CA1203878A - Generateur laser a flux gazeux tourbillonnant - Google Patents

Abstract

Générateur laser à flux gazeux tourbillonnant. Une décharge électrique luminescente est créee dans un flux tourbillonnaire d'azote de manière à réaliser une excitation vibrationnelle de ce gaz. Cette excitation est ensuite transmise de manière classique, par exemple, à du gaz carbonique qui donne lieu à l'émission stimulée.

Description

i2~3~37~3 ~e préscn l perfec tionnement concerne un gén~ra-teur laser à flux ga~;eux.
On connalt par cxemple par une publication de ~1. I.avarini, Bettini, Crancon, Michon "Laser à excitation électrique et détente-adiabaticiue" (Comptes re~dus a l'Académie des Sciences de Paris t. 272 p 335-338, I Fevrier 1971), des générateurs lasers dans lesquels on produit une décharge electriquc dans un prem;er gaz ~dc. l'azote) animé
d'une tres gran(le vitesse et on melan"e ce premier gaz `a un deuxieme ~,az (du gaæ carbonique) dans une cllambre cl'expansion dans lacluelle est disposee une cavité optiquc resonnante. La dechar~e électrique a pour e~fet de ournir ,1 l'azote une éner,~ie d'excitation qui ~st transferee au gaz carbonique par intéraction moléculaire lors du melange. Le deplacement rapide du melange dans la chambre d'expansion lui fait attei.ndre la cavité optique avant la desexcitation du r~az carbonique, ce qui. permet ~1 ce dernier une emiss;.cn cle l~m~iere stimulee au sein de la cavite opti.que, c'est-a-dire une émiss;oll laser.
Les molecules cl'azotc poss2clent trois mocles d'exci.tat:ion possibles : thcrmique, rotationnelle et vibrationnelle. Les temps de relaxation des deux premiers modes sont tres inférieurs au temps de rela~ation du dernicr. Lorsque les mo]ecules d'azote et l.es molécules de ~az carbonique se melangent dnns la cllambre d'expansion, c'est l'énergie vibrationnelle de l'aYote qui. subsiste seule et qui produit au sein du ~az carbonique9 l'inversion de population, qui donne naissance a une impulsion laser de forte puissance.
De tels clispositiEs présentcnt cependant un certain nombre d'inconvenients.
En particulier, la structùre ainsi que la disposition mutuelle des organes constituant de tels génerateurs ne permet pas d'obtenir des ~038~ !3 décharge9 électriques p~lssanteS et homogènes dans l'azote, d'où il résulte une limitation de la puissance a;nsi que du rendement de l'emission laser.
La présente invention permet de remedier à de tels inconvenients et elle a pour objet un generateur laser à flux gazeux permettant de realiser des decharges electriques particulièrement puissantes et homogènes, et d'~btenir de ce fait des emissions lasers de forte puissance, un tel générateur présentant par ailleurs une tr~s grande simplicite de structure associee a un coat de realisation modique.
Plus part-r~ rement, l'invention ~n~rn~ un generate~r .
laser a flux gazeux e - une enceinte allongee munie d'orifices de transfert à une première extremite - des moyens d'alimentation de ~adite enceinte en au moins un jet d'un premier gaz susceptible d'être excite par une decharge electrique, ces moyens d'alimentation comportant une tuyère d'injection débouchant dans l'enceinte au voisinage de sa deuxième extremite;
- des electrodes disposées dans ladite enceinte et connectees à une source élec~rique pour creer une décharge électrique dans ledit premier gaz;
_ une chambre d'expansion allongée dans laquelle debouche ladite enceinte à travers lesdits orifices de transfert, la section de ladite chanbre d'expansion etant progressivement croissante à partir de sa première extremite adjacente à ladite enceinte jusqu'à sa deuxième extremite9 - des moyens d'évacuation pour maintenir à basse pression ladite deuxième extremite de la chambre d'expansion et faire circuler ledit premier gaz de ladite tuyère d'injection jusqu'à ladite deuxième extrémite de la chambre d'expansion à travers lesdits orifices de transfert, - des yens d'alimentation de ladite chambre d'expansion en au moins un deuxième gaz, susceptible d'être excite par interaction moleculaire ~.

