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Nager optique
La présente invention concerne des perfectionnements aux masers optiques, communément appelés lasers Plus spéciale- ment, :L'invention concerne des perfectionnements aux lasers re- cevant leur énergie de pompage d'une source optique pouvant être modulée à haute fréquence.
On sait qu'un maser utilise un milieu actif, gazeux liquide ou solide, dans lequel une "action de pompage" au moins Intermittente peut établi:' une répartition de population non équilibrée dans au moins une paire d'états d'énergie espacés de
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son électrons, Ce "pompage" est aussi appelé "préparation d'état".
@ Dans cet état de non-équilibre, on dit du milieu qu'il a une température négative. Comme le système tend toujours à revenir à son état d'équilibre par un processus luttant contre l'action de pompage et appelé relaxation, l'état de température négative représente une accumulation d'énergie potentielle.
Il .'ensuit qu'il est nécessaire de disposer de l'un ou l'autre moyen pour fournir de l'énergie a un tel système pour faire passer les électrons, par excitation, de leur état d'équilibre à leur état de non-équilibre.
Dans un tel système, l'énergie potentielle accumu- lée est révélé. par la température négative de la matière active et, lorsque cette énergie est libérée, elle l'est sous la forme d'une énergie ondulatoire à une ou des fréquences déterminées*
Les fréquences sont déterminées par les états de températures ni* gatives qui satisfont à la loi de Planck relativement à toute paire de niveaux d'énergie en non-équilibre représentée par l'équation
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où E2 et E1 représentent respectivement les niveaux d'énergie supérieur et inférieur, tandis que h est la constante de Planck, Si on applique, au milieu actif se trouvant à une température négative,
une fréquence satisfaisant l'équation (1) le Signal appliqué stimule l'émission de radiations à la fréquence de signal et l'énergie rayonnée est en phase avec le signal appliqué et amplifie celui-ci.
Il peut t'agir d'un processus ininterrompu si de l'énergie est appliquée sans interruption au milieu sous la forme d'énergie de pompage de manière à exciter continuellement, tous
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forme cyclique des électrons du milieu actif de façon qu'ils passent d'un ou plusieurs états d'énergie de niveau inférieur à leurs états d'énergie de niveau supérieur d'où les électrons retombent à leurs états d'énergie de niveau inférieur, lorsqu'ils émettent des radiations de façon à compléter leur cycle de trans- mission d'énergie.
Dans les lasers, la fréquence de pompage est habi- tuellement supérieure à la fréquence de laser ou fréquence d'am- plification. En outre, pour transformer une énergie des sources industrielles habituelles en éergie à la fréquence de pompage, il faut habituellement passer par deux ou trois stades de conver- sion de fréquence. Le dernier stade implique habituellement aussi une transformation de radiation non cohérente en radiation cohdrente. Comme les moyens utilisés pour ces conversions n'atteignent pratiquementjamais un rendement de cent pour-cent, ces conversions s'accompagnent nécessairement de pertes d'éner- gie.
D'autre part., dans certains lasers, particulièrement ceux utilisant un milieu actif à l'état solide, l'énergie fournie pour créer la température négative du milieu se trouve à des fréquences représentant des différences entre états d'énergie notablement plus grandes que celles correspondant à la fréquence du signal à amplifier. Cela signifie que l'énergie se trouvant à toute fréquence absorbée par le milieu actif mais non à une fréquence pouvant être utilisée dans le processus d'amplifica- tion des radiations par émission stimulée ou toute énergie frappant le milieu mais en-dehors du spectre de la bande d'absorp- tion provoque un échauffement du milieu et entraîne donc une diminution du rendement général.
