FR3045965A1 - Module d'emission lumineuse a concentration et dispositif laser utilisant un tel module - Google Patents
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Abstract
Selon un aspect, l'invention concerne un dispositif laser comprenant un barreau amplificateur laser solide (20) présentant une bande spectrale d'absorption comprise dans la bande spectrale visible - proche infrarouge et au moins un premier module d'émission lumineuse (10A- 10D) destiné au pompage du barreau amplificateur laser solide. Chaque module d'émission lumineuse comprend un ensemble de diodes électroluminescentes (LED) destinées à émettre un flux lumineux dans une première bande spectrale et un concentrateur de lumière ; le concentrateur de lumière comprend un barreau massif en matériau inorganique fluorescent avec au moins une première surface d'éclairement destinée à recevoir la lumière émise par les LED et une surface émettrice destinée à émettre la lumière de fluorescence vers le barreau amplificateur solide, et dans lequel le rapport entre la surface d'éclairement et la surface émettrice est supérieur à 100.
Description
MODULE D’EMISSION LUMINEUSE A CONCENTRATION ET DISPOSITIF LASER UTILISANT UN TEL MODULE
ETAT DE L’ART
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne un module d’émission lumineuse à concentration, un dispositif laser comprenant un barreau amplificateur laser solide pompé par LED utilisant un module d’émission lumineuse à concentration ainsi qu’une méthode d’émission laser par pompage optique par LED.
Etat de l’art
Aujourd’hui, dans la majorité des dispositifs laser dits « lasers à solide » pompés optiquement, un barreau amplificateur solide reçoit de l’énergie lumineuse d’une série de diodes laser de puissance, réputées bien plus puissantes que les diodes électroluminescentes ou « LED » selon l’abréviation anglo-saxonne « Light-emitting diodes ».
Les progrès récents sur les LED, notamment grâce à l’utilisation massive des LED dans le domaine de l’éclairage, ont toutefois relancé l’intérêt de ces sources pour le pompage optique dans les sources laser. En plus de leur prix extrêmement compétitifs, les LED permettent aujourd’hui d’atteindre des efficacités supérieures à 30% dans le domaine du visible, domaine dans lequel les diodes laser restent chères et fragiles. Récemment, les déposants ont ainsi démontré la faisabilité d’un dispositif laser à solide comprenant un barreau amplificateur en Nd:YVC>4 (orthovanadate d'yttrium dopé aux ions Néodyme) pompé par LED à température ambiante (voir A. Barbet et al., « Revisiting of LED pumped bulk laser : first démonstration of Nd:YV04 LED pumped laser”, Opt. Lett., Vol. 39, n°23, p. 6731, Dec. 2014).
Malgré cela, l’émittance des LED - ou éclairement (définie comme le quotient de la puissance lumineuse par unité de surface) reste limitée du fait de l’émission quasi lambertienne de ces sources. Ainsi, l’émittance est souvent insuffisante pour atteindre les seuils laser de la plupart des amplificateurs laser solides.
Une solution pour augmenter l’émittance des sources dans le but d’un pompage optique d’un matériau laser consiste à utiliser un concentrateur de lumière luminescent. L’article de Ying Yang et al. (« The development of Luminescent Concentrators for pumping Organic
Semiconductor lasers »; Adv. Mater. 2009, 21, 3205 - 3209) décrit ainsi un dispositif laser pompé au moyen d’un concentrateur luminescent dont un schéma de principe est montré sur la FIG. 1. Le dispositif laser 100 comprend une couche mince d’un semi-conducteur organique formant un milieu amplificateur 104, ainsi qu’un concentrateur luminescent formé d’une couche organique 102 déposée sur un substrat en silice 101 et adapté à recevoir de la lumière issue de diodes laser ou de LED, pour le pompage optique du laser à semi-conducteur organique. La cavité laser formée dans le milieu amplificateur 104 est schématisée sur la FIG. 1 par une double flèche verticale, le pompage optique de la cavité étant un pompage transverse. La couche organique 102 est formée d’un film en matériau organique transparent dans lequel sont dispersées des colorants fluorescents 103. Les colorants absorbent la lumière à la surface du film et une partie (1) de la lumière de fluorescence émise est collectée par un processus de réflexion totale interne (« TIR» selon l’expression anglo-saxonne « Total Internai Reflexion») vers un des bords du film. Une partie substantielle (2) de la lumière de fluorescence émise est cependant perdue aux interfaces entre la couche organique 102 et le substrat 101 limitant le gain sur l’émittance (ou facteur de concentration) à des facteurs inférieurs à 10, ce qui ne permet pas un pompage optique par LED satisfaisant.
La présente description propose un concentrateur luminescent présentant un facteur de concentration supérieur à 10, permettant d’atteindre les seuils d’émittance requis pour le pompage d’un barreau amplificateur laser au moyen de LED.
RESUME DE L’INVENTION
Selon un premier aspect, un ou plusieurs exemples de réalisation concernent un dispositif laser comprenant : un barreau amplificateur laser solide présentant une bande spectrale d’absorption comprise dans la bande spectrale visible - proche infrarouge; au moins un premier module d’émission lumineuse destiné au pompage du barreau amplificateur laser solide, chaque module d’émission lumineuse comprenant un ensemble de diodes électroluminescentes (LED) destinées à émettre dans une première bande spectrale et un concentrateur de lumière, le concentrateur de lumière comprenant : o un barreau massif en matériau inorganique fluorescent avec au moins une première surface d’éclairement destinée à recevoir la lumière émise par les LED et une surface émettrice destinée à émettre la lumière de fluorescence vers le barreau amplificateur solide, et dans lequel : o le matériau inorganique fluorescent présente une bande d’absorption présentant un recouvrement non nul avec la bande spectrale d’émission des LED et une bande d’émission présentant un recouvrement non nul avec la bande spectrale d’absorption du barreau amplificateur laser.
Dans la présente description, on appelle bande spectrale visible - proche infrarouge la bande spectrale généralement couverte par les LED, typiquement entre 360 nm et 940 nm.
Les déposants ont montré que le concentrateur de lumière ainsi décrit permet une optimisation du facteur de concentration notamment du fait des faibles pertes subies par la lumière de fluorescence émise dans le barreau en matériau inorganique fluorescent et collectée vers la surface émettrice.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le rapport entre la surface d’éclairement et la surface émettrice est supérieur ou égal à 50, avantageusement supérieur ou égal à 100.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le barreau en matériau inorganique fluorescent présente une forme sensiblement parallélépipédique rectangle, ce qui permet l’agencement de l’ensemble des LED sur au moins une première surface d’éclairement, avantageusement sur deux surfaces d’éclairement.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le barreau en matériau inorganique fluorescent présente une forme sensiblement cylindrique, avec une section circulaire, l’ensemble des LED étant agencé sur tout le pourtour du cylindre qui forme la surface d’éclairement.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif laser comprend au moins un premier module d’émission lumineuse agencé pour le pompage longitudinal du barreau amplificateur laser solide, une face émettrice dudit premier module d’émission laser étant en contact avec une face d’entrée du barreau amplificateur laser solide.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la face émettrice dudit premier module longitudinal est plus petite que ladite face d’entrée du barreau amplificateur laser.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif laser comprend au moins un premier module d’émission lumineuse agencé pour le pompage transverse du barreau amplificateur laser solide.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif laser comprend au moins un deuxième module d’émission lumineuse, agencé dans l’alignement du premier module d’émission lumineuse.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif laser comprend un élément d’adaptation de l’indice de réfraction agencé entre chaque module d’émission lumineuse et le barreau amplificateur laser et/ou entre deux modules d’émission lumineuse agencés dans l’alignement l’un de l’autre, l’élément d’adaptation de l’indice pouvant comprendre un matériau liquide ou solide.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le matériau inorganique fluorescent est du grenat d'yttrium et d'aluminium dopé cérium (Ce : YAG).