1~(1 3~

avec ledit premier gaz dans son état e~cité, ces moyens d'alimentation étant situés au voisinage de ladite encein-te de maniere à créer un mélange desdits premier et deuxième gaz;
- une cavite optique résonnante apte a créer une émission laser en présence dudit deuxieme gaz dans son état excité, cette cavité étant disposée dans ladite chambre d'expansion de manie~e a êtr~ parcourue par ledit melange de gaz;
- caracterise en outre par le fait que ladite enceinte est un cylindre a section circulaire dont la longueur est comprise entre cing et sept fois son diam~tre, les dimen-sions de ladite enceinte, le diametre et la position de ladite tuyère d'injection et la vitesse d'injection dudit premier gaz ainsi que les dimensions desdits oriices de transfext étant choisis de sorte a creer un écoulement tourbillonnaire dudit premier gaz dans l'ensemble du volume de cette enceinte.
D'autres caracteristiques et avantages de l'inven-tion ressortent de la description qui suit donnee a titre d'exemple purement illustratif mais nullement limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels:
- les figures 1 et 3 représentent schématiquement en coupe un premier et un deuxieme mode de realisation d'un generateur selon l'invention, ~ la figure 2 repxesente en perspective un injec-teur utilis~ dans le générateur selon l'invention, - les figures 4 et 5 representent schematiquement un troisième mode de real`isation du generateur selon l'invention en coupe par un plan horizontal et par un plan vertical, respectivement. ~es elements se correspondant sur diverses igures y sont designes par les memes nombres de reference.
Selon la figure 1, un generateur laser a flux gazeux comporte une enceinte cylindrique 1 de diamètre ~ 1 dans laquelle debouche une ~uyère d'injection 2 :~03~37E3 constituant une anode et connectée à un générateur de tension G par l'intermédiaire d'une résistance R. Cette tuyère 2 comporte un conduit axial 3 relié à une source d'azote sous pression SN représentée schematiquement.
Sa face avant comporte un orifice d'injection 4, diver-gent vers l'intérieur de l'enceinte 1. A l'autre extremit2 de l'encei~te 1 et a /

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Dan~ ~na d~ch~ lun~n~c~nte 1~ ~ee~a de3 ~le~ n~
~el~ c~e l~ ct~lc~n~3 po~ st ~ta}l~ que le~ ~.~e~ a ¢ît~ qt~t~
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m~ pll~ a~e~ ctr~qu~ s ~onnfl de ~:tla~n~æ~ ~ r~ndem~n~
dn cng3 ~j~R~r~ tc~6 d~m~n~a ~lor~t ~ 1E " f~ cotlX2t~nt ~u~llo~n~t~o~ ~a c~h~ 3~ yp~ ~t~L
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Pou~ c~ p ~lfln~ as d~3 g~u~ t ~ 2 J c~es~on~dir~
~la~ 7"~ ~y~ d~ e~ d~ e~ n~ d~ p u~ di~E~ o~r ~ r~pp~ lon~u~
il B~Tl dl~t~ p~ r~a S ~ ~f6il~ e~
h~ ,ua l~ t~ ~ ~ i5e~u~ k p~ 5S~9~ e.to~ a 5~E¢~:ld 5'~3 t~l15~ tZ '}~ 53f;'~

1~o coQ~icla~ de por~a~ dQ 30rtie~ o~ dîr~ IQ
rnppo~t tle la ~ur~a~. dc ~ort~ laissi~e lil~re ent~e 1~8 ~n~ect~ur~ ~5, A la ~urÇ~ce de In ~ectlon da l'on~e:int~:, es~ n~nE~eus~ t comprls ont~e S~ ek 50~ .
s% c~
à noter A C3 ~uJet que la pres~lon d~ ltencelat~ I
e~t voi3ine QU sup~r~eure a~ dou~?.e de la p~es~ da~s 1~ c~lani~l!e d~exp;3nsio~ 6, de t~l~e ~orte ~ue llécoul~nt de ~ ote antr~
~n3aet~ur~ 5 nttaint la vite~e du ~o~.
ID Q3lan~ ~ t~ pres~i~n P de l~.o~ dan~ l~et~c~inte 1 la pr~sent~
inv~ntl~n ~t ~turtoue lnt~ssP~an~ lle est ~up~;r~eur~ ?i t)~l barO
p~ut at~olndre plu~iou~ bar~ Ban~ appar~tion ~arc ~l~Ct~ q7.t2 L~ v5~3se d~injecl:inn V ~le lt~q~oee pnr la ~uy~re 2 e~t ~u~8riaur~ ~ 100 S
t L~ d~ de cnur~nt 3 d~t ltsnc~1n~ c~2~ ire 1~
r~pport dr l~in~ns~t~ i~ la ~tu~ac~ de ln section de l'l~ncein~e doit ~tra $~t~ nen~ on ~T%Ut ~ er la plt~ nce du ~ .r~t~ur~, ~ 5 d~n~t~g de ~Qur~t ~ ~c~ ont ~it~:. obt~n~te~ xvant la p~t2nte .l~nti~n dan~ de~ nn(~e~nt~ d~ faible ta~tiQn~ tabl~ it ~t~or8 un~ d~ch~r~e ~lcctr~quQ ~tIr-r~ n~ cluhait~ au~ nt~r la pul~sanee du ~nfirat~ur ell r~ t~ 1A s~cton do l~enc~nt~t d~ ~rCt ~Iaet~iqUC& e~ FOr~e d 11~nt~ appnra~ t2t. L~ pr~ue~t~ nvent~
P~r~A~t~ 1D~UC 1A de~ i d~ cot~ran~ i~t~ ~orte9 d~~u~ nt~r la ~ec~os~
d~ nc~n~ 9~ ~D a a n~r~ qu~ 3~t~ mit~ ~e ~s~t6~ d~ ze~
F~ ea j~ule~: p~r ~a~.
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Xl p~3U~ y nvoir in~r8t ~ ~nîculer 1~ r~lppo~t l5~JP~ ~nt:r~ 1 ch~mp ~ï~sctr~ni~ue 1' dan~ llt~nc~in~ le norbbre ~T ~e ~ eule~
d7~tæ par c~nti~ r~ cube;, car e~: r~pport e3t 11~ à la v~3~e iav~!n~le dlun &le~ron heu~ant ~n~ cul~ d5~xo~eO
On a ~l~rs d~ pr~ fir~r~ce ~
1~ 17~ c~ ;J~ n-t4V~2 ~ ons~r ~ pr~ les valeur~ de~ para~itr~ pr~&ide~ent d~ ai~ d~n3 d~3u X~ 9 de m~s~ en o~uvre d~ l~in~nt 9 cc~rre~-pon~ au m~d~3 a~ ~al1~a~ion dQ la figu~Q 1.

