ÉTUDE DE LA DÉCHARGE DU LASER HCN CONTINU, OPTIMISATION DES PARAMÈTRES ET LOIS D'ÉCHELLE. RÉALISATION PRATIQUE ET APPLICATIONS

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ÉTUDE DE LA DÉCHARGE DU LASER HCN CONTINU, OPTIMISATION DES PARAMÈTRES ET

LOIS D’ÉCHELLE. RÉALISATION PRATIQUE ET APPLICATIONS

P. Belland, D. Véron, L. Whitbourn

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P. Belland, D. Véron, L. Whitbourn. ÉTUDE DE LA DÉCHARGE DU LASER HCN CON- TINU, OPTIMISATION DES PARAMÈTRES ET LOIS D’ÉCHELLE. RÉALISATION PRA- TIQUE ET APPLICATIONS. Journal de Physique Colloques, 1975, 36 (C6), pp.C6-41-C6-47.

�10.1051/jphyscol:1975609�. �jpa-00216413�

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JOURNAL DE PHYSIQUE Collogue C6, supplément au no 11, Tome 36, Novembre 1975, page C6-41

ÉTUDE DE LA DÉCHARGE DU LASER HCN CONTINU, OPTIMISATION DES PARAMÈTRES ET LOIS D'ÉCHELLE.

RÉALISATION PRATIQUE ET APPLICATIONS (*) P. BELLAND, D. VÉRON et L. B. WHITBOURN (**)

Association EURATOM-CEA sur la fusion

Département de Physique du Plasma et de la Fusion Contrôlée C. E. N., B. P. 6, 92260 Fontenay-aux-Roses, France

Résumé. - Le milieu amplificateur du laser HCN continu est étudié en vue de l'augmentation de la puissance spécifique émise à 337 p. La température optimale du gaz (mélange d'azote, de méthane et d'hélium) est voisine de 1 000 K. L'influence relative de l'effet Doppler et des collisions sur l'élargissement de la raie laser est déterminée expérimentalement. Dans les conditions normales de fonctionnement, l'effet des collisions est dominant et les relations connues pour les milieux amplificateurs dont l'élargissement de la raie est homogène sont applicables. Par ailleurs, il est montré que l'intensité de saturation varie, comme le coefficient de gain, proportionnellement à l'inverse du diamètre du tube à décharge. Il résulte que la puissance maximale croît lorsque le dia- mètre du tube diminue, jusqu'à une limite imposée par l'augmentation des pertes par diffraction.

Cependant, l'utilisation du tube à décharge comme guide d'onde diélectrique permet de réduire considérablement ces pertes, et, par conséquent, d'améliorer de façon notable la puissance spéci- fique. Des lois d'échelle pour les lasers HCN continus sont déduites des considérations précédentes.

Un laser de 5 cm de diamètre, dont la décharge a 2 m de long, construit en application de ces lois d'échelle, a fourni une puissance de 100 mW. Il présente une puissance spécifique encore jamais atteinte, à notre connaissance, pour ce type de laser. Des méthodes expérimentales originales applicables à d'autres lasers submillimétriques ont été développées pour la mesure de la densité électro- nique du plasma laser, ainsi que du coefficient de gain et des pertes de la cavité. L'étude des modes du laser guide d'onde a été effectuée avec l'aide d'une caméra à cristaux liquides. Les problèmes technologiques liés à la stabilité de la puissance et à la fiabilité à long terme sont également résolus.

Des applications de ce laser seront présentées.