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les LED sont des LED dites « à puces retournées », ou « à puces à bosses », autrement appelées « Flip-chip » LED.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le taux de remplissage des LED défini par le rapport entre la surface cumulée d’émission des LED et la surface d’éclairement est supérieur à 50%, avantageusement supérieur à 60%, avantageusement supérieur à 75%.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, l’ensemble des diodes électroluminescentes (LED) sont destinées à émettre un flux lumineux de puissance optique suffisante pour déclencher un processus d’émission spontanée amplifiée à la longueur d’onde de fluorescence, dans le barreau inorganique fluorescent.
Selon un deuxième aspect, un ou plusieurs exemples de réalisation concernent un procédé d’émission laser comprenant : L’émission d’un flux lumineux au moyen d’au moins un premier module d’émission lumineuse, chaque module d’émission lumineuse comprenant un ensemble de diodes électroluminescentes (LED) émettant dans une bande spectrale d’émission donnée et un concentrateur de lumière, le concentrateur de lumière comprenant : o un barreau en matériau inorganique fluorescent avec au moins une première surface d’éclairement recevant la lumière émise par les LED et une surface émettrice émettant une lumière de fluorescence vers un barreau amplificateur solide, et dans lequel : o le matériau inorganique fluorescent présente une bande d’absorption présentant un recouvrement non nul avec la bande spectrale d’émission des LED et une bande d’émission présentant un recouvrement non nul avec la bande spectrale d’absorption du barreau amplificateur laser;
Le pompage du barreau amplificateur laser solide au moyen du flux lumineux émis par le module d’émission lumineuse.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le rapport entre la surface d’éclairement et la surface émettrice est supérieur ou égal à 50, avantageusement supérieur ou égal à 100.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la puissance optique du flux lumineux émis par les LED et reçue par la première surface d’éclairement est suffisante pour déclencher un processus d’émission spontanée amplifiée à la longueur d’onde de fluorescence, dans le barreau inorganique fluorescent.
La présente invention concerne également selon un troisième aspect un concentrateur à émission spontanée amplifiée.
Selon un troisième aspect, un ou plusieurs exemples de réalisation concernent un module d’émission lumineuse pour l’émission de forte émittance dans une bande spectrale d’émission de sortie donnée, comprenant : un ensemble de diodes électroluminescentes (LED) destinées à émettre dans une première bande spectrale d’émission un flux lumineux de puissance optique donnée; et un concentrateur de lumière, comprenant : o un barreau massif en matériau inorganique fluorescent avec au moins une première surface d’éclairement destinée à recevoir le flux lumineux émis par les LED et une surface émettrice destinée à émettre la lumière de fluorescence, et dans lequel : o le matériau inorganique fluorescent présente une bande spectrale d’absorption présentant un recouvrement non nul avec la bande spectrale d’émission des LED ; et dans lequel : la puissance optique du flux lumineux que l’ensemble des LED est destiné à émettre est suffisante pour déclencher un processus d’émission spontanée amplifiée à la longueur d’onde de fluorescence, dans le barreau inorganique fluorescent.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le rapport entre la surface d’éclairement et la surface émettrice est supérieur ou égal à 50, avantageusement supérieur ou égal à 100.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le module d’émission lumineuse selon le troisième aspect est destiné au pompage d’un barreau amplificateur laser solide.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures suivantes : FIG. 1 (déjà décrite), un schéma de principe d’un concentrateur utilisé pour le pompage d’un milieu amplificateur à semi-conducteur organique, selon l’art antérieur ; FIG.2, un schéma d’un exemple de dispositif laser selon la présente description, comprenant une configuration de pompage transverse d’un barreau amplificateur laser solide ; FIGS. 3A à 3C, des schémas montrant différents éléments d’un exemple de module d’émission laser, adapté notamment pour le pompage d’un barreau amplificateur laser solide ; FIG. 4, des courbes illustrant en fonction de la longueur d’onde, l’émission (normalisée) des LED, l’absorption du Ce : YAG, l’émission de fluorescence (normalisée) du Ce YAG, l’absorption du Nd:YV04 ; FIG.5, un schéma d’un exemple de dispositif laser selon la présente description, comprenant une configuration de pompage longitudinal d’un barreau amplificateur laser solide ; FIG 6, un schéma d’un exemple de dispositif laser selon la présente description, comprenant une configuration de pompage à la fois longitudinal et transverse d’un barreau amplificateur laser solide ; FIGS. 7A et 7B, deux schémas d’exemples de dispositif laser selon la présente description, comprenant respectivement une cavité linéaire et une cavité en anneau, avec un pompage transverse du barreau amplificateur laser solide ; FIG. 8 un schéma d’un dispositif laser expérimental mis en œuvre selon un exemple de réalisation de la présente description ; FIG. 9A et 9B des courbes expérimentales montrant respectivement l’énergie lumineuse en sortie du dispositif laser et le gain laser petit signal en fonction de l’énergie émise par les LED, dans un exemple de réalisation d’un dispositif laser tel que représenté sur la FIG. 8.
DESCRIPTION DETAILLEE
Dans les figures, les éléments identiques sont indiqués par les mêmes références. Par souci de clarté, les éléments ne sont pas représentés dans leurs dimensions et proportions réelles.
La FIG. 2 représente un schéma de principe d’un dispositif laser 200 selon la présente description tandis que les FIGS. 3A à 3C illustrent un exemple de module 10 d’émission lumineuse selon la présente description.
Le dispositif laser 200 comprend de façon générale un barreau amplificateur laser solide 20 avec une bande spectrale d’absorption comprise dans la bande spectrale visible -proche infrarouge, c'est-à-dire une bande spectrale d’absorption comprise entre 360 nm et 940 nm, par exemple un barreau amplificateur en matériau inorganique.
Les barreaux amplificateurs laser solides sont généralement formés de matrices dopées par des ions luminescents, les matrices pouvant être vitreuses, cristallines ou céramiques. Le choix de matériaux inorganiques permet d'assurer une grande durée de vie des barreaux car la photo dégradation lorsqu'elle existe est beaucoup plus faible que dans un milieu organique.
