FR3074972A1 - Element d'un laser a disque comportant le milieu amplificateur et des moyens ameliores de refroidissement. - Google Patents

Element d'un laser a disque comportant le milieu amplificateur et des moyens ameliores de refroidissement. Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un élément d'amplification laser (100) comportant : - un milieu amplificateur (20), présentant une face avant (21) et une face arrière (22); - un élément de refroidissement comportant au moins un système de refroidissement (40), situé du côté de la face arrière (22) du milieu amplificateur ; et - un hublot (70), situé du côté de la face avant (21) du milieu amplificateur, recouvrant à la fois la face avant (21) du milieu amplificateur et une surface d'échanges thermiques périphérique (47) de l'élément de refroidissement. L'invention permet d'augmenter une surface d'échanges thermiques entre le milieu amplificateur et l'élément de refroidissement. On peut ainsi utiliser de plus grandes puissances de pompage, et donc augmenter une puissance d'émission laser.

Description

ÉLÉMENT D'UN LASER À DISQUE COMPORTANT LE MILIEU AMPLIFICATEUR ET DES MOYENS AMÉLIORÉS DE REFROIDISSEMENT
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention se rapporte au domaine des systèmes d'amplification laser, dans lesquels le milieu amplificateur présente la forme d'un cylindre mince.
L'invention concerne plus particulièrement une solution de refroidissement du milieu amplificateur.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
On connaît dans l'art antérieur des systèmes d'amplification laser dans lesquels le milieu amplificateur se présente sous la forme d'un cylindre mince.
La figure 1 illustre un élément d'amplification laser 10, formant partie d'un tel système d'amplification laser.
L'élément d'amplification laser comprend un milieu amplificateur 2, qui présente deux faces opposées, chacune en forme de disque, nommées respectivement face avant 2i et face arrière 22.
La face arrière 22 du milieu amplificateur est recouverte d'une couche réfléchissante 3, formant l'un des miroirs d'une cavité résonante dans laquelle se trouve le milieu amplificateur 2, en fonctionnement.
La couche réfléchissante 3 s'étend entre le milieu amplificateur 2, et un système de refroidissement 4. Elle réalise un bon couplage thermique entre ces derniers.
En fonctionnement, le milieu amplificateur 2 est pompé optiquement par un ou plusieurs faisceaux lumineux de pompage, ce qui génère un chauffage inhomogène dans le milieu amplificateur 2. En l'absence de refroidissement, ce chauffage inhomogène forme des gradients thermiques dans le milieu amplificateur, qui dégradent la qualité du faisceau émis par ce dernier.
Grâce au système de refroidissement 4, la chaleur générée dans le milieu amplificateur 2 est transférée vers le système de refroidissement 4, à travers la couche réfléchissante 3 (voir flèches 5). On réduit ainsi des gradients thermiques dans le milieu amplificateur, ce qui permet l'émission d'un faisceau de bonne qualité optique.
La figure 1 illustre également le faisceau d'émission 6, émergeant du milieu amplificateur du côté de sa face avant 2i.
Un élément d'amplification lasertel que représenté en figure 1 est décrit par exemple dans le brevet US-5,553,088.
Si l'on souhaite augmenter la puissance d'émission du milieu amplificateur, on doit augmenter une puissance de pompage optique, ce qui augmente les effets thermiques dans ce dernier. On souhaite donc améliorer l'efficacité du refroidissement du milieu amplificateur, pour contrer cette augmentation des effets thermiques.
Dans le brevet ci-dessus, il est proposé d'accoler contre la face avant du milieu amplificateur, un deuxième système de refroidissement comportant un circuit de circulation d'eau.
Un inconvénient d'un tel dispositif est notamment un encombrement accru.
Un objectif de la présente invention est de proposer un élément d'amplification laser comportant un milieu amplificateur d'épaisseur réduite, et un élément de refroidissement, offrant à la fois un encombrement réduit et un refroidissement amélioré, en comparaison avec l'art antérieur tel qu'illustré en figure 1.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Cet objectif est atteint avec un élément d'amplification laser comportant :
un milieu amplificateur, présentant deux faces opposées, nommées respectivement face avant et face arrière du milieu amplificateur ; et un ensemble de refroidissement comportant au moins un système de refroidissement, ledit ensemble étant adapté à réaliser des échanges thermiques avec le milieu amplificateur, et étant situé du côté de la face arrière du milieu amplificateur.