Il y a une plus grande probabilité qu'une partie des atomes des milieux actifs soient excités plus que d'autres dans des états d'énergie à niveau supérieur par de l'énergie on- . dulatoire dans certaines bandes de fréquence, Comme les atomes
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absorbent de l'énergie quand ils passent de leurs états d'énergie de niveau inférieur à leurs états d'énergie de niveau supérieur, cette bande de fréquence constitue la bande d'absorption du milieu. Les atomes amenés par excitation & leurs états d'énergie de niveau supérieur ne retombent pas à leurs états d'énergie de niveau inférieur en suivant la mime route que celle qu'ils ont suivie en passant à leurs états d'énergie de niveau supérieur.
Un grand nombre de ces atomes plus fortement excites émettent spontanément des radiations quand ils passent de leursétats d'énergie de niveau supérieur à un état d'énergie de niveau in- férieur, et, s'il se produit alors une réaction entre l'énergie ondulatoire et une fréquence correspondant à la différence entre les états d'énergie dans lesquels ils ont émis spontanément et leur état normal d'énergie de niveau inférieur, ces atomes émettent de l'énergie ondulatoire électro-magnétique cohérente par émission de radiations stimulée. L'énergie aux fréquences correspondant à la fréquence entre le niveau d'énergie où se produit l'émission stimulée et les autres états d'énergie dans la bande d'absorption,
doit être absorbée par le milieu actif sous forme de chaleur. C'est pour cette raison qu'il est souhai- table d'injecter ou de pomper de l'énergie dans un milieu à une fréquence aussi proche que possible de celle correspondant à l'émission de radiations stimulée, afin de réduire la quantité d'énergie qui est dissipée dans le réseau cristallin et de ré- duire ainsi la quantité de chaleur communiquée au milieu.
L'échauffement du milieu non seulement fait baisser le rendement mais, en outre, influence défavorablement la fonction laser.
Selon la présente invention, la bande d'absorption du milieu de maser actif est liée au spectre de fréquence de pompage de telle façon qu'en substance tout le spectre de fréquence de sortie de la source de pompage tombe à l'intérieur de la bande d'absorp- tion du milieu actif tout en étant proche de la fréquence à
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laquelle l'émission stimulée se produit, ce qui augmente le 'en- dément générait
Un dispositif a été décrit dans lequel de l'énergie à fréquence optique est dérivée d'une source d'énergie élecotrique,
soit du courant continu soie des fréquences de réseaux Industriels, pour alimenter par pompage des milieux de maser actifs à l'effet de réaliser une préparation d'état pour une fonction laser, On a tiré profit de oe que., dans certain* milieux, la bande d'absorp- tion est plus large que le spectre d'émission et, de ce fait,
une source de umière ayant une bande de fréquence clativemetn large est absorbée par le milieu et ensuite réémise dans le spectre étroite en substance linéaire de 1' émission
Il reste toujours à trouver un moyen pour convertir plus efficacement de l'énergie électrique en de l'énergie optique tombant en substance entièrement dans la bande d'absorption du milieu actif et se trouvant très proche de la bande d'émission du milieu,
ce qui permet d'au émerger considérablement le rende- ment de l'opération de préparation d'état du milieu*
La présente invention a pour but principal de pro- curer un maser optique perfectionné comprenant un moyen perfec- tionné et un procédé pour convertir de l'énergie électrique en énergie optique pour la préparation d'état du milieu actif avec un meilleur rendement*
L'invention consiste en un appareil mater comprenant un milieu pouvant subir une préparation d'état de manière à avoir une température négative, et une source d'énergie de pompage du type à l'état solide destinée à ce milieu.
Plus spécifiquement, l'appareil comprend une enve- loppe sous vide dans laquelle le dit moyen d'irradiation par les électrons comprend un moyen, , l'intérieur de l'enveloppe, servant à produire un faisceau électronique, la dite source à l'état solide consiste en une matière luminescente placée à l'in-
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têrieur de l'enveloppe de façon à être irradiée par le faisceau électronique, et le dit Milieu est ploc' . l'extérieur de l'enveloppe de manière à recevoir les radiations émises par la dite matière luminescente.