Le barreau amplificateur laser 20, par exemple un barreau amplificateur en matériau inorganique, est formé d’un matériau compris par exemple dans le groupe de matériaux suivants :
Matrices dopées aux ions titane appartenant à la famille des oxydes (e.g. saphir dopé au titane Ti: AI2O3) ou des verres (comme par exemple du silicate ou du phosphate) ;
Matrices dopées aux ions néodyme appartenant à la famille des verres (comme par exemple du silicate ou du phosphate), des grenats (e.g. Nd:YAG, Nd:GGG), des vanadates (e.g.Nd:YV04, NdiGdVCL), des aluminates (e.g. Nd:YAP), des fluorures (e.g. Nd:YLF), des tungstates, des molybdates ou des beryllates (e.g. Nd:KGW (CaWCL), Nd:NaLa(MoC>4)2, Nd:La2Be2C>5) ou encore des céramiques ;
Matrices dopées aux ions chrome appartenant à la famille des fluorures (e.g. Cr:LiSAF, Cr:LiSGAF, Cr:LiCAF), des oxydes (comme par exemple le rubis, l’alexandrite, BeAbCb ou l’émeraude, Be3Ab(Si03)6), des grenats (e.g. Cr:GSGG), des silicates (e.g. Cr:Forsterite) ou encore des tungstates (e.g. CnZnWCL) ;
Matrices dopées aux ions praséodyme appartenant à la famille des fluorures (e.g. Pr:YLF, Pr:LLF, Pr:KYF), des aluminates (e.g. Pr:YAP, YAIO3), des grenats (e.g. Pr:LuAG, Pr: YAG), des verres (e.g. Pr:ZBLAN) ;
Matrices dopées aux ions ytterbium appartenant à la famille des verres (comme par exemple des fibres en silicate ou en phosphate), des grenats (e.g. Yb:YAG, Yb:LuAG), des fluorures (e.g. Yb:YLF, Yb:CaF2), des tungstates (e.g. Yb:KYW (KY(WÛ4)2), Yb:KGW (KG(W04)2)), des aluminates (e.g. Ybxalgo (CaGdAlCL), Ybxalyo (CaYAlCL)), des oxydes (e.g. Yb:Lu2C>3, Yb:Y2C>3, Yb:Sc2C>3), des borates (e.g. Yb:YCOB), des silicates (e.g. Yb:YSO) ou des céramiques ;
Matrices dopées aux ions erbium appartenant à la famille des verres (comme par exemple des fibres en silicate ou en phosphate ou encore des fibres ZBLAN), des grenats (e.g. Er:YAG, Er/Cr:YSGG), des oxydes (e.g. ErAbCh) ou des aluminates (e.g. Er:YAP) ; Matrices dopées aux ions thulium appartenant à la famille des verres (comme par exemple des fibres en silicate ou en phosphate ou encore des fibres ZBLAN), des grenats (e.g. Tm:YAG), des fluorures (e.g. Tm:YLF) ;
Matrices dopées aux ions holmium appartenant à la famille des verres (comme par exemple des fibres en silicate ou en phosphate ou encore des fibres ZBLAN), des grenats (e.g. Ho:YAG), des fluorures (e.g. Ho:YLF) ;
Toute matrice codopée faisant intervenir deux des ions cités précédemment (e.g. Nd/Cr:YAG, Nd/Ce:YAG, Yb/Er:YAG) ;
De manière générale, toute matrice parmi les oxydes, les fluorures, les borates, les silicates, les aluminates, les tungstates, les grenats, les verres, les beryllates, les molybdates ou encore les céramiques dopée par un ion luminscent ou une combinaision d'ions luminescents parmi les ions terres rares trivalents (tels que Nd3+,Er3+,Ho3+,Ce3+,Tm3+,Pr3+,Gd3+,Eu3+, Yb3+), les ions terres rare divalents (tels que Sm2+,Dy2+,Tm2+) ou les ions métalliques (tels que Cr3+,Ni2+,Co2+, Ti3+,V2+)
Le barreau amplificateur laser 20 est dans cet exemple agencé au sein d’une cavité laser formée de deux miroirs, un premier miroir 21 dit miroir de fond de cavité, présentant un coefficient de réflexion élevé, typiquement supérieure à 99% à la longueur d’onde de l’émission laser et un deuxième miroir 22 dit miroir de sortie à travers lequel est émis le flux laser. L’un et/ou l’autre des miroirs 21 et 22 peuvent être remplacés de manière connue par des traitements réfléchissants directement déposés sur les faces du barreau amplificateur.
Dans l’exemple illustré sur la FIG. 2, le dispositif laser comprend également un diffuseur 23 adapté pour recycler l’énergie de pompe non utilisée et homogénéiser l’éclairement de pompe dans le barreau amplificateur 20.
Le dispositif laser 200 comprend par ailleurs au moins un module d’émission lumineuse 10 destiné au pompage du barreau amplificateur laser solide 20, le module d’émission comprenant un barreau massif en matériau inorganique fluorescent, comme cela sera détaillé par la suite. Dans l’exemple de la FIG. 2, plusieurs modules d’émission référencés 10a, 10b, 10c, 10d, sont agencés les uns à côté des autres de telle sorte à permettre un pompage optique transverse du barreau amplificateur solide 20 sur une grande partie de sa longueur.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif laser 200 comprend un élément d’adaptation 30 de l’indice de réfraction, notamment entre un module d’émission lumineuse 10a - 10d et le barreau amplificateur laser 20 avec lequel le module d’émission lumineuse est en contact. L’élément d’adaptation de l’indice de réfraction permet, comme cela sera détaillé plus en détails dans la suite de la description, de supprimer les pertes de lumière de fluorescence aux interfaces avec la ou les surfaces émettrices des barreaux en matériau inorganique fluorescent dont sont formés les modules d’émission lumineuse et d’augmenter l’angle critique pour lequel on a réflexion totale interne, ce qui a pour conséquence de laisser sortir plus de rayons (« vidange »). L’élément d’adaptation de l’indice de réfraction peut comprendre un matériau liquide ou solide, ou entre le liquide et le solide (huiles ou colles plus ou moins visqueuses). L’élément d’adaptation de l’indice de réfraction peut comprendre par exemple une huile d’indice, comme celles utilisées dans les objectifs de microscope à immersion, dont les indices de réfraction sont compris entre 1,4 à 1,85. L’élément d’adaptation de l’indice de réfraction peut comprendre également une colle qui sèche après une exposition à des rayons UV, formant alors un élément solide.
Dans le cas où le barreau amplificateur laser 20 et le barreau massif en matériau inorganique fluorescent ont des propriétés cristallographiques comparables, il est possible de les coller par adhérence moléculaire ; l’adaptation d’indice est alors obtenu sans élément externe entre les deux milieux.
Les FIGS. 3 A et 3B illustrent un exemple de module 10 d’émission lumineuse selon la présente description, adapté notamment au pompage d’un barreau amplificateur laser tel que représenté sur la FIG. 2. Les FIGS. 3A et 3B représentent, de façon schématique, des vues respectivement en perspective et de côté d’un même module 10. La FIG. 3C illustre un sous-module de LED dont est formé l’ensemble des LED.
Chaque module d’émission lumineuse 10 comprend un ensemble de diodes électroluminescentes 13, ou LED, destinées à émettre dans une première bande spectrale et un concentrateur de lumière 11. Dans cet exemple, les LED sont agencées sous forme de sous-modules 12 dont un exemple est montré sur la FIG. 3C.