Selon l'invention :
l'ensemble de refroidissement comporte une surface d'échanges thermiques centrale, recouverte par la face arrière du milieu amplificateur, et une ou plusieurs surface(s) d'échanges thermiques périphérique(s), qui dépassent latéralement relativement à la face arrière du milieu amplificateur ;
l'élément d'amplification laser comprend en outre un hublot, situé du côté de la face avant du milieu amplificateur, recouvrant à la fois la face avant du milieu amplificateur et la ou les surface(s) d'échanges thermiques périphérique(s) de l'élément de refroidissement.
Ainsi, le milieu amplificateur est refroidi non seulement par sa face arrière, mais également parsa face avant, ce qui améliore l'efficacité du refroidissement en comparaison avec l'art antérieur décrit en référence à la figure 1.
En outre, grâce au hublot, un élément de refroidissement s'étendant d'un seul côté du milieu amplificateur réalise le refroidissement du milieu amplificateur à la fois par sa face arrière et par sa face avant. Par conséquent, le meilleur refroidissement du milieu amplificateur n'implique pas de forte augmentation de l'encombrement, en comparaison avec l'art antérieur décrit en référence à la figure 1.
L'invention offre ainsi un élément d'amplification laser comportant un milieu amplificateur et au moins un système de refroidissement, offrant à la fois un encombrement réduit et un refroidissement amélioré, en comparaison avec l'art antérieur décrit en référence à la figure 1.
De préférence, le milieu amplificateur est un cristal dopé, et le hublot est un cristal de même composition que le milieu amplificateur, excepté qu'il est non dopé.
Le milieu amplificateur et le hublot sont avantageusement en contact physique direct l'un avec l'autre.
Le milieu amplificateur et le hublot peuvent être solidaires l'un de l'autre, fixés l'un à l'autre par adhérence moléculaire.
De préférence, l'élément d'amplification laser selon l'invention comporte au moins deux pattes d'appui, s'étendant chacune radialement depuis l'extérieur du hublot jusque sur une face externe du hublot, du côté opposé au milieu amplificateur.
Avantageusement, lesdites pattes s'étendent chacune radialement jusque dans une région périphérique de ladite face externe du hublot, un projeté orthogonal de ladite région périphérique, dans le plan de la face avant du milieu amplificateur, se trouvant hors de ladite face avant du milieu amplificateur.
L'élément de refroidissement peut présenter une cavité à l'intérieur de laquelle se trouve le milieu amplificateur, le fond de la cavité formant la surface d'échanges thermiques centrale, et une ou plusieurs surface(s) périphérique(s) autour de la cavité formant la ou les surface(s) d'échanges thermiques périphérique(s) de l'élément de refroidissement.
Une couche de conduction thermique peut être intercalée entre la ou les surface(s) d'échanges thermiques périphérique(s), et le hublot.
La couche de conduction thermique peut être constituée d'une feuille d'indium.
En variante, la couche de conduction thermique peut être constituée d'une couche de pâte thermique.
Le milieu amplificateur présente avantageusement la forme d'un cylindre de révolution, de diamètre supérieur ou égal à trois fois son épaisseur.
Le milieu amplificateur peut présenter la forme d'un cylindre de révolution, d'épaisseur supérieure à 1 mm.
Le hublot présente de préférence la forme d'un cylindre de révolution, de diamètre supérieur ou égal au double du diamètre du milieu amplificateur.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 illustre de manière schématique, selon une vue en coupe, un élément d'amplification laser selon l'art antérieur ;
la figure 2 illustre de manière schématique, selon une vue en coupe, un premier mode de réalisation d'un élément d'amplification laser selon l'invention ;
les figures 3A et 3B illustrent, respectivement selon une vue en perspective et selon une vue en coupe, un deuxième mode de réalisation d'un élément d'amplification laser selon l'invention ; et la figure 4 illustre de manière schématique, selon une vue en coupe, un troisième mode de réalisation d'un élément d'amplification laser selon l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Pour plus de clarté, on a représenté sur les figures les axes (Ox), (Oy) et/ou (Oz) d'un repère orthonormé.
A la figure 2, on a représenté de manière schématique, un premier mode de réalisation d'un élément d'amplification laser 100 selon l'invention.
La figure 2 est une vue en coupe dans un plan parallèle au plan (yOz).
L'élément d'amplification laser 100 comporte :
- un milieu amplificateur 20 ;
- un élément de refroidissement, constitué ici d'un unique système de refroidissement 40 ; et
- un hublot 70.
Le milieu amplificateur 20 est un milieu solide, en particulier un cristal dopé. II s'agit par exemple d'un cristal de fluorure de calcium (CaF?), dopé, tel que du fluorure de calcium dopé au néodyme lutécium (Nd : Lu : CaFz).
Le milieu amplificateur 20 présente la forme d'un cylindre de révolution, d'épaisseur e (dimension selon l'axe (Oz) de sa génératrice) et de diamètre d (défini dans des plans orthogonaux à l'axe (Oz)).
