FR2640827A1

FR2640827A1 - Process and device for creating a laser beam of wavelength 1.315 microns

Info

Publication number: FR2640827A1
Application number: FR8000972A
Authority: FR
Inventors: Henri Brunet
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1980-01-17
Filing date: 1980-01-17
Publication date: 1990-06-22
Anticipated expiration: 2000-01-17
Also published as: FR2640827B1

Abstract

The device includes means 4, 5, 17 for creating an electric discharge in a gas mixture containing hydrogen, nozzles 7 for expanding the mixture, hydriodic acid injectors 8 at the exit of the nozzles and a resonant optical cavity 14-15. Application to telemetry.

Description

Procédé et dispositif pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 1J315 micron
La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour créer un-faisceau laser de longueur d'onde 1,315 micron.Method and device for creating a laser beam of wavelength 1J315 micron
The present invention relates to a method and a device for creating a laser beam of wavelength 1.315 micron.

Un procédé connu pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 1,315 micron est décrit dans l'article américain intitulé "Production of population inversions among the electronic states of atomic species by processes of intermolecular VE energy transfer" (J.A. Blauer et
G.D. Hager) extrait de l'ouvrage "Electronic transition lasers" (J.I.A known method for creating a laser beam with a wavelength of 1,315 micron is described in the American article entitled "Production of population inversions among the electronic states of atomic species by processes of intermolecular VE energy transfer" (JA Blauer and
GD Hager) extract from the book "Electronic transition lasers" (JI

Steinfeld) MIT Press, 1976, pages 105 à 111.Steinfeld) MIT Press, 1976, pages 105-111.

Dans ce procédé, on comprime rapidement et fortement un mélange gazeux comportant de I'hydrogène moléculaire et de l'argon de façon à porter la température du mélange à une température supérieure à 50000R et à former en son sein de lthydrogène atomique. On détend ensuite le mélange comprimé par passage à travers une tuyère et on injecte de l'acide iodhydrique gazeux dans le flux de gaz sortant de la tuyère. L'acide iodhydrique réagit sur l'hydrogène atomique pour former de l'hydrogène moléculaire excité en vibration et de l'iode atomique au niveau quantique P3/2. L'énergie d'excitation de l'hydrogène moléculaire est alors transférée à l'iode de façon à faire passer les atomes diode de l'état 2P3/2 à l'état excité 2P1/2. 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 greater than 50000R and to form therein atomic hydrogen. The compressed mixture is then expanded by passing it through a nozzle and gaseous hydroiodic acid is injected into the gas flow leaving the nozzle. Hydrogen iodine reacts with atomic hydrogen to form vibrating molecular hydrogen and atomic iodine at the P3 / 2 quantum level. The excitation energy of molecular hydrogen is then transferred to the iodine so as to bring the diode atoms from the 2P3 / 2 state to the excited 2P1 / 2 state.

Le gaz contenant l'iode excité est admis à traverser une cavité optique résonnante.The gas containing the excited iodine is allowed to pass through a resonant optical cavity.

Il est possible ainsi d'obtenir, pour une compression du mélange gazeux, une impulsion laser sortant de la cavité, de longueur d'onde 1,315 micron. Mais, comme il est indiqué dans l'article américain les essais de laboratoire effectués suivant cette méthode ont donné des résultats peu satisfaisants et non répétitifs. D'autre part, il n'est pas possible d'obtenir par cette méthode un faisceau laser continu. It is thus possible to obtain, for compression of the gas mixture, a laser pulse leaving the cavity, of wavelength 1.315 microns. However, as indicated in the American article, laboratory tests carried out using this method have given unsatisfactory and non-repetitive results. On the other hand, it is not possible to obtain a continuous laser beam by this method.

La présente invention a pour but de réaliser un émetteur laser continu, fonctionnant à la longueur d'onde de 1,315 micron, ce laser présentant une bonne fiabilité de façon à pouvoir être réalisé industriellement. The object of the present invention is to produce a continuous laser transmitter, operating at the wavelength of 1.315 microns, this laser having good reliability so that it can be produced industrially.

