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Submitted on 1 Jan 1968
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DÉCHARGES LASER DANS LES GAZ
V. Chalmeton
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V. Chalmeton. DÉCHARGES LASER DANS LES GAZ. Journal de Physique Colloques, 1968, 29 (C3), pp.C3-100-C3-102. �10.1051/jphyscol:1968325�. �jpa-00213563�
JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C 3, supplément au no 4, Tome 29, Avril 1968, page C 3 - 100
DÉCHARGES LASER DANS LES GAZ
Groupe de Recherche de l'Association Euratom-C. E. A. sur la Fusion, 92-Fontenay-aux-Roses
Résumé. - Nous avons étudié l'influence des paramktres du laser sur le phénomkne d'initiation de la décharge laser dans les gaz. Le seuil défini par la puissance pour laquelle apparait l'absorp- tion croît avec l'énergie. II varie assez peu avec la durée proprement dite de l'impulsion, par contre la longueur de la cavité a une importance considérable. Par ailleurs on obtient de très notables variations erratiques suivant la constitution de la cavité. 11 semble donc que la structure du faisceau et spécialement la répartition entre les divers modes du résonateur soit une des caractéristiques importantes du processus de décharge.
Absîract. - We have studied the influence of the laser parameters on the initiation of light- induced discharges in gases. The threshold, that is the power at which absorption appears, increases with energy. No variation can be seen with the duration of the light pulse ; on the other hand the length of the cavity is very important. Considerable random variations can be seen according to the design of the cavity. The structure of the beam and specially the different modes of the resonator seems to be of great importance on the breakdown process.
Dans la série d'expériences qui sont décrites, ci-après, nous nous proposons d'essayer de définir les causes principales du mécanisme initiateur du processus d'avalanche dans le cas de la décharge provoquée par la focalisation d'un faisceau laser déclenché dans un gaz à moyenne ou haute pression. Ici nous nous proposons d'étudier plus particulièrement les para- mètres propres au laser lui-même. L'étude des para- mètres particuliers au gaz ct à l'évolution de la décharge a fait l'objet de nombreuses publications en parti- culier celles indiquées en références 111, [2], [3], 141, r51, 161.
1. Dispositif expérimental. - II est analogue à celui décrit dans les communications [ l ] et [2]. La chambre contenant le gaz testé et le système focalisant est en acier et a des hublots de quartz. La pression peut varier de 0,01 à 100 kg/cm2. Un système de vannes permet à l'aide d'une pompe à vide et de bouteilles de gaz comprimé de faire varier nature et pression du gaz. Le laser est un laser CGE à verre dopé au néodyme (1, = 1,06 p, Pm,, cz 35 MW, durée de l'impul- sion T% = 40 ns). Le faisceau de sortie a un diamètre de 10 mm ct une divergence de 2 x rd. La répar- tition de l'énergie dans le faisceau est inégaleet variable avec l'éncrgie. La longueur L de la cavité peut varier de 30 à 140 cm. Le prisme de déclenchement est monté soit sur un moteur électrique (N = 300 tls) soit sur une turbine à air comprimé (200 t/s ,< N ,< 800 t/s).
L'intensité laser est relevée en amont et en aval de la chambre par des cellules photoélectriques rapides
(C. S. F. DA 24-75). L'ensemble se présente comme indiqué sur la figure 1.
II. Variations de l'énergie. - On opère avec une cavité de 80 cm et on fait varier la puissance de sortie en augmentant l'énergie de pompage du barreau.
Quels que soient le gaz et la pression, le phénomène présente la même allure : jusqu'à une certaine puis- sancc P , aucun phénomène apparent ne se produit ; à partir de P, apparaît une absorption brutale (durée < 1 ns) et pratiquement totale. Si on augmente la puissance, le niveau P , où apparaît la chute demeure stationnaire, puis croît. Pour une puissance suffi- sante P, variable suivant le gaz et la pression, P, diminue et en même temps l'absorption cesse d'être totale (80 à 90 %) et le temps de chute diminue. Ces résultats sont schématisés sur la figure 2, à rapprocher de ceux de Tomlinson [4].
III. Variations de durée de l'impulsion. - Dans une première expérience, on se propose de modifier la durée de l'impulsion laser en modifiant la vitesse de rotation du prisme monté sur une turbine à air comprimé. On fait varier la vitesse de 200 à 700 t/s, ce qui correspond à une variation de T% de 35 à 70 ns environ. Une première expérience à L = 80 cm ne donne pas de variation sensible du seuil : figure 3.