Il est délimité notamment par deux faces planes parallèles entre elles, présentant chacune une forme de disque, nommées respectivement face avant 21 et face arrière 22.
Ici, les faces avant et arrière 21 et 22 s'étendent chacune dans un plan parallèle au plan (xOy).
L'épaisseur e du milieu amplificateur 20 correspond à sa plus petite dimension.
En particulier, le diamètre d du milieu amplificateur 20 est supérieur ou égal à trois fois son épaisseur e.
L'épaisseur e du milieu amplificateur 20 est comprise par exemple entre 100 pm et 5 mm.
Ici, l'épaisseur e est égale à 3 mm, et le diamètre d est égal à 15 mm.
Comme dans l'art antérieur, la face arrière 22 du milieu amplificateur 20 est recouverte d'une couche réfléchissante 30, par exemple en métal.
La couche réfléchissante 30 réfléchit la lumière à une longueur d'onde d'émission laser du milieu amplificateur 20. Elle est adaptée à former l'un des miroirs d'une cavité optique résonante, à l'intérieur de laquelle se trouve le milieu amplificateur, en fonctionnement.
L'élément de refroidissement, constitué ici d'un unique système de refroidissement 40, ou radiateur, est situé du côté de la face arrière 22 du milieu amplificateur 20.
Il est adapté à réaliser des échanges thermiques avec le milieu amplificateur 20, notamment à travers la couche réfléchissante 30, pour évacuer de la chaleur générée dans le milieu amplificateur 20 lorsqu'il est pompé optiquement.
Le système de refroidissement 40 comporte ici, superposés le long de l'axe (Oz) :
- une pièce massique 41 en métal, par exemple en cuivre, située du côté du milieu amplificateur 20 ;
- un module Peltier 42, apte à être connecté à une source de courant, et comportant une face dite froide, située du côté de la pièce massique 41, et une face dite chaude, située du côté opposé ; et
- un bloc 43 d'évacuation de la chaleur, comportant par exemple un circuit de circulation pour un liquide de refroidissement tel que de l'eau, et situé au contact de la face chaude du module Peltier 42.
On rappelle que l'effet Peltier est un effet thermoélectrique consistant en un déplacement de chaleur en présence d'un courant électrique. Un module Peltier comporte une matrice de plots en matériau semiconducteur, dopés chacun N ou P, connectés deux à deux, et traversés par un courant électrique. La matrice de plots est insérée entre deux plaques métalliques, l'une formant la face froide et l'autre formant la face chaude du module Peltier.
Le bloc 43 d'évacuation de la chaleur se présente par exemple sous la forme d'un parallélépipède rectangle de section 40 mm * 40 mm, dans un plan parallèle à (xOy).
En variante, on peut s'affranchir du module Peltier, et disposer le bloc 43 d'évacuation de la chaleur directement sous la pièce massique 41.
La pièce massique 41 présente ici une forme de cylindre de révolution, muni d'une cavité 44 ouverte sur l'extérieur. La cavité 44, s'enfonce dans la pièce massique 41, à partir d'une surface externe 45, de la pièce massique, plane.
On définit sur la pièce massique 41, du côté du milieu amplificateur :
- une surface d'échanges thermiques dite centrale, 46, en forme de disque, correspondant à la surface de fond de la cavité 44 ; et
- une surface d'échanges thermiques dite périphérique, 47, de forme annulaire, correspondant à une partie de la surface externe 45, autour de la cavité 44.
Le milieu amplificateur 20 et la couche réfléchissante 30 sont situés à l'intérieur de la cavité 44.
La surface d'échanges thermiques centrale, 46, est donc recouverte par le milieu amplificateur 20.
Le milieu amplificateur 20 est ainsi adapté à réaliser des échanges thermiques avec le système de refroidissement 40 formant l'élément de refroidissement, par la face arrière 22 du milieu amplificateur, et par l'intermédiaire de la couche réfléchissante 30 thermiquement conductrice (flèches 51).
La couche réfléchissante 30 peut être en contact physique direct avec la surface d'échanges thermiques centrale, 46.
En variante, une couche d'ajustement mécanique, thermiquement conductrice, s'étend au fond de la cavité, entre la couche réfléchissante 30 et la surface d'échanges thermiques centrale, 46. La couche d'ajustement mécanique comprend par exemple une feuille d'indium et/ou une pâte thermique.
La cavité 44 présente ici une forme de cylindre de révolution, de diamètre légèrement supérieur à celui du milieu amplificateur 20.
Le diamètre légèrement supérieur permet de limiter les contraintes mécaniques sur le milieu amplificateur, qui peut être amené à se déformer légèrement, en fonctionnement. De préférence, la différence entre le diamètre interne de la cavité 44 et le diamètre externe du milieu amplificateur 20 est inférieure à 1 mm.