La présente invention a pour objet un procédé pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 1,315 micron, consistant - à former de l'hydrogène atomique dans un mélange gazeux constitué d'hydrogène moléculaire et d'un gaz neutre, - à détendre le mélange gazeux contenant de l'hydrogène atomique par passage dans des tuyères à une vitesse supersonique, - à injecter de l'acide iodhydrique gazeux à la sortie des tuyères dans le sens d'écoulement du mélange, cet acide réagissant avec l'hydrogène atomique pour former de l'hydrogène moléculaire excité en vibration et de l'iode atomique au niveau quantique 2P3,2 , l'énergie d'excitation de cet hydrogène moléculaire étant alors transférée à l'iode de façon à faire monter les atomes d'iode du niveau P3/2 au niveau P1/2, - et à faire passer le mélange gazeux sortant des tuyères et contenant 11 iode au niveau 2P1/2, à l'intérieur d'une cavité optique résonnante perpendiculairement à l'axe de cette cavité, pour obtenir à la sortie de la cavité ledit faisceau laser de longueur d'onde 1,315 micron par descente des atomes d'iode du niveau 2P 1/2 au niveau 2P3/2 caractérisé en ce que la formation de l'hydrogène atomique dans le mélange gazeux contitué d'hydrogène moléculaire et du gaz neutre est obtenue en soumettant ce mélange à une décharge électrique à haute tension, le faisceau laser sortant de la cavité étant un faisceau continu. The subject of the present invention is a method for creating a laser beam of wavelength 1.315 micron, consisting of - forming atomic hydrogen in a gas mixture consisting of molecular hydrogen and a neutral gas, - relaxing the gaseous mixture containing atomic hydrogen by passing through nozzles at supersonic speed, - injecting gaseous hydroiodic acid at the outlet of the nozzles in the direction of flow of the mixture, this acid reacting with atomic hydrogen to form molecular hydrogen excited in vibration and atomic iodine at the quantum level 2P3,2, the excitation energy of this molecular hydrogen being then transferred to iodine so as to raise the iodine atoms of the level P3 / 2 at level P1 / 2, - and passing the gas mixture leaving the nozzles and containing 11 iodines at level 2P1 / 2, inside a resonant optical cavity perpendicular to the axis of this cavity , to obtain at the outlet of the cavity said laser beam of wavelength 1.315 micron by descent of the iodine atoms from level 2P 1/2 to level 2P3 / 2 characterized in that the formation of atomic hydrogen in the gaseous mixture of molecular hydrogen and neutral gas is obtained by subjecting this mixture to a high voltage electrical discharge, the laser beam leaving the cavity being a continuous beam.

La présente invention a aussi pour objet un dispositif pour créer un faisceau laser de longueur d'onde 1,315 micron, comportant - un groupe de tuyères, - des moyens disposés à l'amont des tuyères pour former de l'hydrogène atomique dans un mélange gazeux constitué d'hydrogène moléculaire et d'un gaz neutre, - des moyens pour faire passer le mélange gazeux contenant de l'hydrogène atomique à travers les tuyères de façon à détendre ce mélange, - des moyens pour injecter de l'acide iodhydrique gazeux dans le mélange gazeux sortant des tuyères de façon à former de l'iode atomique excité dans ce mélange - et une cavité optique résonnante disposée à l'aval des tuyères perpendiculairement au sens de l'écoulement gazeux pour être traversée par le mélange gazeux contenant de l'iode atomique excité, caractérisé en ce que - lesdits moyens pour former de l'hydrogène atomique dans le mélange gazeux comportent deux électrodes disposées à l'amont de chaque tuyère et connectées respectivement aux deux bornes d'une source de courant électrique à haute tension, les deux électrodes étant disposées à une distance mutuelle suffisante pour créer une décharge électrique continue dans le mélange gazeux contitué d'hydrogène moléculaire et du gaz neutre. The present invention also relates to a device for creating a laser beam of wavelength 1.315 micron, comprising - a group of nozzles, - means arranged upstream of the nozzles to form atomic hydrogen in a gas mixture consisting of molecular hydrogen and a neutral gas, - means for passing the gaseous mixture containing atomic hydrogen through the nozzles so as to expand this mixture, - means for injecting gaseous hydroiodic acid into the gas mixture leaving the nozzles so as to form excited atomic iodine in this mixture - and a resonant optical cavity disposed downstream of the nozzles perpendicular to the direction of the gas flow to be crossed by the gas mixture containing l excited atomic iodine, characterized in that - said means for forming atomic hydrogen in the gas mixture comprise two electrodes arranged upstream of each t uyère and connected respectively to the two terminals of a high voltage electric current source, the two electrodes being arranged at a mutual distance sufficient to create a continuous electric discharge in the gaseous mixture of molecular hydrogen and neutral gas.

