'ordre de 500 W aurait une longueur totale d'environ
7,5 m et pèserait au moins une tonne.
Dans les sytémes de lasers à gaz décrits ci-dessus, le gaz laser est pompé par transfert d'énergie par résonance à partir des molécules excitées d'un premier gaz ou gaz de travail qui est excité par des collisions avec des électrons d'énergie relativement élevée dans une colonne positive de décharge. Par contre, dans la présente invention, le gaz laser est pompé par collision de ces molécules avec des électrons ayant une énergie cinétique moyenne sensiblement égale à un niveau d'énergie supérieur prédéterminé du gaz laser pour créer une inversion de populations.
Un gaz laser à préférer pour l'emploi avec le procédé de la présente invention est l'anhydride carbonique qui, selon une autre forme de réalisation préférée de l'invention, peut être excité par un ensemble d'arcs électriques transversaux jaillissant dans un mélange d'anhydride carbonique et d'hélium pour réaliser le pompage direct de l'anhydride carbonique par des électrons ayant une énergie cinétique moyenne comprise entre 0,2 et 1,0 eF.
Un procédé préféré de création d'une très forte concentration d'électrons d'énergie assez faible est le jaillissement d'un arc. une telle décharge est totalement exempte d'effet limite et, par conséquent, on peut utiliser un récipient de forme quelconque.
Lorsqu'on doit pomper un grand nombre de molécules, un grand nombre d'arcs indépendants sont nécessaires. On peut faire jaillir simultanément une série d'arcs entre plusieurs électrodes et une seule électrode allongée de polarité opposée et le courant des
<Desc/Clms Page number 7>
arcs est maintenu à une valeur créant un flux d'électrons qui a une énergie cinétique moyenne sensiblement égale au niveau d'énergie supérieur prédéterminé du gaz laser. Cette décharge en arc dans le gaz laser peut être facilitée en le mélangeant avec une certaine quantité d'un gaz facilement ionisable comme par exemple l'hélium.
La puissance émise par un laser à gaz selon la présente invention dépend du nombre de molécules de gaz laser qui peuvent être pompées. Plus le nombre de molécules de gaz pouvant être pompées dans un volume donné du tube du laser est grand, plus la puissance émise par ce volume-est importante. En augmentait la pression du gaz, le nombre de molécules de gaz par unité de volume augmente proportionnellement. De plus, le nombre de photons qui peuvent être émis par molécule et par unité de temps dépend de la vitesse de dépopulation ou de la durée de vie du niveau d'énergie inférieur. Par conséquent, plus la pression est élevée, plus cette durée de vie est courte et plus le nombre de photons qui peuvent être émis par molécule et par unité de temps est élevé.
Par conséquent, la puissance émise pour une seule impulsion brève doit augmenter proportionnellement à la pression et la puissance moyenne émise par le laser en impulsions ou en régime continu augmente comme le carré de la pression. Pour obtenir ce résultat, le gaz laser doit être pompé avec un débit aussi élevé que possible en utilisant des techniques connues. Le procédé de pompage doit également pouvoir être utilisé aux pressions élevées. Ces conditions sont satisfaites par le procédé de pompage par décharge en arc selon l'invention. En conformité avec la présente invention, et en opposition totale avec tous les tubes de laser à gaz de la technique antérieure, on a démontré que les lasers de la présente invention peuvent fonctionner à des pressions égales ou même supérieures à la pression atmosphérique.
Le procédé d'excitation par arc étant indépendant des effets dus aux parois du récipient dans lequel les électrodes sent logées , la liberté dansle choix de la forme du récipient est complète, ce qui permet ainsi d'optimaliser la forme du récipient et d'offrir une complète liberté ds choix des matières utilisables pour la construction du récipient et de ses procédés d'assemblage .
Ce récipient
<Desc/Clms Page number 8>
n'a pas à être fermé si la pression est supérieure ou égale à une atmosphère. Un procédé de réalisation d'une excitation uniforme en volume consiste à faire jaillir un arc entre une électrode centrale allongée et un certain nombre d'électrodes périphériques et à incorporer des dispositifs d'équilibrage des arcs pour être certain que tous les arcs consomment chacun le même courant.
Des dispositifs de régulation du courant sont également nécessaires pour réguler l'intensité du courant alimentant chaque arc, si bien qu'on peut faire agir un flux optimal d'électrons ayant l'énergie correspondant aux collisions par résonance sur les molécules@de gaz laser.