De préférence, la profondeur de la cavité 44 est sensiblement égale à l'épaisseur cumulée du milieu amplificateur et de la couche réfléchissante 30, par exemple à plus ou moins 10% près.
La face avant 21 du milieu amplificateur 20 affleure en sortie de la cavité 44.
Ici, la face avant 21 du milieu amplificateur 20 et la surface externe 45 du système de refroidissement formant l'élément de refroidissement s'étendent dans un même plan, parallèle au plan (xOy).
Le hublot 70 est constitué d'un matériau transparent à la longueur d'onde d'émission laser du milieu amplificateur 20. Par exemple, le coefficient de transmission du hublot 70, à la longueur d'onde d'émission laser du milieu amplificateur 20, est supérieur ou égal à 90%.
Le hublot 70 est optiquement inerte, aux longueurs d'onde d'excitation du milieu amplificateur. II est constitué de préférence d'un cristal non dopé.
Le hublot 70 forme également un bon conducteur thermique.
Enfin, le matériau du hublot 70 et le matériau du milieu amplificateur 20 présentent des coefficients de dilatation thermique proches, par exemple avec moins de 10% d'écart entre les deux valeurs de coefficient de dilatation thermique.
Ici, il est constitué d'un cristal de fluorure de calcium (CaF2), non dopé.
De préférence, le hublot 70 est constitué d'un même cristal que le milieu amplificateur 20, excepté que le hublot est non dopé.
Le hublot 70 est en contact physique direct avec le milieu amplificateur 20, ce qui permet des échanges thermiques par conduction entre ces derniers (flèches 52).
Le hublot 70 présente de préférence une forme de cylindre de révolution, d'épaisseur E (dimension de sa génératrice, ici l'axe (Oz)) et de diamètre D (défini dans des plans orthogonaux à l'axe de sa génératrice).
Il est délimité notamment par deux faces planes parallèles entre elles, présentant chacune une forme de disque.
L'épaisseur E du hublot 70 correspond à sa plus petite dimension.
En particulier, le diamètre D du hublot 70 est supérieur ou égal à deux fois son épaisseur.
Par exemple, l'épaisseur E du hublot 70 est comprise entre 3 mm et 20 mm, et le diamètre D du hublot 70 est compris entre 15 mm et 80 mm.
Ici, l'épaisseur E est égale à 5 mm, et le diamètre D est égal à 50 mm.
L'invention n'est cependant pas limitée à cet exemple de dimensions.
En tout état de cause, le hublot 70 présente un diamètre supérieur à celui du milieu amplificateur.
La différence entre le diamètre du hublot 70 et le diamètre du milieu amplificateur 20 est de préférence supérieure ou égale à 10 mm, et même supérieure ou égale à 30 mm. Ici, cette différence est de 35 mm.
En pratique, le diamètre D du hublot est avantageusement supérieur ou égal à deux fois le diamètre d du milieu amplificateur.
Le hublot 70 recouvre ainsi, à la fois :
- le milieu amplificateur 20, du côté de sa face avant 21 ; et
- une région annulaire sur la surface externe 45 du système de refroidissement 40 formant l'élément de refroidissement, appartenant à la surface d'échanges thermiques périphérique 47 telle que définie ci-dessus.
Le hublot 70 peut être en contact physique direct avec la surface d'échanges thermiques périphérique 47.
Cependant, en pratique, une couche intermédiaire thermiquement conductrice est intercalée entre le hublot 70 et ladite surface 47 (voir figure 4).
En tout état de cause, le hublot 70 est adapté à réaliser des échanges thermiques avec le système de refroidissement 40 formant l'élément de refroidissement, au niveau de la surface d'échanges thermiques périphérique 47 (flèches 53).
Le hublot 70 est également adapté à réaliser des échanges thermiques avec le milieu amplificateur 20, du côté de la face avant 21 du milieu amplificateur 20 (flèches 52).
Le milieu amplificateur 20 est ainsi adapté à réaliser des échanges thermiques avec le système de refroidissement 40 formant l'élément de refroidissement, par sa face avant 21, et par l'intermédiaire du hublot 70.
Ainsi, le milieu amplificateur 20 est apte à être refroidi non seulement par sa face arrière 22, mais également par sa face avant 21.
L'invention permet ainsi d'augmenter une surface d'échanges thermiques entre le milieu amplificateur et l'élément de refroidissement, pour améliorer un refroidissement par conduction du milieu amplificateur.