Abstract. - The amplifying medium of the CW 337 ri HCN gas laser has been studied, with the aim of increasing the output power per unit volume for discharge excited mixtures of nitrogen, methane and helium. The relative contributions of the Doppler effect and collision broadening to the width of the laser transition have been measured for a range of operating pressures. For optimum conditions, corresponding to a neutral gas temperature of about 1 000 K and gas pressures of the order of 1.5 torr, the line broadening is collision dominated so that laser performance may be pre- dicted using formulae for homogeneously broadened laser lines. Measurements of the gain and saturation intensities in optimized gas mixtures in tubes of various diameters have shown that both these parameters Vary as the inverse of the tube diameter. It follows that the maximum power increases with decreasing tube diameter up to a limit imposed by increasing diffraction losses. It has been found however, that the pyrex discharge tube may be used as a dielectric waveguide thereby reducing these losses and increasing the power to volume ratio of the laser. Scaling laws for CW waveguide HCN lasers have been deduced from these results and following these laws a 5 cm diameter laser with a 2 cm long discharge has been built. It gives an output power of 100 mW, the largest power to volume ratio so far reported for a CW HCN laser. Technical problems relating to reliability and power stability have been solved. A study of the modes of the 100 mW wavegui,de laser has been made using a liquid crystal camera. In the course of these studies new experimental niethods have been developed for measuring the electron density of the laser plasma, the gain coefficient and the cavity losses and these methods could be applied to other submillimetre lasers. Appli- cations of such lasers will be presented.

1. Introduction. - L'obtention de puissances rela- l'optimisation des divers paramètres de ce type de lasers tivement élevées à l'aide de lasers H C N conduit géné- en vue de l'augmentation de la puissance spécifique ralement à la construction d'appareils très volumi- émise à 337 p.

neux [l]. Les études présentées ici ont Pour but L'appareillage utilisé est schématisé figure 1. La double paroi du tube à décharge permet de stabiliser sa (*) Ce travail recouvre en partie une thèse de doctorat soutenue

par P. Belland, le 3 nov. 1975, Paris VI. température à une valeur déterminée, grâce à une

(**,

.

^,Adresse actuelle : School of Phvsics. ^v ^, universitv of circulation d'huile. Les entretoises en silice, régulées en Sydney, N. S. W. Australia ^2006. température par une circulation d'eau, maintiennent

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1975609

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C6-42 P. BELLAND, D. VÉRON, L. B. WHITBOURN

O Redresseur

-

Entretoises de silice ~ o A p e

réguiées en température Fa~sceou

I L

^L__^_^.

J

^I

FIG. 1. - Schéma d'un laser HCN stabilisé. La longueur de la décharge est désignée par L et celle de la cavité par Lc.

constante la distance entre les miroirs. La décharge est produite dans un mélange de méthane, d'azote et d'hélium à l'aide d'une alimentation stabilisée en courant [2].

2. Température de la paroi et du gaz. - Il a été établi que la température de la paroi du tube à décharge affecte fortement la puissance du laser (Fig. 2). La valeur optimale T, de la température varie avec la composition du gaz. En particulier T, augmente lorsque le mélange gazeux (azote et méthane) est dilué dans l'hélium. Par un choix judicieux des proportions, la puissance maximale n'est pas affectée. Cette observa- tion est d'une grande importance pratique. En effet, l'habituel dépôt de polymère, qui limite la durée de fonctionnement à quelques heures, ne se forme plus pour T, 2 450 K. Il est ainsi possible de maintenir un fonctionnement continu et stable du laser.

Tube Laser de 5 cm

E [N~]:[CH, ] : [ ~ e ] = 1: 2:0

TEMPERATURE DE LA PAROI ( K )

FIG. 2. - Variation de la puissance laser en fonction de la

température de la paroi, pour un tube de 5 cm de diamètre et un mélange d'azote et de méthane.

La distribution radiale de la température du gaz a aussi été mesurée dans différentes conditions à l'aide d'un thermo-couple. La figure 3 représente les courbes obtenues pour deux compositions différentes du gaz, dans un tube de 5 cm de diamètre. La puissance injectée

-1 O 1

Rayon normalisé

FIG. 3. - Distribution radiale de la température du gaz pour deux mélanges de composition différente.

dans la décharge ainsi que la température de la paroi ont été ajustées afin d'obtenir le maximum de puissance laser. Il est clair que la température du gaz au centre est sensiblement la même (925

+

25 K). Le même résultat a été obtenu dans un tube de 10 cm de dia- mètre. La valeur trouvée correspond probablement à un compromis entre la température conduisant à une inversion maximale et celle qui entraîne une destruction complète de la molécule HCN.