PJ~A~ql~R UNl~Bler 1~1PI.E~a~ EXl~L~
L r.~ll 3()0 300 5~ ~
Q ~n Kgalt~2 3~5 17~5 K ~ lCI l5 P ~lli~r ~1)0 500 320 ~0 0 ~
JJ~ 69~ t ~,no ~ ~ 0.

Claims (3)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Générateur laser à flux gazeux comportant:
- une enceinte allongée munie d'orifices de transfert à une première extrémité;
- des moyens d'alimentation de ladite enceinte en au moins un jet d'un premier gaz susceptible d'étre excité par une décharge électrique, ces moyens d'alimentation comportant une tuyère d'injection débouchant dans l'enceinte au voisinage de sa deuxième extrémité;
- des électrodes disposées dans ladite enceinte et con-nectées à une source électrique pour créer une décharge électrique dans ledit premier gaz;
- une chambre d'expansion allongée dans laquelle débou-che ladite enceinte à travers lesdits orifices de transfert, la section de ladite chambre d'expansion étant progressivement crois-sante à partir de sa première extrémité adjacente à ladite encein-te jusqu'à sa deuxième extrémité;
- des moyens d'évacuation pour maintenir à basse pres-sion ladite deuxième extrémité de la chambre d'expansion et faire circuler ledit premier gaz de ladite tuyère d'injection jusqu'à
ladite deuxième extrémité de la chambre d'expansion à travers les-dits orifices de transfert;
- des moyens d'alimentation de ladite chambre d'expan-sion en au moins un deuxième gaz, susceptible d'être excité par interaction moléculaire avec ledit premier gaz dans son état exci-té, ces moyens d'alimentation étant situé au voisinage de ladite enceinte de manière à créer un mélange desdits premier et deuxième gaz;
- une cavité optique résonnante apte à créer une émission laser en présence dudit deuxième gaz dans son état excité, cette cavité étant disposée dans ladite chambre d'expansion de manière à être parcourue par ledit mélange de gaz:
- caractérisé en outre par le fait que ladite enceinte est un cylindre à section circulaire dont la longueur est comprise entre cinq et sept fois son diamètre, les dimensions de ladite enceinte, le diamètre et la position de ladite tuyère d'injection et la vitesse d'injection dudit premier gaz ainsi que les dimensions desdits orifices de transfert étant choisis de sorte à créer un écoulement tourbillonnaire dudit premier gaz dans l'ensemble du volume de cette enceinte.

2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en outre par le fait que ladite tuyère d'injection est disposée selon l'axe de ce cylindre, de manière à ce que, au voisinage dudit axe ledit écoulement tourbillonnaire aille de la deuxième vers la pre-mière extrémité de l'enceinte, et au voisinage des parois latérales de l'enceinte, cet écoulement aille de la première vers la deuxiéme-me extrémité.

3. Générateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite source électrique et lesdites électrodes sont agencées de manière à créer une décharge luminescente dans ledit premier gaz.