L'invention est particulièrement astucieuse en ce que l'élément de refroidissement n'est pas dupliqué, et reste localisé uniquement du côté de la face arrière 22 du milieu amplificateur 20. Un simple hublot, accolé contre la face avant 21 du milieu amplificateur, permet d'augmenter la surface d'échanges thermiques entre le milieu amplificateur et l'élément de refroidissement.
On peut ajuster ladite surface d'échanges thermiques en ajustant les dimensions du hublot 70.
En fonctionnement, le milieu amplificateur est agencé pour recevoir un ou plusieurs faisceau(x) lumineux, à une longueur d'onde d'excitation, et pour émettre en réponse un faisceau à une longueur d'onde dite d'émission (flèche 60). Ce phénomène est nommé « pompage optique du milieu amplificateur ».
Le faisceau à la longueur d'onde d'émission émerge du milieu amplificateur du côté de sa face avant 21.
Le ou les faisceau(x) lumineux à la longueur d'onde d'excitation, nommé(s) faisceau(x) de pompage optique, entre(nt) dans le milieu amplificateur par exemple par sa face avant 21. En variante, il(s) se propage(nt) dans un plan parallèle au plan (xOy), et entre(nt) dans le milieu amplificateur par sa face latérale.
En fonctionnement, le milieu amplificateur est placé en outre dans une cavité optiquement résonante à ladite longueur d'onde d'émission, permettant in fine l'émission d'un faisceau laser, en sortie de ladite cavité résonante. La couche réfléchissante 30 forme l'un des miroirs de la cavité résonante.
Le phénomène de pompage optique crée, à l'intérieur du milieu amplificateur, des gradients thermiques susceptibles de dégrader la qualité du faisceau à la longueur d'onde d'émission, et celle du faisceau laser en sortie de la cavité résonante.
En évacuant la chaleur générée dans le milieu amplificateur, vers l'élément de refroidissement, on limite ces gradients thermiques.
Ainsi, en augmentant la surface d'échanges thermiques du milieu amplificateur, l'invention permet d'augmenter une puissance de pompage optique de ce dernier, tout en conservant de faibles gradients thermiques dans celui-ci. On peut ainsi augmenter une puissance du faisceau à la longueur d'onde d'émission, et une puissance du faisceau laser en sortie de la qualité résonante, en limitant très fortement une dégradation des qualités de faisceau.
L'invention permet également d'augmenter une épaisseur du milieu amplificateur, tout en conservant de faibles gradients thermiques dans celui-ci. En particulier, l'épaisseur e du milieu amplificateur selon l'invention n'est pas limitée à des épaisseurs inférieures à 300 pm, comme c'est le cas dans le domaine des lasers à disque mince (« thin disk laser », en anglais). Cette épaisseur e peut être supérieure au millimètre.
De préférence, le hublot 70 et le milieu amplificateur 20 sont en contact physique direct, sur toute la surface de la face avant 21 du milieu amplificateur. On peut ainsi maximiser les échanges thermiques par conduction entre l'un et l'autre, et s'affranchir des effets d'un saut d'indice qui existerait à l'interface avec une couche intermédiaire qui serait intercalée entre les deux.
De préférence, le hublot 70 et le milieu amplificateur 20 sont agencés solidaires l'un de l'autre, sans couche intermédiaire de collage entre les deux.
De préférence, ils sont fixés l'un à l'autre par adhérence moléculaire.
L'adhérence moléculaire est réalisée par l'ensemble des forces attractives d'interaction électroniques entre atomes ou molécules, de la face avant 21 du milieu amplificateur, d'une part, et d'une région d'une face arrière du hublot, d'autre part.
La mise en œuvre d'un collage par adhérence moléculaire comporte généralement une étape de nettoyage des surfaces de contact, suivie d'une étape de rapprochement desdites surfaces, à une distance inférieure à quelques nanomètres.
La technique de collage par adhérence moléculaire ne sera pas décrite ici plus avant, celle-ci n'étant pas nouvelle en tant que telle, et l'homme du métier étant en mesure de trouver dans la littérature les enseignements nécessaires à sa mise en œuvre.
En revanche, un procédé de réalisation d'un élément d'amplification laser selon l'invention, comportant une étape de fixation l'un à l'autre du hublot et du milieu amplificateur, à l'aide d'un collage par adhérence moléculaire, n'est pas connu en soi.
Afin de faciliter le collage par adhérence moléculaire, le hublot et le milieu amplificateur présentent avantageusement une même structure cristalline. De préférence, le hublot est constitué d'un même cristal que le milieu amplificateur, excepté que le hublot est non dopé.
Les figures 3A et 3B illustrent, respectivement selon une vue en perspective et selon une vue en coupe dans un plan parallèle au plan (yOz), un deuxième mode de réalisation d'un élément d'amplification laser 200 selon l'invention.