3. Largeur de la raie laser. - La largeur de la raie laser est déterminée essentiellement par l'effet Dop- pler (élargissement inhomogène AvD) et par les collisions (élargissement homogène Av,). La contribution relative des deux types d'élargissement a pu être déter- minée expérimentalement [31 en utilisant une cavité résonnante à faibles pertes contenant une décharge de longueur variable. Pour chaque longueur L de la décharge, la largeur de la raie laser est déduite de celle des pics de l'interférogramme obtenu par déplacement de l'un des miroirs. L'application de la théorie aux résultats a fourni les valeurs de Av, et Av,, compte tenu de la largeur de bande du résonateur (0,3 MHz) et de l'effet Doppler déduit de la température du gaz. La figure 4 représente la variation de AvD, Av, et Av, (largeur totale) en fonction de la pression. Il est essen- tiel de noter que les largeurs AvD, Av, et Av, sont des caractéristiques du milieu actif lui-même. La largeur de bande de la radiation émise par un laser donné, liée à la qualité du résonateur, est beaucoup plus faible.

Bien que l'effet Doppler soit relativement important, sa contribution à la largeur totale devient très faible pour les valeurs élevées de la pression, qui corres- pondent, en fait, au fonctionnement optimal du laser.

La théorie de Lamb prédit que la saturation du gain se comporte de façon pratiquement homogène dès que

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LOIS D'ÉCHELLE DES LASERS HCN CONTINUS C6-43

Av,

<

Av,. Or, la puissance P du laser est donnée par Les résultats expérimentaux (Fig. 5) montrent sans

la relation [4] ambiguïté que P varie linéairement avec L (donc

a = 1) ce qui confirme bien que l'effet des collisions P ⁼t . I . S [ ( - q U a + t - 11 (cas homogène) est dominant. La conséquence pratique de ce résultat est la possibilité d'utiliser la où t est le coefficient de couplage, I l'intensité de satu- relation

ration, S la section du faisceau, go le coefficient de

P ⁼

I.s(JZL

-

J i ) 2 ,

I I I I I I

-

Contribution h o m o g è n e

-

qui donne la puissance maximale d'un laser dont l'élar- gissement de la raie est homogène [4].

4. Mesure du coefficient de gain et des pertes de la cavité. - Le coefficient de gain go et les pertes a de la cavité peuvent se mesurer en utilisant les formules relatives aux milieux amplificateurs homogènes. La méthode utilisée ici est basée sur la mesure de la largeur du profil de gain, déduite de l'interférogramme laser en fonction du coefficient de couplage [5]. En régime stationnaire, il apparaît que

t = g o L P - a ,

où a représente les pertes de la cavité et

P

une fonction de la largeur du profil de gain et de t. La pente de la droite t = f (P) donne la valeur de go L et l'ordonnée à l'origine a.

Le coefficient go mesuré pour des tubes de diamètres d différents varie linéairement avec d - 1 (Fig. 6 ) . De

PRESSION ( t o r r ) -

FIG. 4. - Largeur de la raie laser à 337 p en fonction de la + E o,z -

pression.

-

^a

-

gain, L la longueur du milieu amplificateur et a la E

c 41- -

somme des pertes de la cavité. L'exposant a est égal à 1 w pour le cas homogène, et 2 pour le cas inhomogène.

-

/*

Inverse du diamètre (cm-')

FIG. 6. - Variation du coefficient de gain en fonction du

diamètre d du tube à décharge.

LT -

W cn -

4

-

$ 5 0 - z -

4 cn - L 3 -

n Y 200

I I 1 I

O 5 O 100 150 200

LONGUEUR DE LA DECHARGE ( C m ) Ô,? ^0,z ^'23 Ôh ôi

Inverse du diamètre (cm-')

FIG. 5. - Variation de la puissance laser en fonction de la

longueur de la décharge établie dans une cavité fixe, à l'aide d'une FIG. 7. - Variation de l'intensité de saturation en fonction série d'électrodes disposées le long du tube. du diamètre d du tube à décharge.

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C6-44 P. BELLAND, D. V É R ~ 3N, L. B. WHITBOURN même, l'intensité de saturation, déduite des mesures

de la puissance extraite, varie aussi comme d-' (Fig. 7).