Dans le but de raccourcir encore l'impulsion on utilise con~iointcment une variation de vitesse de rota- tion du prisme et une variation de longueur de cavité qui devient L = 40 cm (25 ns ,( T% < 50 ns).
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1968325
DÉCHARGES LASER DANS LES GAZ
~ a [ o r i m è t r e D A M
Joulemétre C.5.F
I I
Lame '
. . - . . - - -
--
Prisme
I
Fig. 1 .
FIG. 2. - Argon 1 kglcmz, f -= 10 cm.
Cette expérience fait apparaître une variation importante de P, duc à la modification de L comme on peut le voir sur la figure 3. Notons que le point aberrant L = 40 cm, N = 200 t/s correspond à l'émis- sion de deux impulsions distinctes tant au point de vue du temps que de l'espace.
IV. Variations de la longueur de la cavité. -
Dans ces expériences la vitesse de rotation du prisme est fixée à 300 t/s. Nous opérons dans l'argon à 1 kg/cm2. Une première série d'expériences donne une courbe de seuil présentant un maximum vers L = 80 cm (Fig. 4).
Le barreau de verre dopé au néodyme étant usé,
FIG. 3. - Ps : Puissance de seuil (unitc arbitraire) argon 1 kgjcmz.
on prend un nouveau barreau ce qui donne une courbe notablement différente (Fig. 5).
Après un nouveau changement du barreau et de la lame semi-réfléchissante, on obtient les résultats de la figure 6 .
Notons que dans les opérations aboutissant aux
C 3 - 102 V. CHALMETON
20 il zoo
Ps Seuil en p u i s s a n c e (uriite arbitro're) Tyz ].orgeUr a ml-hauteur
de I !mpuls!on laser(ns) 'C P b r i o d r de modulation d e l impulsion l a s e r (n$
L l o n g u e u r de la cavité (c rn )
I
10 20 30 50 100 200 500 L (cm)
FIG. 4. - Argon 1 kglcmz, focale f -. 100 mm.
P s volts
t
FIG. 5. - Argon 1 kglcmz, f : 100 mm, Ph unité arbitraire.
courbes 5 et 6 on opère de façons notablement diffé- rentes : pour la courbe 5 le barreau reste fixe par rapport au prisme tournant d'axe fixe, tandis que dans la figure 6 le barreau se déplace en même temps que la lame semi-réfléchissante en restant à distance fixe de celle-ci. Notons également que dans ces trois expériences le faisceau laser garde les mêmes caracté- ristiques globales (intensité, divergence, répartition spatiale de la puissance et durée à L = Cte). Par contre la modulation naturelle de l'impulsion laser reste incontrôlable bien que le taux de modulation reste sensiblement constant (e 10 "/,). La période
P s v o l t s
O Point par valeurs croissantes d e L Point par valeurs decroissantes
L c m
5 *
1 O 2 O 5 O 1 O0 20 O
FIG. 6. - Argon 1 kg/cmz, Ps unité arbitraire.
fondamentale correspondant à un aller-retour de la lumière dans la cavité varie proportionnellement à la longueiir de celle-ci. Notons enfin que, à longueur fixée, le déplacement du barreau dans la cavité n'a pas d'influence notable.
V. Conclusion. - Les expériences précédentes et, en particulier, les dernières mettent en évidence le rôle important dc la structure spatiale fine du faisceau laser dans la détermination du seuil et en particulier celui des modes propres à la cavité résonnante. Afin de pouvoir éclaircir ce point, il est indispensable d'étudier plus à fond la structure du faisceau laser et l'influence de la constitution de la cavité résonnante sur cette structure. On cherchera à obtenir des condi- tions reproductibles d'un coup à l'autre et, si possible, à obtenir l'oscillation de la cavité sur un mode unique.
Références
[l] BRETON (C.), CAPET (M.), C H A L ~ I I ~ O N (V.), NGUYEN QUANG (D.), PAPOUI.AR (R.), C. R. Acad. Sciences Paris, 1965.
[2] BRETON (C.), CAPET (M.), CHALMETON ( V ), NGUYEN QUANG (D.), PAPOULAR (R.), J. Physiylte, 1965, 26, p. 490.
[3] MEYERAND (R. G . ) et HAUGHT (A. F.), Phys. Rev.
Lett., 401, 1963.
[4] TOMLINSON (R. G.), J. App. Phys., 36, p. 868, Phi.?.
Rev. Lett. 14, no 13, p. 489.
[5] BERGQUIST (T.) et KLEMAN (B.), Arkiv f: Fysik, p. 177, B. 31, no 13.
[6] S M ~ H (D. C.), HAUGHT (A. F.), Phys. Rev. Letr., 16, na 24, p. 1085, 1966.
