FR2557387A1 - METHOD FOR CREATING A LASER BEAM OF WAVELENGTH 2.71 MICRONS - Google Patents
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Abstract
LE PROCEDE CONSISTE SUCCESSIVEMENT A CREER UNE DECHARGE ELECTRIQUE DANS UN GAZ FORME D'HYDROGENE, A DETENDRE LE GAZ DANS DES TUYERES 7, A INJECTER DE L'ACIDE BROMHYDRIQUE GAZEUX A LA SORTIE DES TUYERES, ET A FAIRE PASSER LE GAZ DETENDU AYANT REAGI AVEC L'ACIDE BROMHYDRIQUE DANS UNE CAVITE OPTIQUE RESONNANTE 14, 15. LE PROCEDE EST UTILISE POUR REALISER DES LASERS EN VUE D'APPLICATION SPATIALES.THE PROCESS CONSISTS SUCCESSIVELY IN CREATING AN ELECTRICAL DISCHARGE IN A GAS IN THE FORM OF HYDROGEN, IN EXPANDING THE GAS IN PIPES 7, IN INJECTING GASEOUS BROMHYDRIC ACID AT THE OUTLET OF THE PIPES, AND IN PASSING THE GAS THROUGH THE GAS. HYDROBROMIC ACID IN A RESONANT OPTICAL CAVITY 14, 15. THE PROCESS IS USED TO MAKE LASERS FOR SPACE APPLICATION.
Description
Procédé pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 2,71 microns LaProcess for creating a 2.71 micron wavelength laser beam
présente invention concerne un procédé pour créer un faisceau The present invention relates to a method for creating a beam
laser de longueur d'onde 2,71 microns. wavelength laser 2,71 microns.
Un procédé connu pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 2,71 microns est décrit dans l'article américain intitulé "Production of population inversions among the electronic states atomic species by processes of intermolecular V4-*E energy transfer" (J.A. Blauer et G.D. Hager) extrait de l'ouvrage "Electronic transition lasers" A known method for creating a laser beam of wavelength 2.71 microns is described in the American article entitled "Production of population inversions among the electronic states atomic species by processes of intermolecular V4- * E energy transfer" (JA Blauer and GD Hager) from "Electronic transition lasers"
(J.I. Steinfeld) MIT Press, 1976, pages 105 à 111. (J.I. Steinfeld) MIT Press, 1976, pp. 105-111.
Dans ce procédé, on comprime rapidement et fortement un mélange gazeux comprenant de l'hydrogène moléculaire et de l'argon de façon à porter la température du mélange à une température supérieure à 5000 K et à former en son sein de l'hydrogène atomique. On détend ensuite le mélange comprimé par passage à travers une tuyère et on injecte de l'acide bromhydrique gazeux dans le flux de gaz sortant de la tuyère. L'acide bromhydrique réagit sur l'hydrogène atomique pour former de l'hydrogène moléculaire excité en vibration et du brome atomique au niveau quantique 2P3/2. L'énergie d'excitation de l'hydrogène moléculaire est alors transférée au brome de façon In this process, a gaseous mixture comprising molecular hydrogen and argon is rapidly and strongly compressed so as to bring the temperature of the mixture to a temperature above 5000 K and to form atomic hydrogen therein. The compressed mixture is then expanded by passing through a nozzle and gaseous hydrobromic acid is injected into the gas stream exiting the nozzle. Hydrobromic acid reacts with atomic hydrogen to form vibration-excited molecular hydrogen and atomic bromine at the 2P3 / 2 quantum level. The excitation energy of molecular hydrogen is then transferred to bromine so
à faire passer les atomes de brome de l'état 2P3/2 à l'état excité 2P1/2. passing the bromine atoms from the 2P3 / 2 state to the excited state 2P1 / 2.
Le gaz contenant le brome excité est admis à traverser une cavité The gas containing the excited bromine is allowed to pass through a cavity
optique résonnante.resonant optics.