Le concentrateur de lumière 11 est formé d’un barreau en matériau inorganique fluorescent avec au moins une première surface d’éclairement 14, 14’ destinée à recevoir la lumière émise par les LED et une surface émettrice 15 destinée à émettre la lumière de fluorescence vers le barreau amplificateur solide 20. Le matériau inorganique fluorescent présente une bande d’absorption présentant un recouvrement non nul avec la bande spectrale d’émission des LED et une bande d’émission présentant un recouvrement non nul avec la bande spectrale d’absorption du barreau amplificateur laser. Ainsi, le flux lumineux émis par les LED et dirigé vers la ou les surface(s) d’éclairement est absorbé par le matériau inorganique fluorescent qui émet à son tour une lumière de fluorescence collectée et dirigée au moyen d’un mécanisme de réflexion totale interne vers la surface émettrice 15. La lumière de fluorescence ainsi émise permet le pompage du barreau amplificateur laser 20.
Le barreau en matériau inorganique fluorescent peut être formé en un matériau de type cristal scintillateur, et par exemple :
Matrices dopées aux ions cérium appartenant à la famille des grenats (e.g. Ce:YAG, Ce:LuAG), des fluorures (e.g. Ce:YLF, Ce:LiCAF), des aluminates (e.g. Ce:YAP), des silicates (e.g. Ce:LSAS, Ce:LYSO, Ce:LSO ou Ce:GSO), des aluminates (e.g. Ce:Sr3A1206), des nitrures (e.g. Ce:LaCeSi6Nll (appelé Ce:LSN)), des oxydes (e.g. Ce:YAM, Y4A1209) ;
Matrices dopées aux ions europium appartenant à la famille des fluorures (e.g. Eu:CaF), des grenats (e.g. Eu: Lu AG ou Eu:YAG), des silicates (e.g. Eu:M2Si04 ou M = Ca, Sr ou Ba), des sulfures (e.g. Eu:SrS), des aluminates (e.g. Eu:Sr3A1206), des oxydes (e.g. Eu:SrB407), des nitrures (e.g. Eu:SrSi02N2) ;
Matrices dopées aux ions therbium appartenant à la famille des silicates (e.g. Tb:GOS) ; Matrices dopées aux ions thallium appartenant à la famille des iodures (e.g. Tl:NaI (iodure de sodium dopé thallium), Tl:CsI (iodure de césium dopé thallium)) ;
Matrices dopées aux ions sodium appartenant à la famille des iodures (e.g. Na:CsI (iodure de césium dopé sodium)) ;
Toute matrice citée précédemment faisant intervenir deux des ions dopant cités précédemment (e.g. Nd/Cr:YAG, Nd/Ce:YAG, Yb/Er:YAG) ;
De manière générale, toute matrice, parmi les oxydes, les fluorures, des sulfures, des nitrures, les borates, les silicates, les aluminates, les tungstates, les grenats, les verres, les beryllates, les molybdates ou encore les céramiques, dopée par un ion ou une combinaison d'ions parmi les ions terres rares trivalents (tels que Nd3+,Er3+,Ho3+,Ce3+,Tm3+,Pr3+,Gd3+,Eu3+, Yb3+, Dy3+), les ions terres rares divalents (tels que Pd2+,Mn2+,Eu2+,Sm2+,Dy2+,Tm2+) ou les ions métalliques (tels que Cr3+,Ni2+,Co2+, Ti3+,V2+).
Le barreau en matériau inorganique fluorescent peut être formé en un matériau de type matériau laser, par exemple : Ti:Sa, Rubis, Nd:YAG, Nd/Cr:YAG, Nd/Ce:YAG, CrLiSAF, Cr:LiGAF, Cr:LiCAF, Alexandrite, DCM, Emeraude, matériaux dopés aux ions praséodymes comme les matrices YLF, LLF, KYF, YAIO, LuAG, YAG, YAP) ; avec YV04 = orthovanadate d'yttrium, YAG = Grenat d’yttrium et d’aluminium, YLF = fluoride d’yttrium et de lithium, YAP = yttrium aluminium pérovskite, GSO = gadolinium oxyorthosilicate, LSO = lutetium oxyorthosilicate, YAP = yttrium aluminate, BaF2 = barium fluoride, CsF = césium fluoride.
Les cristaux mentionnés ci-dessus sont les exemples les plus connus et/ou utilisés, mais le matériau inorganique fluorescent pourra être formé d’un matériau laser choisi parmi la liste mentionnée ci-dessus en référence au matériau dont est formé le barreau amplificateur solide.
Chaque sous-module de LEDs comprend dans cet exemple un sous-ensemble de LEDs arrangées selon une matrice sur un circuit imprimé de telle sorte à optimiser le taux de remplissage défini ici par le rapport entre la surface cumulée d’émission des LED et la surface éclairée du barreau (surface d’éclairement 14 et/ou 14’). Avantageusement, le taux de remplissage recherché est supérieur à 50%, avantageusement supérieur à 60%, avantageusement supérieur à 75%, ce qui revient par rapport à un taux de remplissage de 50% à augmenter l’émittance incidente sur la surface d’éclairement d’un facteur 1,5.
Dans l’exemple de la FIG. 3C, les LED sont des LED à câblage par fil comprenant un fil d’or soudé sur le dessus de la LED, qui apporte le courant jusqu’au matériau semi-conducteur. Chaque sous-module comprend 25 LED, chaque puce est espacée de 300 pm de sa voisine dans une direction et de 800 pm dans l’autre.
Selon un autre exemple de réalisation, les LED peuvent être des LED dites « à puces retournées », ou « à puces à bosses », autrement appelées « Flip-chip » LED selon l’expression anglo-saxonne. Dans ce type de LED, la surface d’émission lumineuse est opposée à la surface de câblage, à l’inverse des LED à câblage par fil, dans laquelle la surface d’émission et la surface de câblage pour les soudures (ou contacts) se trouvent dans le même sens. Dans les Flip-chip LED, des billes ou bosses sont généralement utilisées pour la soudure au boîtier, et cette technologie permet d’augmenter encore la densité des surfaces utiles d’émission des T,ED sur chaque sous-module.
On peut définir le facteur de concentration C du concentrateur 11 comme le rapport entre l’émittance de sortie Eout (en W/cm2) et l’émittance incidente Ein (en W/cm2), où l’émittance de sortie Eout est définie par la puissance lumineuse de sortie Pout émise par la surface d’émission du concentrateur divisée par la surface d’émission Sout du concentrateur (référencée 15, 15’ dans l’exemple de la FIG. 3A) et l’émittance incidente Ein est définie par la puissance lumineuse incidente Pin émise par les LED et reçue par la surface d’éclairement divisée par la surface d’éclairement Sin (référencée 14, 14’ dans l’exemple de la FIG. 3A) du concentrateur. En pratique, du fait de la très faible distance entre les surfaces d’émission de LED et la surface d’éclairement du barreau en matériau inorganique fluorescent, toute la puissance lumineuse émise par les LED est reçue par la surface d’éclairement et la puissance lumineuse incidente Pin peut être déterminée par la puissance optique cumulée émise par l’ensemble des LED.