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D'une ta9u générale, l'appareil comprend un moyen pour exciter électriquement la matière luminophore de façon & constituer une source d'énergie optique servant à l'alimentation par pompage do milieux de maser actifs. L'appareil comprend
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un moyen pour diriger un faisceau cS"l.otron. courant intense, à forte densité et à haute tension sur une couche de matière lu- m1nophort . extinction rapide, la matière luminophore étant choisie de façon que sa fréquence d'émission coïncide en substance avec la bande d'absorption du milieu de maser.
L'appareil procure donc une source lumineuse a l'état solide perfectionnée pour alimenter un milieu de maser, pouvant
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être modulée de façon linéaire à haute fréquence par un signal électrique de commande*
Pour bien faire comprendre l'invention, on la décri- ra ci-après avec référence aux dessins annexes, dans lesquels la Fige 1 est une vue schématique, partie en coupe, d'une forme d'exécution de l'invention;
la Fige 2 est une vue de face, en bout, de l'appa-
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reil de la Fis, 1) la Figt 3 est une coupe faire suivant la ligne 111-111 de la Fige 2 et vue dans le sens des flèches) s la Fig. 4 est une vue, partie en coupe, d'une deu- xième tome d'exécution de la présente invention)
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la FI g. est une coupe bor1Jonta1, partielle de la partie milieu de l'appareil de la Fige 4) la Fis. 6 est une vue schématique 4-un. torsirme forme d'exécution de la présente Invention;
la Fige 7 est un graphique montrant la relation qu'il
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y a entre le spectre du débit d'une matière luminophore sélec- tionnée et la bande d'absorption d'un milieu de maser en rubis la Fige 8 est un graphique montrant la relation qu'il y a entre le spectre du débit d'une matière luminophore sélectionnée et la bande d'absorption d'un milieu de maser en fluorure de calcium doté*; et, la Fige 9 est un graphique montrant on substance la relation qu'il y a entre le courant du faisceau électronique et le débit de la matière luminophore excitée.
Les formée d'exécution représentées concernent un milieu de maser à l'état solide, mais l'invention s'applique aussi aux milieux de maser gazeux ou liquides. L'énergie électrique utilisée pour produire le faisceau électronique est transformée en énergie optique à la fréquence de pompage en excitant de façon appropriée une matière luminophore sélectionnés juxtape- .de au milieu de maser.
En choisissant un milieu actif dont la bande d'absorption est voisine de la bande d'émission des radiations, on peut obtenir un rendement quantique élevé et, de ce faite un pourcentage très élevé de l'énergie optique cet uti- lisable pour effectuer une préparation d'état sur les électron* du milieu de maser actif à l'effet de produire les températures négatives nécessaires à une fonction maser dans le milieu. Ceci augmente le rendement général du système par comparaison aux systèmes utilisés Jusqu'ici, en ce que la quantité d'énergie électrique consommée lors de la converson de l'énergie électri- que en énergie optique de pompage est diminuée.
Comme le spectre dos radiations des matières lumino- phores est déterminé par les niveaux d'énergie des activaterus dans le réseau cristallin de la matière luminophore, le spectre d'émission de la matière luminophore peut être adapté à la bande d'absorption du milieu actif par un choix approprié des activa- teufrs et au réseau cristallin à l'effet d'obtenir le meilleur
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rendement de pompage et le moindre échauffement du milieu de maser.
La densité des radiations, c'est-à-dire l'amplitude de l'énergie optique émise, est déterminée par la densité et la tension du faisceau électronique d'excitation et, par conséquent, la source des radiations émises peut Être facilement modulée en modulant le faisceau électronique de façon appropriée. Comme exposé ci-après, si on choisit convenablement la matière lumino- phore, on peut obtenir une réponse rapide et une modulation linéaire donnant une émission de radiations proportionnelle à la puissance électrique.
Trois formes d'exécution du dispositif brièvement décrit ci-dessus et que l'on peut appeler laser optique oathodo- luminescent à pompage, sont représentées aux dessins annexes.