Par ce procédé il est possible d'obtenir, en principe, une impulsion laser de longueur d'onde 2,71 microns par une compression du mélange gazeux. Cette méthode donne en pratique des résultats peu satisfaisants et non répétitifs. D'autre part il n'est pas possible By this method it is possible to obtain, in principle, a laser pulse of wavelength 2.71 microns by compression of the gas mixture. This method gives unsatisfactory and non-repetitive results in practice. On the other hand it is not possible
d'obtenir ainsi un faisceau laser continu. to obtain a continuous laser beam.
La présente invention a pour but de mettre en oeuvre un procédé fiable pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 2,71 microns et de réaliser industriellement un émetteur laser capable d'émettre The object of the present invention is to implement a reliable method for creating a laser beam with a wavelength of 2.71 microns and to industrially produce a laser transmitter capable of emitting
un tel faisceau.such a beam.
La présente invention a pour objet un procédé pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 2,71 microns, consistant - à former de l'hydrogène atomique dans un gaz initial comportant de l'hydrogène moléculaire, - 2 - à détendre le gaz contenant de l'hydrogène atomique par passage dans des tuyères à une vitesse supersonique, - à injecter de l'acide bromhydrique gazeux à la sortie des tuyères dans le sens d'écoulement du gaz, cet acide réagissant avec l'hydrogène atomique pour former de l'hydrogène moléculaire excité en vibration et du brome atomique au niveau quantique 2P3/2, l'énergie d'excitation de l'hydrogène moléculaire étant alors transférée au brome de façon à exciter les atomes de brome au niveau 2P1/2 1/2 - et à faire passer le gaz sortant des tuyères et contenant des atomes The subject of the present invention is a method for creating a 2.71 micron wavelength laser beam consisting in forming atomic hydrogen in an initial gas comprising molecular hydrogen. containing atomic hydrogen by passing through nozzles at a supersonic velocity, injecting hydrobromic acid gas at the outlet of the nozzles in the flow direction of the gas, which acid reacts with the atomic hydrogen to form vibration-excited molecular hydrogen and atomic bromine at the 2P3 / 2 quantum level, the excitation energy of the molecular hydrogen being then transferred to bromine so as to excite the bromine atoms at the 2P1 / 2 1/2 level - and to pass the gas coming out of the tuyères and containing atoms
de brome au niveau P1/2 dans une cavité optique résonnante, perpendi- bromine at P1 / 2 level in a resonant optical cavity, perpendicular
1/2 culairement à l'axe de la cavité, pour obtenir, à la sortie de la cavité, ledit faisceau laser de longueur d'onde 2,71 microns, caractérisé en ce que la formation de l'hydrogène atomique dans le gaz est obtenue en créant à l'amont de chaque tuyère une décharge électrique à haute tension, cette décharge engendrant de plus de l'hydrogène moléculaire excité en vibration, cet hydrogène moléculaire excité venant s'ajouter, après passage dans les tuyères, à celui produit par action de l'hydrogène atomique par l'acide bromhydrique de façon à augmenter le nombre d'atomes de brome passant du niveau P3/2 2/ au niveau P1/2, le faisceau laser sortant de la cavité étant un 1/2 culairement to the axis of the cavity, to obtain, at the outlet of the cavity, said laser beam of wavelength 2.71 microns, characterized in that the formation of atomic hydrogen in the gas is obtained by creating upstream of each nozzle a high-voltage electrical discharge, this discharge generating further vibration-excited molecular hydrogen, this excited molecular hydrogen being added, after passing through the nozzles, to that produced by action of atomic hydrogen by hydrobromic acid so as to increase the number of bromine atoms passing from the P3 / 2 2 / level to the P1 / 2 level, the laser beam leaving the cavity being a
faisceau continu.continuous beam.
Une forme particulière d'exécution de l'objet de la présente invention est décrite ci-dessus, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique représente, en coupe longitudinale, un émetteur laser capable de mettre en oeuvre le procédé A particular embodiment of the subject of the present invention is described above, by way of example, with reference to the appended drawing in which the single figure shows, in longitudinal section, a laser transmitter capable of implementing the process
selon l'invention.according to the invention.