Ainsi, on peut définir le facteur de concentration C par :
(1) Où ηο/ο est l’efficacité optique du concentrateur et G est le rapport de forme du concentrateur défini par le rapport des surfaces d’éclairement et émettrice. L’efficacité optique ηο/ο peut s’exprimer comme le produit de différents paramètres résumés dans l’équation (2) ci-dessous : 77o/0 = V exc1! PLQyVtIR.V extr (2) Où r\exc est l’efficacité d’excitation du matériau inorganique fluorescent (définie par le rapport entre la puissance lumineuse absorbée par le matériau inorganique fluorescent et la puissance lumineuse Pin émise par les LED) ; ηρυ3Υ représente l’efficacité de photoluminescence (ou « PhotoLuminescence Quantum Yield » selon l’expression anglo-saxonne) ; le paramètre η™ représente le rendement de réflexion totale interne sur les faces 14 et 14'. Il est déterminé par le pourcentage de lumière de fluorescence en réflexion totale interne par rapport à l'ensemble de la lumière émise par le milieu; et ηεχΐΓ est l’efficacité d’extraction de la lumière de fluorescence ; elle est déterminée par le pourcentage de lumière sortant effectivement du concentrateur par la face 15 ou 15' par rapport à la quantité de lumière se propageant en réflexion totale interne. L’efficacité d’excitation η6χε tient compte à la fois de la capacité d’absorption par le matériau inorganique fluorescent et des pertes aux interfaces 14 et 14' de la puissance lumineuse incidente. L’efficacité de photoluminescence qpLQY mesure le pourcentage de réémission de la puissance lumineuse absorbée. Dans le cas des matériaux inorganiques fluorescents cités plus haut, ηρι.<3Υ est souvent supérieure à 0,9.
Le rendement de réflexion totale interne ητπι dépend de l'angle critique de réflexion total interne 0C selon l’équation 0C = Arcsin (ne/nc), où nc est l’indice de réfraction du concentrateur à la longueur d’onde de fluorescence et ne est l’indice de réfraction de l’environnement. Tous les rayons ayant un angle d'incidence supérieur à 0C sont en réflexion totale interne. On cherche donc à réduire cet angle pour augmenter η™. Avantageusement, on choisira un matériau inorganique fluorescent d'indice nc élevé, supérieur à 1,4 et avantageusement supérieure à 1,6, immergé dans un environnement d'indice ne faible, comme l'air.
Ainsi, les cristaux tels que Ce:YAG (grenat d’yttrium et d’aluminium dopé cérium), BGO (bismuth germanate, indice 2,15), CdWCL (cadmium tungstate, indice 2,3), TiiAfiCL (titane : saphir), Nd:YAG, Nd:YV04 et EuiSnAbOi, sont particulièrement adaptés car ils ont un indice de réfraction supérieur ou égal à 1,7. L’efficacité d’extraction de la lumière de fluorescence r|Cxtr prend en compte le ratio des rayons qui interceptent les faces 15 et 15' par rapport à tous les rayons qui se propagent en réflexion totale interne sur 14 et 14'. Sur ces rayons, qextr prend en compte toutes les pertes subies lors de la propagation dans le concentrateur : absorption résiduelle, diffusion par les défauts ou impuretés dans la matrice ou sortie des rayons par les faces non utiles, autres que 14, 14', 15 et 15'. Enfin, qcxtr prend en compte la proportion de rayons qui sortent par les faces 15 et 15'. Pour rendre maximale qcxtr on cherche à limiter les pertes par propagation : ainsi, on pourra choisir un matériau inorganique fluorescent avec une très bonne qualité cristalline et des faibles pertes linéiques (inférieures à 2.10"2 cm"1). Ainsi, les cristaux tels que Ce:YAG (grenat d’yttrium et d’aluminium dopé cérium, indice 1,83), BGO (bismuth germanate, indice 2,15), CdWCL (cadmium tungstate, indice 2,3), ThAhCb (titane : saphir, indice 1,76), Nd:YAG (grenat d’yttrium et d’aluminium dopé néodyme, indice 1,83), Nd:YVC>4 (orthovanadate d’yttrium dopé néodyme, indice 2,2) et EmSnAhOô (oxyde d’aluminium et de strontium dopé europium, indice 1,7) sont particulièrement adaptés.
Pour rendre maximale qextr on cherche aussi à limiter la réflexion totale interne sur les faces 15 et 15'. Ainsi, on cherche à limiter le saut d'indice entre le concentrateur et le milieu laser.
Selon un exemple de réalisation, on cherche à ce que le concentrateur et le milieu laser aient le même indice et soient de même nature physique afin de pouvoir être collés l'un à l'autre par adhésion moléculaire (par exemple Ce:YAG pour le concentrateur et Nd:YAG pour le milieu laser).
Selon un autre exemple de réalisation, un élément d'adaptation d'indice tel que défini précédemment peut aussi être utilisé pour limiter le saut d'indice par rapport à un passage intermédiaire dans l'air.
Les déposants ont montré que l’émission en sortie peut-être nettement accrue entre une configuration dans laquelle le concentrateur est entouré d’air et une configuration dans laquelle il y a un matériau d’indice entre le concentrateur et le barreau laser. L’accroissement de l’émission lumineuse dépend de l’indice du concentrateur choisi, du matériau choisi pour l’élément d’adaptation de l’indice de réfraction et de l’indice du matériau laser choisi.
Par exemple, dans le cas du Ce:YAG (indice autour de 1,83), si l’on utilise une colle d’indice 1,8 avec un matériau laser d’indice supérieur à 1,8 (comme le NdiYVCL), on peut augmenter l’émission lumineuse en sortie d’un facteur 7 (si l’on néglige les pertes dans le Ce:YAG), et d’un facteur 5 à 6 (si on les prend en considération).
Ainsi, guidé par les formules (1) et (2) , en choisissant un rapport de forme supérieur ou égal à 100, un matériau inorganique fluorescent de très bonne qualité cristalline, d'indice élevé (tel que le Ce:YAG) et en utilisant un élément d’adaptation de l’indice de réfraction entre le concentrateur et le milieu laser, il est possible d'obtenir des facteurs de concentration supérieurs à 50.
Dans l’exemple des FIG. 3A et 3B, le barreau en matériau inorganique fluorescent 11 présente une forme sensiblement parallélépipède rectangle définie par 3 dimensions, la longueur L qui est la plus grande dimension du barreau, et les dimensions £ et h des faces 15, 15’ situées aux extrémités du barreau, où £ (largeur) est la plus grande dimension des faces 15, 15’ et h (épaisseur) est la plus petite dimension des faces 15, 15’.
Alternativement, le barreau en matériau inorganique fluorescent 11 peut présenter une forme cylindrique par exemple, avec des faces aux extrémités du barreau de forme circulaire. Cette géométrie permet de limiter les pertes via les surfaces inutiles, autres que 14, 14', 15 et 15'. Dans ce cas, il est possible d’agencer les LED sur tout le pourtour du barreau afin de former une surface d’éclairement unique.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les deux faces 15 et 15’ situées aux extrémités su barreau en matériau inorganique fluorescent 11 sont des faces émettrices, comme cela est représenté sur la FIG. 3B.
Alternativement, il est possible de disposer un miroir ou un traitement réfléchissant à la longueur d’onde de la lumière de fluorescence, ou plus généralement tout système permettant de renvoyer la lumière de fluorescence de manière spéculaire ou diffuse sur une des deux faces 15 ou 15’ de telle sorte à n’avoir plus qu’une surface émettrice, ce qui permet de multiplier par deux l’émittance en sortie dans le cas où il y a un milieu intermédiaire composé d'air entre le concentrateur et le barreau amplificateur laser.