Le coefficient a dépend du montage utilisé et est géné- ralement compris entre 0,01 et 0,03.

5. Effet de guide d'onde du tube à décharge. - Pour obtenir la valeur maximale du produit I.S, il est souhaitable de rendre S aussi grand que possible pour un tube de diamètre donné. Cette condition est réalisée lorsque le diamètre du faisceau intérieur à la cavité est limité par le tube lui-même qui se comporte alors comme un guide d'onde. Dans ce cas, S est propor- tionnel à d Z , et 1.S = kd, où k est un coefficient qui tient compte de Ia distribution radiale de l'intensité du faisceau. L'effet guide d'onde introduit dans la cavité une perte qui varie, dans le vide, comme ~ . d - ~ [ 6 ] . Le coefficient de perte a se décompose alors en deux termes : a , qui représente les pertes de guide d'onde et a, qui est la somme de toutes les autres pertes.

Le calcul de a , pour un guide d'onde vide ne peut s'appliquer directement au tube laser que si les phé- nomènes de réfraction, dus au gradient radial de densité électronique, sont assez faibles. Or, l'angle de réfraction d'un faisceau d'onde e. m., étant propor- tionnel au carré de la longueur d'onde, peut être important dans le cas des lasers submillimétriques.

C'est pourquoi une mesure de la densité électronique a dû être effectuée.

La méthode de mesure de la densité, décrite ici, utilise le fait que la largeur de la raie laser est plus petite que l'écart en fréquence de deux modes d'oscillation de la cavité. Elle consiste à mesurer le déplacement de l'un des miroirs de la cavité nécessaire pour compen- ser la variation de la longueur optique provoquée soit par la variation de longueur de la décharge ou de l'intensité du courant d'excitation [7]. Cette compensa- tion est réalisable pratiquement ; un faible changement de longueur optique suffit à décaler sensiblement la fréquence de résonance de la cavité du centre de la raie émise par la molécule HCN.

Le résultat des mesures représenté figure 8 pour un tube de 5 cm de diamètre montre que la densité ne varie linéairement avec l'intensité du courant. Les conditions optimales de fonctionnement sont résumées dans le tableau 1.

Diamètre 10 cm 5 cm

- - -

Pression 1,l torr 1,5 torr

Courant 2 A 1,3 A

Densité 0,8 x 10" cm- 2 x 10'' cm-3

L'angle de réfraction dû au gradient radial de den- sité [8] est de l'ordre de 5 x radian'par mètre de longueur, dans le cas du tube de 5 cm de diamètre. Cet angle est assez faible et l'effet de réfraction sera négligé dans l'évaluation des pertes de guide d'onde.

m

E

=

U ²

E

-

aï Z al 3 u .-

8 + L

u

.z

aï 1

'aï

M .-

rn C al TJ

1 2

courant I ( A )

FIG. 8.

-

Densité électronique du plasma laser en fonction

du courant et de la pression.

Diamètre d (cm)

FIG. 9. - Réseau de courbes donnant la puissance d'un laser

HCN guide d'onde en fonction du diamètre d du tube pour trois valeurs du coefficient de perte ^a2et de la longueur L de la

décharge.

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LOIS D'ÉCHELLE DES LASERS HCN CONTINUS C6-45

Le calcul du coefficient a a été effectué en pre- mission est de 0,07. Cette grille permet l'extraction de nant pour indice complexe du pyrex la valeur la puissance laser. Le système de couplage représenté y = 2,55

+

0,25 i extrapolée à partir des données

publiées [9].

6 . Lois d'échelles. - La variation de la puissance maximale P, en fonction du diamètre d du tube laser, peut dès lors être calculée à partir des données numé- riques précédemment déterminées et résumées ci- dessous :

a , = 0,01 ; 0'02 ; 0,03 I . S = k d .

La figure 9 représente les courbes obtenues pour des valeurs de L de 1, 2 et 3 m. Le point expérimental A correspond'au laser de 100 mW décrit plus loin et pour lequel a, = 0,02.