Sur cette figure, une pluralité de tubes cylindriques isolants tels que 1, 2 et 3, identiques et parallèles entre eux présentent leurs entrées telles que 9 dans un plan perpendiculaire à la direction In this figure, a plurality of cylindrical insulating tubes such as 1, 2 and 3, identical and parallel to each other, have their inputs such as 9 in a plane perpendicular to the direction
des tubes.tubes.
A l'intérieur de chaque tube, du côté de l'entrée 9, est disposée une électrode annulaire coaxiale 4. Une autre électrode annulaire Inside each tube, on the side of the inlet 9, is disposed a coaxial annular electrode 4. Another annular electrode
coaxiale 5 est disposée à la sortie de chaque tube. coaxial 5 is disposed at the outlet of each tube.
Les sorties des tubes cylindriques sont reliées à un ensemble - 3 - de tuyères 7. Des injecteurs 8 sont placés à l'aval du col 6 des tuyères. Chaque injecteur peut être disposé par exemple à l'intérieur de la paroi commune à deux tuyères consécutives de façon que l'axe d'injection 20 soit orienté dans le sens d'écoulement du gaz dans les tuyères. Les injecteurs 8 communiquent par des canalisations non visibles sur la figure avec un générateur 16 d'acide bromhydrique gazeux. Les tuyères débouchent dans une chambre 21 délimitée par une paroi cylindrique 11. Cette paroi comporte deux ouvertures opposées The outlets of the cylindrical tubes are connected to a set - 3 - of nozzles 7. Injectors 8 are placed downstream of the neck 6 of the nozzles. Each injector may for example be placed inside the common wall with two consecutive nozzles so that the injection pin 20 is oriented in the direction of flow of the gas in the nozzles. The injectors 8 communicate by pipes not visible in the figure with a generator 16 of hydrobromic acid gas. The nozzles open into a chamber 21 delimited by a cylindrical wall 11. This wall has two opposite openings
obturées de façon étanche par deux pièces cylindriques 12 et 13. sealed by two cylindrical pieces 12 and 13.
Ces pièces supportent respectivement deux réflecteurs 14 et 15 disposés pour former une cavité optique résonnante suivant un axe 23 traversant les ouvertures perpendiculairement au sens d'écoulement du gaz dans These parts respectively support two reflectors 14 and 15 arranged to form a resonant optical cavity along an axis 23 passing through the openings perpendicular to the flow direction of the gas in
les tuyères. Le réflecteur 15 est partiellement transparent au rayon- the nozzles. The reflector 15 is partially transparent to the
nement de longueur d'onde 2,71 microns. wavelength of 2.71 microns.
La chambre 21 comporte, à son extrémité opposée aux tuyères, un dispositif 19 comprenant un diffuseur suivi d'un système de pompage The chamber 21 comprises, at its end opposite the nozzles, a device 19 comprising a diffuser followed by a pumping system
ou d'une enceinte à vide.or a vacuum chamber.
Les électrodes 4 et 5 sont reliées à une source de courant The electrodes 4 and 5 are connected to a power source
continu haute tension 17 par l'intermédiaire d'une résistance 18. continuous high voltage 17 via a resistor 18.
Le dispositif représenté sur la figure fonctionne de la manière suivante. On fait pénétrer dans les tubes 1 par leurs entrées 9 un gaz à basse pression formé d'hydrogène moléculaire qui peut être dilué avec un gaz neutre tel que l'hélium ou l'argon. Ce gaz est soumis à des décharges électriques qui s'établissent à l'intérieur des tubes longitudinalement entre les électrodes 4 et 5 chargées par la source 17 à une différence de potentiel élevée. Sous l'effet de cette décharge, le gaz est porté à une température de l'ordre de 400 à 500 K et il se forme de l'hydrogène à l'état atomique et de l'hydrogène moléculaire The device shown in the figure operates as follows. A low-pressure gas formed of molecular hydrogen which can be diluted with a neutral gas such as helium or argon is introduced into the tubes 1 through their inlets 9. This gas is subjected to electric discharges which are established inside the tubes longitudinally between the electrodes 4 and 5 charged by the source 17 at a high potential difference. Under the effect of this discharge, the gas is heated to a temperature of the order of 400 to 500 K and hydrogen is formed in the atomic state and molecular hydrogen
excité en vibration au niveau 1.excited in vibration at level 1.