En règle générale, les dimensions de la surface émettrice 15 et/ou 15’ sont choisies en fonction de l’application.
Ainsi, dans le cas de l’application au pompage longitudinal d’un barreau amplificateur laser, on cherchera à réduire ces dimensions pour correspondre à la dimension d’un mode laser intracavité, soit typiquement inférieure à quelques millimètres, avantageusement inférieure à 1 millimètre. En pratique, dans le cas d’un barreau en matériau inorganique fluorescent 11 de section rectangulaire, la largeur £ devra être adaptée à la dimension d’au moins une LED, soit typiquement supérieure à un millimètre tandis que l’épaisseur h pourra être plus petite, avantageusement inférieure au millimètre, encore plus avantageusement inférieure à 500 μηι, typiquement inférieure à quelques centaines de pm, par exemple de l’ordre d’une centaine de pm.
Dans le cas de l’application au pompage transverse d’un barreau amplificateur laser, on cherchera à réduire l’épaisseur h du barreau pour correspondre à la dimension d’un mode laser intracavité, soit typiquement une épaisseur h comprise entre 100 pm et 2 mm, avantageusement comprise entre 100 pm et 1 mm. La largeur £ pourra être plus grande que dans le cas de l’application au pompage longitudinal. La valeur minimale de la largeur £ pourra être définie par la dimension d’une LED et la dimension maximale par la technologie de croissance du cristal scintillateur dans le cas où le barreau en matériau inorganique fluorescent est formé d’un tel cristal. Typiquement, on cherchera une largeur £ supérieure à 1 mm, avantageusement supérieure à 5 mm, avantageusement supérieure à 10 mm, ce qui permet de rendre maximal le nombre de LED dans la dimension de la largeur.
Dans l’une ou l’autre des applications (pompage longitudinal ou pompage transverse), la longueur L du barreau en matériau inorganique fluorescent est choisie la plus grande possible pour rendre maximale la surface émettrice. Elle est cependant limitée par le choix du matériau inorganique fluorescent et notamment la technologie de croissance dans le cas d’un cristal scintillateur. Elle est également limitée par les pertes dans le milieu inorganique fluorescent. Avec des pertes linéiques inférieures à 2.10"2 cm'1, on cherchera une longueur L supérieure à 100 mm, avantageusement supérieure à 200 mm, voire supérieure à 300 mm, ce qui permet de rendre maximal le nombre de LED dans la dimension de la longueur.
On pourra également prévoir deux barreaux en matériau inorganique fluorescent agencés les uns derrière les autres, ou davantage, afin d’augmenter la longueur totale effective.
Dans tous les cas, les dimensions du barreau pourront être adaptées pour maintenir un rapport élevé entre la surface d’éclairement et la ou les surface(s) émettrice(s), c'est-à-dire supérieur ou égal à 50, avantageusement supérieur ou égal à 100.
Le choix du matériau inorganique fluorescent est fait en fonction de l’utilisation recherchée pour le module d’émission lumineux 10 et notamment la bande spectrale d’absorption du barreau amplificateur laser 20.
La FIG. 4 illustre ainsi à titre d’exemple en fonction de la longueur d’onde, la courbe d’émission 41 de LED dont l’émission est centrée dans le bleu à 435 nm, la courbe d’absorption 42 du Ce :YAG dont peut être formé le barreau en matériau inorganique fluorescent, la courbe d’émission 43 du Ce :YAG et la courbe d’absorption 44 du Nd:YVC>4 dont peut être formé le barreau amplificateur laser.
Les inventeurs ont montré que Γutilisation combinée de ces 3 composants, LED, barreau en matériau inorganique fluorescent en Ce:YAG et barreau amplificateur laser en Nd:YVC>4 permettait de réaliser un système laser pompé par LED.
Par ailleurs, grâce au module d’émission lumineuse selon la présente description, il est possible en adaptant le flux lumineux émis par les LED sur les surfaces d’éclairement d’un barreau en matériau inorganique fluorescent déterminé, d’atteindre les seuils d’intensité de la lumière de fluorescence permettant un effet d’émission spontanée amplifiée (ou ASE pour « Amplified Spontaneous Emission » selon l’expression anglo-saxonne) à la longueur d’onde de fluorescence, dans le barreau inorganique fluorescent. Cet effet permet de considérablement renforcer l’intensité du flux lumineux en sortie de la face d’émission.
En effet, l’émission stimulée et l’émission spontanée sont en compétition. L’émission spontanée (qui forme la fluorescence) est caractérisée par un débit (probabilité par seconde) A, appelée coefficient d’Einstein, égale à l’inverse du temps de vie des ions dopants. L’émission stimulée est caractérisée par un débit (probabilité par seconde) σ.Ι, où σ est la section efficace d’émission stimulée des ions dopants et I est l’intensité lumineuse à la longueur d’onde de fluorescence, dans le barreau en matériau inorganique fluorescent.
Afin d’avoir une émission spontanée amplifiée significative, il est intéressant de comparer le débit d'émission spontanée et le débit d'émission stimulée. L'émission spontanée amplifiée devient significative si σ.Ι > A.
Cette condition nécessite une émittance incidente par les LED suffisamment forte pour obtenir un signal I suffisant et un choix des matériaux laser tels que le ratio Α/σ soit le plus petit possible. Avec la puissance des LED actuelles, les déposants ont montré qu’il était possible d’obtenir de l’émission spontanée amplifiée avec certains matériaux formant le barreau en matériau inorganique fluorescent, par exemple des cristaux de Nd: YVO4 ou de Nd: YAG.
Grâce à cet effet, il est ainsi possible d’atteindre des facteurs de concentration bien supérieurs à un concentrateur classique, typiquement 10 à 100 fois plus grands.
Un tel module d’émission lumineuse sera particulièrement avantageux pour le pompage d’un barreau amplificateur laser. Il pourra trouver d’autres applications, nécessitant des sources de lumière de forte luminance notamment dans le domaine de l'éclairage, ou de la spectroscopie. L’ensemble des variantes concernant le choix du matériau inorganique fluorescent, la forme du barreau en matériau inorganique fluorescent ou les dimensions du barreau s’appliquent au module d’émission lumineuse ainsi décrit.
La FIG. 5 illustre un autre exemple de dispositif laser selon la présente description.
Le dispositif laser comprend dans cet exemple au moins un module d’émission lumineuse 10a agencé pour permettre un pompage longitudinal du barreau amplificateur laser solide 20.
Le pompage longitudinal permet un meilleur recouvrement entre le faisceau de pompe et le mode laser intracavité; le faisceau de pompe est par ailleurs absorbé sur une plus grande distance, ce qui permet d'augmenter l'absorption du faisceau de pompe.