Ce deuxième mode de réalisation ne sera décrit que pour ses différences relativement au mode de réalisation de la figure 2.
Dans ce deuxième mode de réalisation, l'ensemble d'amplification laser 200 comporte en outre un support périphérique 210, entourant le hublot 70.
Dans l'exemple représenté en figures 3A et 3B, mais de manière non limitative, le support périphérique 210 présente une forme annulaire, et entoure également l'élément de refroidissement 40.
La face avant 71 du hublot, du côté opposé au milieu amplificateur, affleure à la surface supérieure du support périphérique 210. Ladite face avant 71 peut être nommée « face externe du hublot ».
Trois pattes d'appui 211 s'étendent depuis le support périphérique 210, jusqu'à ladite face avant 71 du hublot.
Les pattes d'appui 211 s'étendent chacune radialement, alignées avec un rayon de ladite face avant 71 en forme de disque.
Ici, les pattes d'appui 211 sont équi-réparties angulairement, orientées respectivement à 0°, 120° et 240° relativement à un axe du plan (xOy). A des fins d'illustration, on a cependant représenté deux pattes d'appui 211 sur la vue en coupe de la figure 3B.
Chaque patte d'appui 211 est fixée, à l'une de ses extrémités, sur le support périphérique 210, par exemple à l'aide d'une vis.
Son autre extrémité est laissée libre, et s'étend sur la face avant 71 du hublot.
Chaque patte d'appui 211 est déformable, et présente une élasticité qui lui permet d'exercer une force de retour élastique, sur la face avant 71. Cette force de retour élastique est une force de placage dont la principale composante est orientée selon l'axe (Oz), en direction de la face arrière du milieu amplificateur 20, par l'intermédiaire du hublot 70. Les pattes d'appui 211 permettent donc de presser le hublot 71 et le milieu amplificateur 20 vers l'élément de refroidissement 40.
La force de placage exercée par les pattes d'appui peut être ajustée par le dimensionnement et le positionnement des pattes d'appui, ainsi que par le nombre de pattes d'appui.
La force de placage peut notamment être adaptée en fonction des dimensions et de la masse de l'ensemble hublot 70 et milieu amplificateur 20.
De préférence, on réalise un compromis entre :
- une force élevée, pour améliorer la conduction thermique entre le hublot et l'élément de refroidissement ; et
- et une force réduite, pour limiter une déformation mécanique du hublot (une telle déformation pouvant dégrader la qualité d'un faisceau émis par le milieu amplificateur).
Comme illustré dans la suite, le hublot peut être appuyé directement contre la surface d'échanges thermiques périphérique de l'élément de refroidissement, ou contre une couche intercalaire insérée entre le hublot et ladite surface d'échanges thermiques périphérique (figure 4).
A la figure 3A, on a représenté en pointillés les limites d'une projection 711 selon (Oz) de la face avant du milieu amplificateur, dans le plan de la face avant 71 du hublot.
On définit, sur ladite face avant 71, une région périphérique 712, correspondant à la région de la face avant 71 située hors de ladite projection 711.
Considéré autrement, une projection selon (Oz) (axe orthogonal au plan de la face avant 71)), de ladite région périphérique 712, dans le plan de la face avant du milieu amplificateur, se trouve à l'extérieur de ladite face avant du milieu amplificateur.
Les pattes d'appui 211 ne s'étendent pas, sur la face avant 71 du hublot, au-delà de ladite région périphérique 711.
On peut ainsi, en fonctionnement, exploiter tout le volume du milieu amplificateur 20, sans que les pattes d'appui 211 se trouvent sur le chemin optique du faisceau émis par le milieu amplificateur 20.
Le cas échéant, des cales peuvent être insérées entre l'élément de refroidissement et le hublot, et/ou entre les pattes d'appui 211 et le hublot, pour faciliter l'ajustement de la force de placage par les pattes d'appui.
La figure 4 illustre de manière schématique, selon une vue en coupe dans un plan parallèle au plan (yOz), un troisième mode de réalisation d'un élément d'amplification laser 300 selon l'invention.
Ce troisième mode de réalisation ne sera décrit que pour ses différences relativement au mode de réalisation de la figure 2.
Selon ce mode de réalisation, la surface d'échanges thermiques centrale, 46, et la surface d'échanges thermiques périphérique, 47, sont situées dans des plans non parallèles entre eux. Sur la figure 4, pour des raisons de clarté, l'angle entre ces deux plans est exagéré.
L'ensemble comportant le milieu amplificateur 20, la couche réfléchissante 30, et le hublot 70, est appuyé contre la surface d'échanges thermiques centrale 46, au fond de la cavité 44 formée dans l'élément de refroidissement.