Une forme d'exécution de l'objet de la présente invention est décrite ci-dessous à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique représente en coupe longitudinale un mode de réalisation d'un laser selon l'invention. An embodiment of the object of the present invention is described below by way of example, with reference to the accompanying drawing in which the single figure shows in longitudinal section an embodiment of a laser according to the invention .

Sur cette figure, une pluralité de tubes cylindriques isolants tels que 1, 2 et 3 identiques entre eux sont disposés parallèlement entre eux de façon que leurs entrées telles que 9 soient situées sensiblement dans un plan perpendiculaire à la direction des tubes. In this figure, a plurality of insulating cylindrical tubes such as 1, 2 and 3 identical to each other are arranged parallel to each other so that their inputs such as 9 are located substantially in a plane perpendicular to the direction of the tubes.

A l'intérieur de chaque tube, du côté de l'entrée 9, est disposée une électrode annulaire coaxiale 4. Une autre électrode annulaire coaxiale 5 est disposée à la sortie de chaque tube. Inside each tube, on the side of the inlet 9, is arranged a coaxial annular electrode 4. Another coaxial annular electrode 5 is arranged at the outlet of each tube.

Les sorties des tubes cylindriques sont reliées à un ensemble 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 7. Les injecteurs 8 communiquent par des canalisations non visibles sur la figure avec un générateur 16 d'acide iodhydrique gazeux. The outputs of the cylindrical tubes are connected to a set of nozzles 7. Injectors 8 are placed downstream of the neck 6 of the nozzles. Each injector can be arranged for example inside the wall common to two consecutive nozzles so that the injection axis 20 is oriented in the direction of flow of the gas in the nozzles 7. The injectors 8 communicate by means of pipes not visible in the figure with a generator 16 of gaseous hydroiodic acid.

Les différentes tuyères débouchent dans une chambre 21 délimitée par une paroi cylindrique 11. Cette paroi comporte deux ouvertures opposées obturées de façon étanche par deux pièces cylindriques 12 et 13 fixées sur la paroi de la chambre 21. 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 des gaz dans les tuyères. The different nozzles open into a chamber 21 delimited by a cylindrical wall 11. This wall has two opposite openings closed in a sealed manner by two cylindrical parts 12 and 13 fixed to the wall of the chamber 21. These parts support two reflectors 14 and 15 respectively. arranged to form a resonant optical cavity along an axis 23 passing through the openings perpendicular to the direction of flow of the gases in the nozzles.

Le réflecteur 15 est partiellement transparent au rayonnement de longueur d'onde 1,315 micron.The reflector 15 is partially transparent to radiation of wavelength 1.315 microns.

La chambre 21 comporte, à son extrémité opposée aux tuyères, un dispositif 19 comprenant un diffuseur suivi d'un système de pompage ou d'une enceinte à vide. The chamber 21 comprises, at its end opposite to the nozzles, a device 19 comprising a diffuser followed by a pumping system or a vacuum enclosure.

Les électrodes 4 et 5 sont reliées à une source de courant continu haute tension 17 par l'intermédiaire d'une résistance 18. The electrodes 4 and 5 are connected to a high-voltage direct current source 17 by means of a resistor 18.

