Mon premier Laser TEA CO2 construit en 1975

Ce laser se compose d’une enceinte en plexiglass muni de 2 électrodes de Rogowski distante de 12 mm et de 30mm de large. Il est muni d’un système de pré-ionization du type Pearson  et Lamberton composé de 2 fils en acier inoxydable de 0.2 mm de diamètre couplé sur 4 condensateurs de 500 pF /30 kV. Ce système permet une décharge homogène dans un gaz à pression atmosphérique !

Fraises servant à fraiser le profil des électrodes de décharge en aluminium sablé.

Décharge dans le gaz sans iso-propylamine un arc se forme en fin de décharge !

Décharge homogène grace à 2ppm d’iso-propylamine dans le gaz. On vois le claquage diélectrique de l’air à droite !

Fin de la décharge homogène sans additif avec un arc. On vois la claquage diélectrique de l’air !

Arcs électrique durant la décharge principal donc pas de pompage laser et pas de claquage diélectrique de l’air !

Formation d’une multitudes de micro-streamer et décharge homogène (glow) donc pompage du gaz .

MODIFICATION DU CIRCUIT DE DECHARGE

Essai pour obtenir une décharge plus homogène et éviter les arcs entre les 2 électrodes de décharge.
J’ai monté un condensateur de 20nF/50kV aux bornes de l’éclateur de manière à avoir une montée en courant plus importante et une tension également plus grande.

Ce que l’on voit

1. La tête laser

Au centre se trouve le tube de décharge :

  • Volume actif : 15 × 15 × 400 mm
  • Volume ≈ 0,09 L
  • Mélange gazeux :
    • 3 He
    • 1 N₂
    • 1 CO₂
    • 5 ppm d’isopropylamine

On distingue clairement :

  • les électrodes longitudinales
  • la décharge bleutée dans le gaz
  • les fenêtres optiques aux extrémités
  • les connexions haute tension

2. Le spark-gap

À droite est indiqué sparkgap.

Il s’agit d’un interrupteur haute tension extrêmement rapide qui :

  1. charge le condensateur principal à 30 kV ;
  2. se déclenche ;
  3. injecte l’énergie dans la décharge en quelques dizaines de nanosecondes.

C’est le cœur du générateur d’impulsions TEA.

3. La lentille

À droite figure une lentille ZnSe.

Elle sert à :

  • focaliser le faisceau CO₂ à 10,6 µm ;
  • augmenter la densité de puissance ;
  • produire le claquage de l’air (« air breakdown »).

4. Le plasma dans l’air

À l’extrême droite :

  • le point lumineux intense est un plasma atmosphérique ;
  • la légende indique « air breakdown ».

La puissance instantanée du laser est suffisamment élevée pour ioniser l’air au foyer.

Paramètres indiqués

Tension de charge :

Uc = 30 kV

Capacité principale :

C = 20 nF

Condensateur de peaking :

Cp = 2 nF

Miroir arrière :

Mt = 99,5 %

Rayon de courbure :

R = 2 m

Miroir de sortie :

Ms = 60 % R

où R signifie réflectivité.

Énergie stockée

L’énergie stockée dans le condensateur principal vaut :

E=12CV2E=\frac{1}{2}CV^2

Avec :

  • C = 20 nF
  • V = 30 kV

on obtient :

E ≈ 9 J

Le rendement typique d’un TEA CO₂ est de 10 à 20 %.

Une impulsion de :

  • 0,8 à 1,5 J

est donc cohérente avec l’inscription « 1 Joule ».

Performances estimées

Pour un TEA CO₂ de cette taille :

Paramètre Valeur typique
Longueur d’onde 10,6 µm
Énergie impulsion ~1 J
Durée impulsion 50 à 150 ns
Puissance crête 10 à 20 MW
Divergence quelques mrad
Cadence 1 à quelques dizaines de Hz

Si l’impulsion dure 100 ns :

P=EtP=\frac{E}{t}

Avec 1 J en 100 ns :

Puissance crête ≈ 10 MW.

Pourquoi ajouter de l’isopropylamine ?

L’isopropylamine est un additif classique dans les lasers TEA.

Elle améliore :

  • la préionisation du gaz ;
  • l’homogénéité de la décharge ;
  • la stabilité de fonctionnement ;
  • le rendement énergétique.

Quelques ppm suffisent.

Principe physique

Le fonctionnement est :

  1. le condensateur principal est chargé à 30 kV ;
  2. le spark-gap se déclenche ;
  3. la préionisation rend le gaz conducteur ;
  4. une décharge uniforme apparaît entre les électrodes ;
  5. les molécules d’azote sont excitées ;
  6. elles transfèrent leur énergie au CO₂ ;
  7. une inversion de population apparaît ;
  8. l’oscillation laser démarre dans la cavité ;
  9. une impulsion infrarouge de 10,6 µm est émise.

Applications typiques

Recherche plasma

  • déclenchement de plasmas atmosphériques
  • études de claquage électrique
  • diagnostics optiques

Spectroscopie

  • absorption infrarouge
  • analyse de gaz

Interaction laser-matière

  • ablation
  • perçage
  • chauffage rapide

LIDAR infrarouge

  • télémétrie
  • mesure atmosphérique

Physique des hautes puissances

  • génération de plasmas
  • sources térahertz
  • expériences de déclenchement d’étincelles

Ce qui est particulièrement remarquable sur cette photo est que l’on voit simultanément :

  • la décharge TEA dans le laser,
  • le système de commutation haute tension,
  • la focalisation du faisceau,
  • et le claquage de l’air produit par une impulsion d’environ 1 Joule, ce qui démontre une puissance crête de plusieurs mégawatts.