Il va de soi que d'autres formes d'exécution sont réalisables sans sortir du cadre de 1'invention,
Dans la première forme d'exécution représentée aux Figs. 1 à 3 inclusivement, un tube à rayons cathodiques appro- pria 10 comporte un canon électronique 11 constituant une source convenable d'électrons destines à bombarder une cible 12 sur laquelle se trouve une couche appropriée 13 de matière lumino- phore. La matière luminophore peut être déposée directement sur la paroi intérieure de l'enveloppe du tube' rayons cathodiques 10 ou bien sur un substrat appropria comme cela est connu.
Un revêtement conducteur de l'électricité 12a, par exemple une pellicule aluminisée. recouvre la couche luminophore 13. La pellicule aluminisée est perméable aux électrons qui bombardent la matière luminophore et sert. empêcher la formation d'une charge sur la matière luminophore. Cette pellicule sert aussi de réflecteur de l'énergie optique provenant de la matière luminophore.
Un échantillon sélectionné d'un milieu de maser actif à l'état solide 14 est juxtaposé à la couche luminophore 13.à
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l'extérieur de l'enveloppe du tube à rayons cathodiques. Cet échantillon 14 peut être fixé sur la paroi extérieure de l'en- veloppe du tube à rayons cathodique 10 de toute manière conve- nable, par collage ou autrement. De préférence, 1' échantillon 14 est de forme rectangulaire comme sur la Fige 2 et est atta- ché sur une assise 16 qui a été formée sur la face du tube à rayons cathodiques 10 lors du finissage des extrémités 14a et 14b de l'échantillon de milieu actif 14.
Pendant l'opération de finition des creux 15a et 15b peuvent être orées par moulage sur la face d'extrémité du tube.
Comme la Fige 2 le montre, la face extérieure du tube 4 rayons cathodiques 10 est évidée par meulage de façon à laisser une assise 16 faisant légèrement saillie au centre du tube à rayons cathodiques 10. Les extrémités 14a et 14b du mi- lieu de maser 14 reçoivent un fini optique de façon à être optiquement parallèles entre elles conformément à une technique connu., une des extrémités, l'extrémité 14a par exemple, est recouverte d'une couche à réflexion en substance totale tandis que l'autre extrémité 14b est pourvue d'un revêtement à réflexion partielle. Ces revêtements sont habituellement en argent ou en aluminium.
Comme on le voit sur la Fig. 1 la face intérieure de l'échantillon de milieu actif 14 est optiquement couplée, au travers de l'assise 16, à la face extérieure de la couche luminophore 13, de sorte que l'énergie optique émise par la matière luminophore 13 excite les électrons du milieu de mater actif 14. Le canon électronique 11 comprend une cathode appro- priée 18, une électrode de commande 19 et une anode accélératri- ce appropriée 21. Selon une technique connue, l'anode 21 a une ouverture de conformation de faisceau 21a ayant la forme du faisceau électronique désiré.
Dans le cas considéré, on souhai- te produire un large faisceau électronique ayant approximative- ment la dimension et la forme de la cibla 12 afin de simplement
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garder de l'énergie dans le faisceau électronique. L'intensité du faisceau électronique et, par conséquent, l'intensité de l'énergie optique'produite par la matière luminophore 13 sont aisément commandées par la tension appliquée à l'anode 21 et à la pellicule aluminisés recouvrant la matière luminophore par une source appropriée de courant continu 22, ainsi que par une tension de commande appliqueés à l'électrode de commande 19.
Une source appropriée de potentiel de modulation 23 est connectée entre la cathode 18 et l'électrode de commande 19 afin de modu- ler le faisceau électronique allant de la cathode 18 à la cible 12. La source de tension de modulation 23 peut constater en une source,d'impulsions électriques ayant la polarité et l'amplitude voulues pour interrompre et rétablir le courant d'électrons entre la cathode et la cible, ou bien la source 23 peut produire n'impor te quelle tension variant dans le temps., par exemple comme on en utilise dans les systèmes de communication.