Le dispositif représenté sur la figure fonctionne de la manière suivante. The device shown in the figure operates as follows.

On fait pénétrer dans les tubes 1 par leurs entrées 9 un mélange gazeux à basse pression constitué d'hydrogène moléculaire et d'un gaz neutre tel que l'hélium ou l'argon. De préférence, la pression du mélange gazeux introduit est compris entre 15 et 50 torrs, et la pression partielle du gaz neutre dans le mélange est supérieure à celle de l'hydrogène. Une décharge électrique s'établit dans le mélange gazeux entre les électrodes 4 et 5 chargées par la source 17 à une différence de potentiel élevée. Sous l'effet de cette décharge, l'hydrogène moléculaire est partiellement dissocié ; il se forme dans le mélange de l'hydrogène à l'état atomique et de l'hydrogène moléculaire excité en vibration au niveau 1. La proportion en volume d'hydrogène atomique créé dans le mélange gazeux peut être comprise entre 5 et 10%. La décharge électrique porte le mélange gazeux à une température de l'ordre de 400 à 5000K. A low-pressure gas mixture consisting of molecular hydrogen and a neutral gas such as helium or argon is made to enter the tubes 1 through their inlets 9. Preferably, the pressure of the gas mixture introduced is between 15 and 50 torr, and the partial pressure of the neutral gas in the mixture is higher than that of hydrogen. An electrical discharge is established in the gas mixture between the electrodes 4 and 5 charged by the source 17 at a high potential difference. Under the effect of this discharge, molecular hydrogen is partially dissociated; it is formed in the mixture of hydrogen in the atomic state and molecular hydrogen excited in vibration at level 1. The proportion by volume of atomic hydrogen created in the gas mixture can be between 5 and 10%. The electric discharge brings the gas mixture to a temperature of the order of 400 to 5000K.

Le système de pompage (ou l'enceinte à vide) expulse le gaz contenu dans la chambre 21 ; le mélange gazeux contenant- de l'hydrogène atomique est donc détendu par passage des tubes 2 vers la chambre 21 à travers les tuyères 7 à une vitesse supersonique. Pour éviter la recombinaison des atomes d'hydrogène sur les parois métalliques des tuyères, celles-ci sont de préférence recouvertes d'une couche de polytétrafluoréthylène ou réalisées en une matière céramique. The pumping system (or the vacuum enclosure) expels the gas contained in the chamber 21; the gas mixture containing atomic hydrogen is therefore expanded by passing the tubes 2 to the chamber 21 through the nozzles 7 at a supersonic speed. To avoid the recombination of hydrogen atoms on the metal walls of the nozzles, these are preferably covered with a layer of polytetrafluoroethylene or made of a ceramic material.

On injecte à la sortie des tuyères de l'acide iodhydrique gazeux par les injecteurs 8. Gaseous hydroiodic acid is injected at the outlet of the nozzles by the injectors 8.

L'hydrogène atomique réagit sur l'acide iodhydrique pour former de l'hydrogène moléculaire excité en vibration au niveau 1 ou au niveau 2 et de l'iode atomique au niveau 2P3/2, suivant la réaction (1) H + HI

Atomic hydrogen reacts on hydroiodic acid to form vibrating molecular hydrogen at level 1 or level 2 and atomic iodine at level 2P3 / 2, depending on the reaction (1) H + HI

H2 (v 4 3) + I (2P3/2)
L'énergie d'excitation de l'hydrogène moléculaire est alors transférée à l'iode, de façon à faire monter les atomes d'iode au niveau quantique excité P1/2, suivant la réaction (2) I ( 3/2) + H2 (2)

le (2P1/2) + H2 (O)
La réaction (2) est équilibrée, de sorte qu'il faut une proportion minimale d'hydrogène excité au niveau 2 par rapport à l'hydrogène au niveau fondamental 0 pour obtenir l'inversion de population sur l'iode.Cette proportion minimale varie en fonction de la température du mélange gazeux ; elle est de 3,1% à 2000K, de 9,8S à 3000K et de 17,5% à 4000K.H2 (v 4 3) + I (2P3 / 2)
The excitation energy of molecular hydrogen is then transferred to the iodine, so as to raise the iodine atoms to the excited quantum level P1 / 2, according to the reaction (2) I (3/2) + H2 (2)