De préférence on règle la décharge électrique de façon que le rapport Ep entre le champ électrique E et la pression p du gaz soit compris entre 2 et 10 V/cm x torr. On favorise ainsi la production de molécules d'hydrogène excitées au niveau 1. On peut obtenir par The electric discharge is preferably adjusted so that the ratio Ep between the electric field E and the pressure p of the gas is between 2 and 10 V / cm x torr. This promotes the production of excited hydrogen molecules at level 1. It can be obtained by
25573S7.25573S7.
- 4 - exemple, par rapport aux molécules d'hydrogène initiales, 10 à 15% de molécules d'hydrogène excitées au niveau 1 et quelques pour cent For example, compared to the initial hydrogen molecules, 10 to 15% of hydrogen molecules excited at level 1 and a few percent
d'atomes d'hydrogène.of hydrogen atoms.
Le système de pompage (ou l'enceinte à vide) expulse le gaz contenu dans la chambre 21, et le gaz contenant de l'hydrogène molécu- laire excité au niveau 1 et de l'hydrogène atomique est détendu en passant des tubes vers la chambre 21 à travers les tuyères 7 à une vitesse supersonique. Pour éviter la recombinaison des atomes d'hydrogène sur les parois des tuyères, celles-ci sont de préférence constituées d'une matière céramique ou d'un métal recouvert d'une couche de polytétrafluoréthylène. On injecte à la sortie des tuyères de l'acide bromhydrique The pumping system (or vacuum chamber) expels the gas contained in the chamber 21, and the molecular hydrogen-excited gas excited at level 1 and atomic hydrogen is expanded by passing tubes to the chamber 21 through the nozzles 7 at a supersonic speed. To avoid recombination of the hydrogen atoms on the walls of the nozzles, they are preferably made of a ceramic material or a metal covered with a layer of polytetrafluoroethylene. The nozzle is injected with hydrobromic acid
gazeux par les injecteurs 8.gaseous by injectors 8.
L'hydrogène atomique réagit sur l'acide bromhydrique pour former de l'hydrogène moléculaire excité en vibration au niveau 1 et du brome atomique au niveau 2P3/2 suivant la réaction: Atomic hydrogen reacts with hydrobromic acid to form excited molecular hydrogen at level 1 and atomic bromine at level 2P3 / 2 following the reaction:
(1) H + HBr -4 H2 (1) + Br ( P/2).(1) H + HBr -4H 2 (1) + Br (P / 2).
2 3/22 3/2
Aux molécules d'hydrogène excitées au niveau 1 produites par la réaction (1) viennent s'ajouter celles provenant de la décharge électrique. Si l'on règle cette décharge comme précisé plus haut, les molécules d'hydrogène excitées présentes dans le gaz à cet instant In addition to the level 1 excited hydrogen molecules produced by the reaction (1), those from the electric discharge are added. If we regulate this discharge as specified above, the excited hydrogen molecules present in the gas at this moment
proviennent essentiellement de la décharge électrique. come mainly from the electric shock.
L'énergie d'excitation des molécules d'hydrogène est alors transférée au brome, de façon à faire monter les atomes de brome au niveau quantique excité 2P1/2 suivant la réaction: The excitation energy of the hydrogen molecules is then transferred to the bromine, so as to raise the bromine atoms to the excited quantum level 2P1 / 2 according to the reaction:
(2) '' (2P1/2)(2) '' (2P1 / 2)
(2) Br ( P3/2) + H2 (1) Br ( 1/2 + H2 (0). (2) Br (P3 / 2) + H2 (1) Br (1/2 + H2 (0).
(2P/2 2)/(2P / 2 2) /
L'apport déterminant des molécules d'hydrogène excitées produites par la décharge entraîne, par rapport au procédé selon l'art antérieur, une augmentation très importante de l'inversion de population sur The determining contribution of the excited hydrogen molecules produced by the discharge leads, with respect to the method according to the prior art, a very significant increase in the population inversion on
le brome.bromine.