La face arrière 72 du hublot s'étend donc dans un plan parallèle au plan de la surface d'échanges thermiques centrale, 46.
Par conséquent, la face arrière 72 du hublot et la surface d'échanges thermiques périphérique, 47, sont situées dans des plans non parallèles entre eux.
Afin de garantir, malgré cela, des échanges thermiques optimaux entre ces derniers, une couche de conduction thermique 81 est insérée entre ladite face arrière 72 du hublot et la surface d'échanges thermiques périphérique, 47.
La couche de conduction thermique 81 est une couche ductile thermiquement conductrice, par exemple une feuille d'indium ou une pâte thermique.
La couche de conduction thermique 81 s'étend ici en contact physique direct, d'un côté avec le hublot, sur une région périphérique de la face arrière du hublot, autour du milieu amplificateur, et de l'autre avec la surface d'échanges thermiques périphérique 47.
La couche de conduction thermique 81 se déforme pour compenser les désalignements entre la face arrière 72 du hublot et la surface d'échanges thermiques périphérique 47. Elle permet de maximiser les échanges thermiques par conduction entre ces deux faces.
La couche de conduction thermique 81 forme également une cale entre l'élément de refroidissement et le hublot, permettant de faciliter l'ajustement d'une force de placage par des pattes d'appui telles que décrites en référence à la figure 3.
L'invention trouve des applications en particulier dans le domaine des lasers cadencés à forte puissance. Elle permet notamment d'augmenter la cadence et/ou l'énergie d'émission de tels lasers.
L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, et de nombreuses variantes peuvent être mises en œuvre sans sortir du cadre de l'invention.
Par exemple, d'autres matériaux peuvent être utilisés, pour le milieu amplificateur et pour le hublot. De préférence, le milieu amplificateur et le hublot sont néanmoins constitués d'un même cristal, excepté que le cristal du milieu amplificateur est dopé, contrairement à celui du hublot. Par exemple, le milieu amplificateur est en Nd : YAG (grenat d'yttrium-aluminium dopé au néodyme), et le hulot en YAG, ou le milieu amplificateur est en CaF2 dopé Ytterbium, et le hulot en CaF2, etc.
Par exemple, le hublot ne présente pas nécessairement une forme de cylindre, tant qu'il dépasse latéralement relativement au milieu amplificateur. Le rapport entre l'aire de la face du hublot située du côté de l'élément de refroidissement, et l'aire de la face du milieu amplificateur située du côté de l'élément de refroidissement, est de préférence supérieur ou égal à 5, et même supérieur ou égal à 10.
De la même façon, d'autres formes du milieu amplificateur peuvent être mises en œuvre.
Dans les exemples décrits ci-dessus, on a développé le cas particulier d'un élément de refroidissement constitué d'un unique système de refroidissement.
En variante, l'élément de refroidissement selon l'invention peut être constitué de plusieurs systèmes de refroidissement distincts. Chacun de ces systèmes de refroidissement peut comporter une pièce massique en métal, un module Peltier, et un bloc d'évacuation de la chaleur. L'élément de refroidissement comporte par exemple un système de refroidissement central, dédié au refroidissement du milieu amplificateur par sa face arrière, et un système de refroidissement annulaire, dédié au refroidissement via le hublot. En variante, il peut comporter un système de refroidissement central, dédié au refroidissement du milieu amplificateur par sa face arrière, et plusieurs systèmes de refroidissement périphériques, dédiés ensemble au refroidissement via le hublot. Dans ce dernier cas, on définit non pas une, mais plusieurs surfaces d'échanges thermiques dites périphériques.
D'autres configurations d'un système de refroidissement peuvent être mises en œuvre, par exemple avec des couches intermédiaires de contact, assurant un couplage thermique optimal entre la pièce massique en métal et le milieu amplificateur.
De façon similaire à ce qui est décrit en référence à la figure 2, un élément de refroidissement comportant plusieurs systèmes de refroidissement peut présenter une cavité recevant le milieu amplificateur. Que l'élément de refroidissement soit constitué d'un seul ou de plusieurs système(s) de refroidissement, une cavité formée dans l'élément de refroidissement peut recevoir, outre le milieu amplificateur, une gaine annulaire, nommée « cladding », entourant le milieu amplificateur et servant à limiter l'impact de l'émission spontanée amplifiée du milieu amplificateur.
Des moyens d'émission d'un faisceau laser de pompage ne font pas partie de l'élément d'amplification laser selon l'invention. On peut cependant définir un système d'amplification laser selon l'invention, comportant un élément d'amplification laser selon l'invention, et une source lumineuse adaptée à émettre un faisceau lumineux en direction du milieu amplificateur, à une longueur d'onde d'excitation de ce dernier, de manière à réaliser un pompage optique du milieu amplificateur.