the (2P1 / 2) + H2 (O)
The reaction (2) is balanced, so that a minimum proportion of hydrogen excited at level 2 compared to hydrogen at fundamental level 0 is required to obtain the population inversion on iodine. This minimum proportion varies depending on the temperature of the gas mixture; it is 3.1% at 2000K, 9.8S at 3000K and 17.5% at 4000K.

Pour faciliter la création de l'inversion de population, les tuyères du dispositif selon l'invention sont d'un type entratnant une forte détente du mélange gazeux les traversant. La température du mélange gazeux détendu est ainsi de préférence inférieure à 3000K pour une température de 5000K à l'amont des tuyères, la vitesse d'écoulement du mélange dans les tuyères étant voisine de Mach 2. To facilitate the creation of population inversion, the nozzles of the device according to the invention are of a type causing a strong expansion of the gas mixture passing through them. The temperature of the expanded gas mixture is thus preferably less than 3000K for a temperature of 5000K upstream of the nozzles, the flow speed of the mixture in the nozzles being close to Mach 2.

Le mélange gazeux détendu contenant de l'iode excité traverse ensuite la cavité optique résonnante 14-15, ce qui provoque la formation d'un faisceau laser continu 22, par descente des atomes d'iode du niveau 2P 1/2 au niveau 2P3,2 Le faisceau continu 22 sortant du miroir partiellement transparent 15 a une longueur d'onde de 1,315 micron. The expanded gas mixture containing excited iodine then crosses the resonant optical cavity 14-15, which causes the formation of a continuous laser beam 22, by descent of the iodine atoms from level 2P 1/2 to level 2P3, 2 The continuous beam 22 leaving the partially transparent mirror 15 has a wavelength of 1.315 microns.

A titre indicatif, la pression totale du mélange gazeux à l'amont des tuyères est de 20 torrs. Le gaz neutre est l'hélium et le mélange gazeux contient en volume 15% d'hydrogène moléculaire et 85S d'hélium. As an indication, the total pressure of the gas mixture upstream of the nozzles is 20 torr. The neutral gas is helium and the gas mixture contains by volume 15% of molecular hydrogen and 85S of helium.

Les tubes à décharge ont un diamètre de 1 centimètre et une longueur de 20 centimètres environ. La différence de potentiel entre les électrodes est comprise entre 3 et 5 kilovolts et le courant de la décharge électrique est compris entre 50 et 100 mA par tube. La vitesse d'écoulement du mélange gazeux 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 respectifs sont de 100% et de 97% à la longueur d'onde de 1,315 micron.The discharge tubes have a diameter of 1 cm and a length of about 20 cm. The potential difference between the electrodes is between 3 and 5 kilovolts and the electric discharge current is between 50 and 100 mA per tube. The flow speed of the gas mixture in the nozzles is between Mach 1.5 and Mach 2. The two reflectors of the laser cavity are mirrors with dielectric layers whose respective reflection coefficients are 100% and 97% at the wavelength of 1.315 micron.

Dans ces conditions, la puissance laser spécifique est d'environ 1000 Watts pour un débit d'hydrogène moléculaire de 1 mole/seconde. Under these conditions, the specific laser power is approximately 1000 Watts for a molecular hydrogen flow rate of 1 mole / second.

Le rendement électrique (quotient de l'énergie laser par lténergie d'excitation) est de l'ordre de 1 à 2% et le coefficient d'amplification dans la cavité est supérieur à 0,1% par centimètre.The electrical efficiency (quotient of laser energy per excitation energy) is of the order of 1 to 2% and the amplification coefficient in the cavity is greater than 0.1% per centimeter.

Le laser selon la présente invention peut être appliqué à la réalisation de radars optiques ou de dispositifs de télémètrie par détection heterodyne. The laser according to the present invention can be applied to the production of optical radars or range finding devices by heterodyne detection.