Dans la deuxième forme d'exécution de l'invention re- présentée aux Flan, 4 et 5, deux tubes à rayons cathodiques iden- tiques 30 et 31 sont mis face à face, les faces des deux tubes étant en contact avec un échantillon de milieu de laser ayant la forme d'une tige ronde 32. Les tubes à rayons cathodiques 30 et 31 peuvent être en substance identiques à celui représente aux Figs. 1 à 3 inclusivement, sauf que les faces 30a et 31a sont en substance planes au lieu d'avoir la forme spéciale indi- quée à la Fig. 1, comportant l'assise.centrale servant de support à l'échantillon de milieu actif 14 de forme rectangulaire de la Fig. 1.
Un manchon cylindrique annulaire 33 touche les extré- mités cylindriques des tubes à rayons cathodiques 30 et 31 et est percé d'ouvertures 34 et 36 pour le passage de la tige de laser 32. La surface intérieure 37 est argentée afin de diriger la lumière intérieurement sur la tige de laser,
Les extraies de. la tige 32 sont optiquement parallèles entre elles et une extré0
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allé zaza peut être pourvue d'une surface & réflexion ta substance totale tandis que l'autre extrémité 32b est recouverte d'une surface à réflexion partielle ou d'une surface dont la majeure partit est à réflexion en substance totale percée d'une ouver-
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ture centrale 33e par laquelle la lumière chef watt peut s#échap. par de façon connu@ de la tige de laser 32 tous la tome d'un
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faisceau.
Les cibles 44 et 46 sont pourvues 4. couche# de matière luminophore flspeot1T.. z et 46a recouvertes <3.1<t-aK< de pellioults conduotr1co, de l'41,ctr101t' 44b et 46b comme dans le cas dit la Fivs. 1. Les oouohtf lum1nophorl. 44a et ,6a sont exoltdou par les falogeaux d'41.atrons provenant des oanoria électroniques respectif* 47 et 48. Cpmme dans le cas de la pre- mire forme d'exécution, les faisceaux électroniques sont de forme rectangulaire, ils ont une longueur en substance égale à la longueur de la tige 32 et une largeur en substance égale ou légèrement supérieure au diamètre de la tige 32.
La commande
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des faisceaux électroniques est effectuée par des '1.otro4.. de commande et des tensions de modulation appropriées, comme dans la cas de la première forme d'exécution. quoique le milieu de laser représenté ait la forme d'une tige 32 de section ronde, l'échantillon de milieu de laser qui doit être optiquement couplé aux couches luminophores recou. vrant les cibles 44 et 46 pourrait être rectangulaire et avoir une épaisseur notablement plus faible que la largeur, de façon analogue à l'échantillon de milieu de laser 14 de la première forme d'exécution.
pans le cas de la troisième forme d'exécution de
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l'invention représentée à la "3 6, le tube à rayons cathodiques '0 est en substance identique à ceux des tomes d'exécution pré- - cèdent es et comporte un canon électronique 31 servant a produire un faisceau électronique de forme déterminée. La cible 53 porte . une couche de matière luminophore appropriée 54 et une pellicule
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aluminisée, comme dans les autres forces d'exécution. Le faisceau électronique peut être commandé par une électrode de commande 56 de la manière déjà décrite.
La présente forme d'exécution utili- se un moyen différent de ceux utilises dans les formes d'exé- cation précédentes pour coupler optiquement l'énergie optique de la couche luminophore 54 recouvrant la cible 53 à un échan- tillon de milieu de laser 57,
A cet effet$ la troisième forme d'exécution est pourvue d'un miroir concave approprié 58 dont le foyer se situe entre le centre de la tige de laser 57 et la matière luminophore excitée, comme le point 59 le montra.