Le hublot peut ne pas être en contact physique direct avec le milieu amplificateur.
Une fine couche de pâte thermique, transparente à la longueur d'onde d'émission du milieu amplificateur, peut être insérée entre le hublot et le milieu amplificateur.
Enfin, l'élément de refroidissement ne comporte pas forcément une cavité dans laquelle est logé le milieu amplificateur. L'ensemble comprenant le milieu amplificateur et 15 le hublot peut reposer contre une face plane du milieu amplificateur. Les transferts thermiques entre l'élément de refroidissement et le hublot sont alors assurés grâce à une couche thermiquement conductrice, comportant par exemple une pâte thermique et/ou de l'indium.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS
    1. Elément d'amplification laser (100 ; 200 ; 300) comportant :
    un milieu amplificateur (20), présentant deux faces opposées, nommées respectivement face avant (21) et face arrière (22) du milieu amplificateur ; et un ensemble de refroidissement comportant au moins un système de refroidissement (40), ledit ensemble étant adapté à réaliser des échanges thermiques avec le milieu amplificateur (20), et situé du côté de la face arrière (22) du milieu amplificateur ;
    caractérisé en ce que :
    l'ensemble de refroidissement comporte une surface d'échanges thermiques centrale (46), recouverte par la face arrière (22) du milieu amplificateur, et une ou plusieurs surface(s) d'échanges thermiques périphérique(s) (47), qui dépassent latéralement relativement à la face arrière (22) du milieu amplificateur ;
    l'élément d'amplification laser (100 ; 200 ; 300) comprend en outre un hublot (70), situé du côté de la face avant (21) du milieu amplificateur, recouvrant à la fois la face avant (21) du milieu amplificateur et la ou les surface(s) d'échanges thermiques périphérique(s) (47) de l'élément de refroidissement.
  2. 2. Elément d'amplification laser (100 ; 200 ; 300) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu amplificateur (20) est un cristal dopé, et en ce que le hublot (70) est un cristal de même composition que le milieu amplificateur, excepté qu'il est non dopé.
  3. 3. Elément d'amplification laser (100; 200; 300) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le milieu amplificateur (20) et le hublot (70) sont en contact physique direct l'un avec l'autre.
  4. 4. Elément d'amplification laser (100 ; 200 ; 300) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le milieu amplificateur (20) et le hublot (70) sont solidaires l'un de l'autre, fixés l'un à l'autre par adhérence moléculaire.
  5. 5. Elément d'amplification laser (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux pattes d'appui (211), s'étendant chacune radialement depuis l'extérieur du hublot jusque sur une face externe (71) du hublot, du côté opposé au milieu amplificateur.
  6. 6. Elément d'amplification laser (200) selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites pattes (211) s'étendent chacune radialement jusque dans une région périphérique (712) de ladite face externe du hublot, un projeté orthogonal de ladite région périphérique (712), dans le plan de la face avant (21) du milieu amplificateur, se trouvant hors de ladite face avant du milieu amplificateur.
  7. 7. Elément d'amplification laser (100; 200; 300) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément de refroidissement présente une cavité (44) à l'intérieur de laquelle se trouve le milieu amplificateur (20), le fond de la cavité formant la surface d'échanges thermiques centrale (46), et une ou plusieurs surface(s) périphérique(s) autour de la cavité formant la ou les surface(s) d'échanges thermiques périphérique(s) (47) de l'élément de refroidissement.
  8. 8. Elément d'amplification laser (300) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une couche de conduction thermique (81) est intercalée entre la ou les surface(s) d'échanges thermiques périphérique(s) (47), et le hublot (70).
  9. 9. Elément d'amplification laser (300) selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche de conduction thermique (81) est constituée d'une feuille d'indium.
  10. 10. Elément d'amplification laser (300) selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche de conduction thermique (81) est constituée d'une couche de pâte thermique.
  11. 11. Elément d'amplification laser (100; 200; 300) selon l'une quelconque des 5 revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le milieu amplificateur (20) présente la forme d'un cylindre de révolution, de diamètre (d) supérieur ou égal à trois fois son épaisseur (e).
  12. 12. Elément d'amplification laser (100; 200; 300) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le milieu amplificateur (20) présente la forme
    10 d'un cylindre de révolution, d'épaisseur (e) supérieure à 1 mm.
  13. 13. Elément d'amplification laser (100; 200; 300) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le hublot (70) présente la forme d'un cylindre de révolution, de diamètre (D) supérieur ou égal au double du diamètre (d) du milieu
  14. 15 amplificateur.
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