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, remplacer certains moyens par des moyens équivalents. Of course, the invention is in no way limited to the embodiments described and shown which have been given only by way of example. In particular, it is possible, without departing from the scope of the invention, to replace certain means by equivalent means.

Claims

1 / Process for creating a laser beam with a wavelength of 1,315 microns, consisting of - forming atomic hydrogen in a gas mixture consisting of molecular hydrogen and a neutral gas, - relaxing the gas mixture containing l atomic hydrogen by passing through nozzles at supersonic speed, - injecting gaseous hydroiodic acid at the outlet of the nozzles in the direction of flow of the mixture, this acid reacting with atomic hydrogen to form hydrogen molecular excited in vibration and atomic iodine at the quantum P3 / 2 level, the excitation energy of this molecular hydrogen being then transferred to the iodine so as to raise the iodine atoms from the P3 / 2 level to level P1 / 2, - and passing the gas mixture leaving the nozzles and containing the iodine at level P1 / 2, inside a resonant optical cavity perpendicular to the axis of this cavity, to obtain the exit from the cavity é said laser beam of wavelength 1.315 micron by descent of the iodine atoms from level P1 / 2 to level P3 / 2, characterized in that the formation of atomic hydrogen in the gaseous mixture of molecular hydrogen and gas neutral is obtained by subjecting this mixture to a high voltage electrical discharge, the laser beam leaving the cavity being a continuous beam.

2 / A method according to claim 1, characterized in that the expansion of the gas mixture is strong enough for the temperature of the expanded gas mixture to be less than 3000K.

3 / A method according to claim 1, characterized in that the neutral gas is selected from the group consisting of helium and argon.

4 / A method according to claim 1, characterized in that the gas mixture consisting of molecular hydrogen and neutral gas is at a pressure less than 50 torr.

5 / A method according to claim 1, characterized in that the partial pressure of the neutral gas in the gas mixture is greater than that of molecular hydrogen.

6 / Device for creating a laser beam of wavelength 1.315 micron, comprising - a group of nozzles, - means arranged upstream of the nozzles to form atomic hydrogen in a gas mixture consisting of molecular hydrogen and of a neutral gas, - means for passing the gaseous mixture containing atomic hydrogen through the nozzles so as to expand this mixture, - means for injecting gaseous hydroiodic acid into the gaseous mixture leaving the nozzles so as to form excited atomic iodine in this mixture - and a resonant optical cavity arranged downstream of the nozzles perpendicular to the direction of the gas flow to be traversed by the gas mixture containing excited atomic iodine, characterized in that - said means for forming atomic hydrogen in the gas mixture comprise two electrodes arranged upstream of each nozzle and connected respectively to two terminals of a high voltage electric current source, the two electrodes being arranged at a mutual distance sufficient to create a continuous electric discharge in the gaseous mixture of molecular hydrogen and neutral gas.

7 / Device according to claim 6, characterized in that it further comprises cylindrical tubes arranged upstream of the nozzles to conduct the gas mixture at the inlet of the nozzles and that the two electrodes are annular and arranged coaxially, respectively at the inlet and outlet of each tube.

8 / Device according to claim 6, characterized in that, said means for injecting gaseous hydroiodic acid into the gaseous mixture leaving the nozzles comprise a plurality of injectors disposed downstream of the throat of the nozzles, these injectors being oriented so that the injection of hydroiodic acid takes place in parallel and in the direction of the gas flow in the nozzles, these injectors being connected by pipes to a source of gaseous hydroiodic acid.

9 / Device according to claim 6, characterized in that said means for passing the gas mixture containing atomic hydrogen through the nozzles comprise downstream of the resonant optical cavity, a diffuser followed by means for creating a gas depression.

10 / Device according to claim 6, characterized in that the nozzles are made of a ceramic material.

11 / Device according to claim 6, characterized in that the nozzles are made of a metal and covered with a layer of polytetrafluoroethylene.