C'est ce point qui a permis de graduer l'axe des ordonnées en valeur absolue et de lever l'indétermina- tion due au coefficient k. Le point B correspond à un laser ayant pour dimensions L = 1 m et d = 5 cm, et un coefficient a, = 0,02. La puissance effectivement mesurée, égale à 30

+

3 mW, est très voisine de la valeur théorique définie par la courbe correspondante.

Il est clair qu'il existe une valeur optimale du dia- mètre d pour chaque couple de valeur L et a,. La variation de la puissance maximale P en fonction de la longueur L est représentée figure 10 pour a, = 0,02.

Cathode

1

I ^I

FIG. 11. - Schéma du laser guide d'onde de 100 mW.

figure 1 a aussi été utilisé et, dans les deux cas, la puissance extraite est égale à 100

*

10 mW. La valeur de la puissance spécifique est la plus élevée obtenue à ce jour dans un laser HCN continu.

Huit modes d'oscillation ont été identifiés et corres- pondent a la théorie des guides d'onde diélectri- ques [6], [IO]. Une-étude qualitative des modes les plus puissants a été effectuée à l'aide d'une caméra à cristaux liquides [ I l ] (Fig. 12). La propagation du mode EH,, dans l'espace a été étudiée. Il s'avère que, à partir d'une distance supérieure à 4 m, le mode EH,, se propage, avec une très bonne approximation, comme un faisceau gaussien (Fig. 13). La distance de O à 4 m correspond à une zone de transition entre le profil de Bessel à l'intérieur du guide d'onde et le profil de Gauss à grande distance.

Longueur de La décharge (m) LOIS D'ECHELLE POUR LASERS HCN CONTINUS

FIG. 10. ^-Lois d'échelle.

7. Laser guide d'onde de 100 mW. - Le tube à décharge de ce laser a une longueur de 2,4 m et un diamètre de 5 cm. L'un des réflecteurs de la cavité est un miroir plan situé à quelques millimètres de l'extré- mité du tube. L'autre réflecteur est constitué par une grille métallique (Fig. 11) dont le coefficient de trans-

v ¹ ^I ¹ ¹ ¹ ^I I

O 2 1 6 8 10 12

Distance (rn) PROPAGATION DU MODE EHll

FIG. 13. - Propagation dans l'espace du faisceau (mode EH ^{1 1)} extrait du laser guide d'onde. L'origine des distances est dans

le plan de la grille.

(7)

FIG. 12.

-

Distribution radiale de l'intensité de trois modes d'oscillation du laser guide d'onde obtenus en déplaçant un détecteur normalement à l'axe du faisceau, et photographies correspondantes réalisées à l'aide d'une caméra a cristaux liquides. a) Profils expérimentaux, b) distribution du champ électrique, c) photographies de la section du faisceau.

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LOIS D'ÉCHELLE DES LASERS HCN CONTINUS ^C6-47 8. Conclusion et applications. - Les sources de

rayonnement cohérent, de puissance notable, sont rares dans le domaine des ondes submillimétriques.

Le laser à acide cyanhydrique constitue une telle source, et les perfectionnements récents qui ont permis de réaliser des appareils peu encombrants devraient permettre d'étendre son domaine d'utilisation. La régulation 'en température de l a paroi du tube à décharge, qui évite le dépôt de polymère, et des entretoises en silice de la cavité, assure une excellente stabi- lité à long terme de la puissance. L'utilisation d'un mélange gazeux contenant de l'hélium, associée à l'emploi d'une cathode chaude en tantale, permet d'obtenir une décharge striée stable, qui est une condition nécessaire pour rendre maximum le rapport signal sur bruit de la puissance extraite.

L'emploi de ce laser comme moyen d'investigation des plasmas constitue une importante application. En particulier, la longueur d'onde.de 337 p est bien adap- tée à la mesure de la densité électronique des plasmas pour l'étude de la fusion contrôlée 1121 ou des ondes de chocs.

' Ce laser peut aussi constituer un oscillateur local pour la détection hétérodyne en radio-astronomie et pour les mesures précises de la vitesse de la lumière.

Remerciements. - Les auteurs remercient M. C.

Etiévant pour son soutien tout au long de ce travail, ainsi que L. Beau-villiers, J. Certain, N. Dovo et M. Malingre pour la qualité de leur collaboration technique.

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