Les rayons allant directement de la matière luminophore 54 à la cible 53 illuminent toute la surface de la tige 57 faisant face a la cible 53 du tube ± rayon cathodique 50, alors qu'à condition de disposer correctement le miroir 58, le côté arrière de la tige 57 qui se trouve à l'ombre des rayons lumineux directs de la matière luminophore 54, est Illuminé par les rayons lumineux réfléchis par la miroir 58 Ceci est représenté par les deux paires de rayons incidents et réfléchis indiques par les flèches des lignes 61, 62, 63 et 64.
Il a été dit que la spectre de radiation des matières luminophores est déterminé par les niveaux d'énergie des acti- valeurs se trouvant dans le réseau cristallin de la matière luminophore. La densité de radiation est., d'autre part, déter- minée par la densité et la tension du faisceau électronique d'excitation. Selon la présente invention, des moyens sont prévus pour commander indépendamment ces deux facteurs importants des masers optiques. Ceci permet aussi d'adapter facilement la fré- quence de la source de pompage aux niveaux d'énergie du milieu @ /' de maser.
Quoique l'invention soit appliquée principalement a un ' maser optique dans les cas représentés, les matières luminopho- res excitées par les électrons pourraient Être utilisées par un,/
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source de pompage à commande aisée pour des masers fonctionnant dans la gamme des micro-ondes.
Le spectre démission de la matière luminophore peut tre adaptée à la bande d'absorption du maser par un choix appropria de la composition et des activateurs de la matière luminophore donnant le rendement de pompage maximum et l'échauf- fement de laser minimum. Dans les formes d'exécution reeprésen- tées, on peut utiliser un cristal de rubis convenablement doté de chrome constituant un milieu actif de maser syunt une bande d'absorption allant de 5.150 à 5,850 angströms.
La largeur de bande d'absorption, qui est d'environ 700 angströms, correspond en substance 4 celle du spectre de radiation du Zn2Sio4Mn à émission verte dont le spectre d'émission est donna par la partie hachurée du graphique de la Fig. 7. Dans le cas considéré*! en substance 75% de l'émission tombent à l'intérieur de la bande d'absorption du rubis.
Au lieu du rubis, on peut utiliser, comme milieu de laser, un échantillon de fluorure de calcium convenablement doté au samarium. Ce milieu actif a une bande d'absorption d'environ 500 sngströms comprise entre 5*950 et 6.450 angströms.
On peut utiliser, avec ce milieu actif, une source lumineuse à l'état solide constituée par une matière luminophore Zn3 (PO4)2'Mn ayant le spectre d'émission donne par la partie hachurée de la Fig. 8, Il va de soi que, dans tous les cas, les matières lumi- nophores sélectionnées doivent l'être sur la base de la coïnoi- dence de leur spectre d'émission et du spectre d'absorption de l'échantillon de matière de maser.,
Les matières luminophores à bombardement électroni- que selon 1a présente invention ont non seulement la propriété d'adaptation de leur émission spectrale à la bande d'absorption du milieu de maser actif,
mais encore l'avantage d'une réponse très rapide et d'une modulation linéaire, c'et-à-dire que les
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radiations émises instantanées sont directement proportionnelles à la puissance électrique consommée par le faisceau électroni- que. ceci est représenté à la Fig 9 où l'intensité de radia- tions est portée en fonction du courant de faisceau de pointe en micro-ampères.
Ce qui précède montre que la présente invention procure un moyen pour transformer efficacement de l'énergie électrique en énergie optique cohérente, l'énergie optique pou- vant être très aisément commandée en réglant simplement l'exci- tation de la matière luminophore par le faisceau électronique.
La présente invention procure ainsi un moyen pour adapter aisé- ment les radiations émises par la matière luminophore au milieu de laser.
REVENDICATIONS.
1 Appareil maser comprenant un milieu capable de subir une préparation d'état donnant une température négative et une source d'énergie de pompage à l'état solide pour ce mi- lieu.