Le barreau amplificateur laser est agencé au sein d’une cavité formée par un miroir de fond de cavité 21 et un miroir de sortie 22. Le miroir de fond de cavité 21 est dans cet exemple un miroir dichroïque (ou un traitement déposé sur une face du barreau amplificateur laser) adapté pour laisser passer le faisceau de pompe, c'est-à-dire dans cet exemple le faisceau lumineux issu du module d’émission 10A, et réfléchir le flux lumineux à la longueur d’onde d’émission laser. Comme dans l’exemple de la FIG. 2, un élément d’adaptation d’indice 30 permet une adaptation de l’indice de réfraction entre le module d’émission lumineuse 10a et le barreau amplificateur laser 20.
Dans cet exemple, la surface émettrice (non représentée sur la FIG. 5) du module d’émission lumineuse 10a est avantageusement plus petite que la face d’entrée du barreau amplificateur de telle sorte que tout le flux émis par le module d’émission lumineuse 10a soit utile pour le pompage du barreau laser. Avantageusement, la surface émettrice recouvre ainsi moins de 100%, avantageusement moins de 80% de la face d’entrée du barreau amplificateur laser.
Avantageusement, comme cela est illustré sur la FIG. 5, le dispositif laser comprend deux modules d’émission lumineuse 10a, 10b ou davantage, alignés les uns derrière les autres et avantageusement séparés par un élément d’adaptation de l’indice de réfraction 30.
Les inventeurs ont montré expérimentalement que mettre l’un derrière l’autre 2 barreaux en matériau inorganique fluorescent permettait d’augmenter de façon remarquable le facteur de concentration C (expérimentalement, une augmentation du facteur de concentration d’un rapport supérieur à 1,5 a été obtenu). On observe que positionner deux barreaux l’un derrière l’autre est plus efficace que d’utiliser un seul barreau avec un élément réfléchissant à la longueur d’onde de fluorescence sur une face 15’. Avantageusement, on pourra agencer deux barreaux en matériau inorganique fluorescent l’un derrière l’autre, par exemple deux barreaux identiques aux dimensions optimisées. Le facteur de concentration pourra être encore augmenté avec un élément réfléchissant à la longueur d’onde de fluorescence positionné à l’extrémité du deuxième barreau. D’autres configurations de pompage longitudinal et/ou transverse au moyen de modules d’émission de lumière selon la présente description sont bien entendu possibles.
La FIG. 6 illustre ainsi un dispositif laser comprenant un barreau amplificateur laser 20 agencé dans une cavité (21, 22) et comprenant à la fois un pompage longitudinal et transverse au moyen de modules d’émission lumineuse 10a - 10j selon la présente description.
Avantageusement, un élément d’adaptation de l’indice de réfraction 30 peut être agencé entre chacun des modules d’émission en contact avec le barreau amplificateur laser et ledit module d’émission et entre deux modules d’émission lumineuse.
Comme précédemment expliqué, deux barreaux en matériau inorganique fluorescent peuvent être avantageusement agencés l’un derrière l’autre, ou d’avantage, le nombre étant limité par des considérations d’encombrement spatial et par les pertes.
Par ailleurs, le nombre de modules d’émission lumineuse en contact avec le barreau amplificateur laser pour le pompage transverse n’est limité que par la dimension du barreau amplificateur laser.
Les FIGS. 7A et 7B représentent des variantes de dispositif laser avec respectivement une cavité linéaire et une cavité en anneau. Dans l’exemple de la FIG. 7A (cavité linéaire), il y a deux miroirs 21, 22. Dans l’exemple de la FIG. 7B (cavité en anneau), il y a 2 faisceaux laser en sortie. Dans ces configurations, le signal se propage par réflexion totale interne dans le barreau amplificateur laser 20, limitant les pertes à chaque réflexion sur les interfaces du cristal formant le barreau amplificateur laser. La structure en polygone avec N côtés, permet de pomper par plus que 2 côtés. Par ailleurs, dans le cas où l’axe optique n’est pas dans le plan du cristal, on peut augmenter l’épaisseur de ce dernier pour obtenir de plus forts gains.
Dans les deux cas, le pompage est transverse et réalisé au moyen des modules d’émission lumineuse 10a- 10j.
Dans ces configurations, il n’y a pas d’éléments d’adaptation entre les modules d’émission lumineuse et le cristal laser 20 pour ne pas frustrer la réflexion totale interne dans le cristal 20. Les modules d’émission lumineuse sont distants les uns des autres, limitant les problèmes d’encombrement. L’épaisseur du dispositif laser ainsi obtenu est faible (typiquement de l’ordre de 1 mm par exemple), ce qui permet de refroidir efficacement le cristal 20.
Comme illustré sur les FIGS 7A et 7B, il est possible d’agencer des modules d’émission lumineuse les uns derrière les autres, avec un élément d’adaptation 30 de l’indice de réfraction entre les modules.
Des premiers résultats expérimentaux ont été validés par les déposants avec un dispositif laser dont un schéma est montré sur la FIG. 8. La FIG. 8 illustre une vue de côté du dispositif laser, le signal laser étant émis vers le haut.
Dans cet exemple, le barreau amplificateur laser 20 est un cristal de Nd:YVC>4 dopé 1 at.%, de dimensions 2x2x20 mm3, poli sur 2 faces latérales, les deux autres sont dépolies. Les faces laser sont traitées antireflet (AR) pour l’une, et hautement réfléchissante (HR) pour l’autre, le tout à la longueur d’onde laser (1064 nm). L’orientation du cristal est dite « a-cut », c’est-à-dire qu’il est orienté de façon à ce que l’axe c soit perpendiculaire à l’axe de propagation laser. La cavité laser est plan-concave. Le miroir de fond de cavité 21 est assuré par le traitement HR du cristal et le coupleur de sortie 22 (miroir partiellement transparent) est concave (avec un rayon de courbure pouvant varier entre 100 mm et 500 mm). La réflectivité du coupleur de sortie peut varier du HR (réflexion supérieure à 99,5%) à 20% de transmission à la longueur d’onde d’émission laser. On peut faire varier la longueur de la cavité de 22 mm (approximativement la longueur du cristal) à un peu moins du rayon de courbure du coupleur de sortie (en utilisant un coupleur avec un rayon de courbure de 500 mm, la cavité peut être stable jusqu’à une longueur d’environ 500 mm).
Le module d’émission lumineuse 10 comprend un barreau en matériau inorganique fluorescent 11 en Ce:YAG de dimensions 1x9x100 mm3 pour former le concentrateur de lumière. Toutes ses faces sont polies de manière à garantir la réflexion totale interne. L'une des deux faces latérales polies du barreau amplificateur laser 20 (2x20 mm2) est collée au moyen de l’élément d’adaptation 30 (colle UV ayant un indice optique estimé entre 1,5 et 1,6) à l’une des deux faces de sortie du barreau en matériau inorganique 11 (1x9 mm2) De cette façon, le concentrateur de lumière pompe le cristal laser transversalement sur une grande partie de sa longueur. Avec l’élément d’adaptation 30, le facteur de concentration est estimé être égal à 20.
