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

Résumé
Le milieu amplificateur du laser HCN continu est étudié en vue de l'augmentation de la puissance spécifique émise à 337 µ. 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 diamètre 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 spécifique. 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 électronique 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 µ 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 predicted 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 waveguide laser has been made using a liquid crystal camera. In the course of these studies new experimental methods 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. Applications of such lasers will be presented.