D'autre part, la réaction (2) est équilibrée, de sorte qu'il On the other hand, the reaction (2) is balanced, so that it
2557387A2557387A
faut une proportion minimale d'hydrogène excité au niveau 1 par rapport à l'hydrogène au niveau fondamental O pour obtenir l'inversion de population sur le brome. Cette proportion minimale varie en fonction de la température du gaz. Elle est de 3,2% à 2000K, de 10,2% à 300 K et de 18% à 400 K. Pour faciliter la création de l'inversion de population, les tuyères du dispositif selon l'invention sont d'un type entrainant A minimum proportion of excited hydrogen at level 1 with respect to hydrogen at the fundamental level O is required to obtain the population inversion on bromine. This minimum proportion varies depending on the temperature of the gas. It is from 3.2% to 2000K, from 10.2% to 300 K and from 18% to 400 K. To facilitate the creation of the population inversion, the nozzles of the device according to the invention are of a type leading
une forte détente du gaz les traversant. On obtient ainsi, de préfé- a strong relaxation of the gas passing through them. We thus obtain, preferably
rence, une température du gaz détendu inférieure à 300 K pour une a relaxed gas temperature of less than 300 K for a
température de 500 K à l'amont des tuyères. temperature of 500 K upstream of the nozzles.
Le gaz détendu contenant du brome excité traverse ensuite la cavité optique résonnante 14-15, ce qui provoque la formation d'un faisceau laser continu 22, par descente des atomes de brome du niveau P1/2 au niveau 2P3/2. Le faisceau continu 22 sortant du réflecteur The expanded bromine-containing expanded gas then flows through the resonant optical cavity 14-15, which causes the formation of a continuous laser beam 22, by descent of the bromine atoms from the P1 / 2 level to the 2P3 / 2 level. The continuous beam 22 coming out of the reflector
1/2 3/2'1/2 3/2 '
partiellement transparent 15 a une longueur d'onde de 2,71 microns. partially transparent 15 has a wavelength of 2.71 microns.
A titre indicatif, la pression du gaz à l'amont des tuyères est comprise entre 20 et 100 torrs. Les tubes à décharge ont un As an indication, the gas pressure upstream of the nozzles is between 20 and 100 torr. Discharge tubes have a
diamètre de 1 centimètre et une longueur de 20 centimètres environ. diameter of 1 centimeter and a length of about 20 centimeters.
La vitesse d'écoulement du gaz dans les tuyères est comprise entre Mach 1, 5 et Mach 2. Les deux réflecteurs de la cavité laser sont des miroirs à couches diélectriques dont les coefficients de réflexion The flow velocity of the gas in the nozzles is between Mach 1, 5 and Mach 2. The two reflectors of the laser cavity are dielectric layer mirrors whose reflection coefficients
respectifs sont de 100% et de 97% à la longueur d'onde de 2,71 microns. respective are 100% and 97% at the wavelength of 2.71 microns.
Dans ces conditions, la puissance laser spécifique est de 1 Under these conditions, the specific laser power is 1
à 2 KW pour un débit d'hydrogène moléculaire de 1 mole/seconde. at 2 KW for a molecular hydrogen flow rate of 1 mole / second.
Le rendement électrique (quotient de l'énergie laser par l'énergie Electrical efficiency (quotient of energy laser energy
d'excitation) est de l'ordre de 10%. excitation) is of the order of 10%.
Le procédé selon l'invention peut être appliqué à la réalisation The process according to the invention can be applied to the production
de lasers pour la télémétrie et les télécommunications spatiales. lasers for telemetry and space telecommunications.
Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier on peut, sans sortir du cadre de l'invention, Of course, the invention is not limited to the embodiments described and shown which have been given by way of example. In particular, without departing from the scope of the invention,
remplacer certains moyens techniques par des moyens équivalents. replace certain technical means by equivalent means.
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| GB2152273B (en) | 1986-02-12 |
| NL8100754A (en) | 1988-06-01 |
| NO810462L (en) | 1985-12-06 |
| DE3046483A1 (en) | 1989-01-12 |
| IT8167066A0 (en) | 1981-01-21 |
| GB2152273A (en) | 1985-07-31 |
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