Le module d’émission lumineuse 10 comprend par ailleurs un ensemble de LED 13, agencées sous forme de quatorze modules 12 de 25 LEDs chacun (seule une ligne de 6 modules est représentée sur la FIG. 8 par souci de clarté), agencés de part et d’autre du barreau en matériau inorganique 11, permettant d’obtenir 350 LEDs sur le module 10. Les LED sont alimentées et pilotées par des cartes électroniques permettant de délivrer aux LED des impulsions électriques de durées variables (5 μ s, 100 μ s, 1 ms et 3 ms) ainsi que des courants électriques variables (plusieurs calibres de courant entre 3 A et 4 A). Un trigger externe fixe la fréquence de répétition des LED. Le concentrateur est pris en sandwich de part et d’autre avec les sous-ensembles de LED 12, les sous-ensembles étant rapprochées au maximum. Le tout se trouve dans une tête de pompage mécanique pour le maintien mécanique.
Les panneaux de LED et le concentrateur peuvent être refroidis (ou non) séparément (ou non) au moyen d’une circulation d’eau indiquée par les flèches A et B.
Les FIGS 9A et 9B montrent respectivement l’énergie laser et le gain petit signal obtenus au moyen d’un dispositif laser tel que montré sur la FIG. 8, en fonction de l’énergie émise par les LED. Les courbes d’énergies sont obtenues en utilisant un puissance-mètre thermique XPL-12 de chez Gentec®.
Plus précisément, la FIG. 9A représente des courbes 91, 92, 93, 94 montrant l’énergie en sortie du laser (ce qui sort par le coupleur de sortie, le miroir partiellement transparent) en fonction de l’énergie émise par les LED, pour différentes transmissions des coupleurs de sortie, respectivement 1%, 2%, 3% et 5%.
La FIG. 9B représente l’énergie des LED nécessaire pour atteindre le seuil laser (qui dépend de la transmission du coupleur utilisé, indiqué en pourcentages sur la FIG. 9B). Plus le coupleur est transparent, plus il introduit de pertes et donc, plus le seuil est élevé. Ces premiers résultats expérimentaux montrent qu’il est possible de faire un dispositif laser avec un coupleur présentant une transmission de 20%.
Bien que décrits à travers un certain nombre d’exemples de réalisation détaillés, le dispositif laser et le procédé d’émission laser décrits ci-dessus comprennent différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l’homme de l’art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l’invention, telle que définie par les revendications qui suivent.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Dispositif laser comprenant : un barreau amplificateur laser solide (20) présentant une bande spectrale d’absorption comprise dans la bande spectrale visible - proche infrarouge ; au moins un premier module d’émission lumineuse (10a - 10d) destiné au pompage du barreau amplificateur laser solide, chaque module d’émission lumineuse comprenant un ensemble de diodes électroluminescentes (LED) destinées à émettre un flux lumineux dans une première bande spectrale et un concentrateur de lumière, le concentrateur de lumière comprenant : o un barreau massif (11) en matériau inorganique fluorescent avec au moins une première surface d’éclairement (14, 14’) destinée à recevoir la lumière émise par les LED et une surface émettrice (15, 15’) destinée à émettre la lumière de fluorescence vers le barreau amplificateur laser solide, et dans lequel : o le matériau inorganique fluorescent présente une bande d’absorption présentant un recouvrement non nul avec la bande spectrale d’émission des LED et une bande d’émission présentant un recouvrement non nul avec la bande spectrale d’absorption du barreau amplificateur laser; et o le rapport entre la surface d’éclairement et la surface émettrice est supérieur ou égal à 100.
- 2. Dispositif laser selon la revendication 1, comprenant au moins un premier module d’émission lumineuse agencé pour le pompage longitudinal du barreau amplificateur laser solide, une face émettrice dudit premier module d’émission laser étant en contact avec une face d’entrée su barreau amplificateur laser solide.
- 3. Dispositif laser selon la revendication 2, dans lequel la face émettrice dudit premier module longitudinal est plus petite que ladite face d’entrée du barreau amplificateur laser.
- 4. Dispositif laser selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins un premier module d’émission lumineuse agencé pour le pompage transverse du barreau amplificateur laser solide.
- 5. Dispositif laser selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins un deuxième module d’émission lumineuse, agencé dans l’alignement du premier module d’émission lumineuse.
- 6. Dispositif laser selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un élément d’adaptation de l’indice de réfraction agencé entre chaque module d’émission lumineuse et le barreau amplificateur laser et/ou entre deux modules d’émission lumineuse agencés dans l’alignement l’un de l’autre.
- 7. Dispositif laser selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau inorganique fluorescent est du grenat d'yttrium et d'aluminium dopé cérium (Ce: Y AG).
- 8. Dispositif laser selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les LED sont des « Flip-chip » LED.
- 9. Dispositif laser selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le taux de remplissage des LED défini par le rapport entre la surface cumulée d’émission des LED et la surface d’éclairement est supérieur à 50%, avantageusement supérieur à 60%, avantageusement supérieur à 75%.
- 10. Dispositif laser selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’ensemble des diodes électroluminescentes (LED) sont destinées à émettre un flux lumineux de puissance optique suffisante pour déclencher un processus d’émission spontanée amplifiée à la longueur d’onde de fluorescence, dans le barreau inorganique fluorescent.
- 11. Procédé d’émission laser comprenant : L’émission d’un flux lumineux au moyen d’au moins un premier module d’émission lumineuse, chaque module d’émission lumineuse comprenant un ensemble de diodes électroluminescentes (LED) émettant dans une bande spectrale d’émission donnée et un concentrateur de lumière, le concentrateur de lumière comprenant : o un barreau en matériau inorganique fluorescent avec au moins une première surface d’éclairement recevant la lumière émise par les LED et une surface émettrice émettant une lumière de fluorescence vers un barreau amplificateur solide, et dans lequel : o le matériau inorganique fluorescent présente une bande d’absorption présentant un recouvrement non nul avec la bande spectrale d’émission des LED et une bande d’émission présentant un recouvrement non nul avec la bande spectrale d’absorption du barreau amplificateur laser; et o le rapport entre la surface d’éclairement et la surface émettrice est supérieur ou égal à 100; Le pompage du barreau amplificateur laser solide au moyen du flux lumineux émis par le module d’émission lumineuse.
- 12. Procédé d’émission laser selon la revendication 11 dans lequel : la puissance optique du flux lumineux émis par les LED et reçue par la première surface d’éclairement est suffisante pour déclencher un processus d’émission spontanée amplifiée à la longueur d’onde de fluorescence, dans le barreau inorganique fluorescent.
- 13. Module d’émission lumineuse pour l’émission de forte émittance dans une bande spectrale d’émission de sortie donnée, comprenant : un ensemble de diodes électroluminescentes (LED) destinées à émettre dans une première bande spectrale d’émission un flux lumineux de puissance optique donnée; et un concentrateur de lumière, comprenant : o un barreau massif en matériau inorganique fluorescent avec au moins une première surface d’éclairement destinée à recevoir le flux lumineux émis par les LED et une surface émettrice destinée à émettre la lumière de fluorescence, et dans lequel : o le matériau inorganique fluorescent présente une bande spectrale d’absorption présentant un recouvrement non nul avec la bande spectrale d’émission des LED ; o le rapport entre la surface d’éclairement et la surface émettrice est supérieur ou égal à 100 ; et o la puissance optique du flux lumineux que l’ensemble des LED est destiné à émettre est suffisante pour déclencher un processus d’émission spontanée amplifiée à la longueur d’onde de fluorescence, dans le barreau inorganique fluorescent.
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