Selon une autre caractéristique de l'invention on peut ajouter une quantité mineure d'un gaz tel que L'azote au-mélanged'un gaz facilement ionisable et d'un gaz laser , gaz qui sérvira de réservoir d'énergie si bien qu'une énergie supplémentaire provenant de l'are peut être transférée au gaz laser.
Le procédé dénommé commutation - Q peut également être utilisé pour réaliser des lasers géants à impulsions.
Certains des nombreux avantages de la présente invention sont évidents. Le laser fonctionne à, ou au voisinage de, la pression atmosphérique si bien qu'aucun joint à vide n'est nécessaire.
Du fait qu'on n'a pas à réaliser une structure tenant le vide, la pompe à vide et les canalisations associées peuvent également être supprimées.
<Desc/Clms Page number 9>
De plus, il n'est plus nécessaire, pour des puissances élevées, de réaliser des fenêtres à travers lesquelles l'énergie du laser peut être extraite de son tube, puisque les gaz prove- nant de 1'intérieur du laser peuvent s'échapper sous la pression atmosphérique. Ceci supprime la restriction la plus grave s'oppo- sant à l'émission de grandes puissances par un laser à gaz. Il van également de soi que le mode de construction du laser devient trèse simple et comporte une certaine latitude. En principe, tout cet qui est nécessaire est un ensemble d'électrodes pour faire jaillir plusieurs arcs régulés, et un résonateur optique pour concentrer l'énergie du laser dans le volume actif du gaz.
En principe, aucun récipient de confinement n'est nécessaire, à condition que l'ensemble des électrodes soit maintenu dans une enveloppe constituée parun mélange de gaz laser. Antérieurement, il fallait souvent utiliser un type quelconque de récipient de confinement. Pour les applications où une grande puissance n'est pas nécessaire, la présente invention présente les avantages d'un encombrement, d'un prix et d'une complication réduits par rapport aux systèmes antérieurs.
Les dessins ci-annexés représentent les principes et une forme de réalisation de la présente invention dans laquelle : la figure 1 est une coupe suivant l'axe longitudinal d'um laser selon l'invention ; la figure 2 eet une représentation schématique d'une forma d'ensemble émetteur d'impulsions ; la figure 3 est une représentation schématique d'une secommde forme d'ensemble émetteur d'impulsions ; la figure 4 est une représentation schématique d'une troisième forme d'ensemble émetteur d'impulsions ; la figure 5 est une coupe longitudinale d'une forme de réelisation de laser selon l'invention ; la figure 6 est une vue en élévation du miroir perforé de l'appareil de la figure 5 ;
la figure 7 est une coupe suivant la ligne 7-7 de la figure 5, et la figure 8 est une vue en élévation du miroir courbe de la figure 5.
<Desc/Clms Page number 10>
La figure 1 représente un laser construit selon la présente invention et comportant une enceinte d'émission laser 10, un géné- rateur d'impulsions haute tension 11 et un orifice 12 d'entrée des gaz. L'enceinte d'émission laser comprend une électrode allongée
13 reliée à une borne du générateur d'impulsions haute tension 11' et une série d'électrodes 14 espacées dans le sens de la longueur de l'enceinte 10. Les électrodes 14 sont reliées à l'autre borne du générateur d'impulsions haute tension 11 par la barre omnibus 15 et les résistances 16. Un gaz laser, tel que l'anhydride carbonique, arrive par l'orifice d'entrée 12 dans l'enceinte d'émission laser
10, laquelle comprend un miroir 19 dans lequel sont ménagées des ouvertures 20.
La paroi arrière 21 de l'enceinte d'émission--laser a la forme d'un miroir courbe pour des raisons bien connues des spécialistes du laser, formant ainsi un résonatelir optique avec le miroir 19.
Le fonctionnement de l'appareil représenté sur la figure 1 est le suivant. Un gaz arrivant par l'orifice 12 pénètre dans l'enceinte 10 d'émission laser à une pression voisine d'un bar. Une certaine quantité des gaz introduits dans la chambre 10 peut s'échapper par les ouvertures 20 ; cependant, ce gaz étant à la pression atmosphérique, la quantité de gaz s'échappant par l'ouverture 20 sera faible. Lorsque l'enceinte 10 est remplie de gaz, des impulsions provenant du générateur d'impulsions 11 sont appliquées à l'ensemble comprenant l'électrode 13 et les électrodes 14. En même temps, des décharges en arc sont provoquées entre chacune des électrodes 14 et l'électrode 13, ces décharges étant régulées par les résistances 16 en série avec chacune des électrodes 14.
Les décharges en arc excitent ou pompent le gaz laser dans la chambre d'émission laser 10, en émettant un rayonnement de lumière cohérente qui est renforcé par le résonateur optique et est émis à travers les ouvertures 20 sous forme d'un faisceau cohérent de rayonnement électromagnétique.
La structure relativement simple représentée sur la figure 1 a été réalisée en utilisant des matériaux et outils d'atelier facilement disponibles, sans disposition particulière pour obturer les joints entre le miroir 21 et les parois de la chambre. Le gaz laser employé est de l'anhydride carbonique mélangé à des proportions dé-
<Desc/Clms Page number 11>
terminées d'hélium et d'azote. Le générateur 11 d'impulsions haute tension est constitué par un condensateur et un éclateur, ce condensateur étant chargé par une source de haute tension continue.
Cet équipement expérimental de 76 cm de longueur émet des impulsions laser d'une durée de 0,5 microseconde avec des puissances dépassant 100 kW. Le rendement global de l'appareil expérimental est supérieur à 1 %.
L'appareil de la figure 1 peut être utilisé pour engendrer un rayonnement cohérent continu, en remplaçant le générateur d'impulsions 11 par une source de haute tension continue et en évacuant la chaleur engendrée dans les résistances 16 et dans le mélange de gaz.
EMI11.1
La- figure- 2 représente schérrra-tiqa.09m.l;hl.t-J:a-t"'lLclîure d'un ----- ser comportant une électrode longitudinale 22 et plusieurs électrodes ponctuelles 23 alimentées par des générateurs d'impulsions individuels 24. Les générateurs d'impulsions 24 sont tous commandés par un générateur d'impulsions de synchronisation 25 pour que toutes les décharges en arc se produisent simultanément. Il est possible, grâce à cette technique, d'éviter les pertes lors de la formation d'arcs au prix d'une complication accrue.
En variante, comme l'indique la figure 3, un seul générateur d'impulsions 26 haute tension sert à commander plusieurs électrodes avec une impédance appropriée en série.avec chaque circuit d'arc, de manière à limiter le courant de chaque arc. Ces impédances peuvent être des résistances (figure 1) ou des inductances, auquel cas les pertes par dissipation de chaleur dans le circuit sont réduites.
Dans la forme de réalisation de la figure 4, on utilise des inductances pour régler l'intensité du courant dans chacun de ces arcs et ces inductances sont montées sur un noyau commun 30 et commandées par un seul générateur d'impulsions 31 de grande puissance. te couplage' mutuel des inductances améliore l'uniformité de la décharge-sans augmenter-de façon appréciable les pertes par dissipa- :ion.
Pour réaliser une forte excitation par unité de volume, on )eut utiliser l'appareil représenté sur la figure, 5, qui fonctionne le la même manière que l'appareil de la figure 1 et est constitué
<Desc/Clms Page number 12>
par un ensemble cylindrique 10 comportant une électrode axiale creuse 13 constituée par un tube métallique perforé qui agit également comme entrée de gaz, avec plusieurs électrodes péri- phériques 14 placées autour de la surface extérieure de l'encein- te cylindrique 10 du laser. Un miroir courbe 21 est placé une extrémité du laser et un miroir plan 19 comportant une ouverture cylindrique 20 est monté à l'autre extrémité de l'enceinte 10 du laser pour former le résonateur optique.
Des vis de réglage 50 relient les miroirs d'extrémité 19 et 21 à l'enceinte cylindrique 10 pour pouvoir régler avec précision les miroirs 19 et 21, de manière à faire fonctionner correctement le laser.
La figure 6 représente le miroir plan 19 avec l'encoche 20 ménagée dans celui-ci. La surface intérieure du miroir 19 est réfléchissante à la fréquence de fonctionnement du laser, à l'excep- tion des fentes de couplage 20 qui constituent la sortie dudit laser. Les ouvertures de couplage 20 ménagées dans le miroir plan 19 peuvent avoir une autre forme que celle représentée.
La figure 7 représente l'enceinte 10 d'émission laser avec l'électrode axiale 13 et les électrodes périphériques 14 placées le long de la surface latérale de l'enceinte circulaire 10.
La figure 8 représente le miroir courbe 21 annulaire, destiné à concentrer l'énergie du faisceau laser dans un cylindre.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux exem- ples décrits et représentés, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans qu'on corte pour cela de son cadre.