FR3144432A1 - Dispositif d’émission de lumière avec une extraction améliorée - Google Patents
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Abstract
Dispositif d’émission de lumière comprenant : un concentrateur de lumière (CL) dans un matériau solide fluorescent ou scintillateur comprenant au moins sept faces, deux faces parallèles appelées grandes faces (FE1, FE2), et au moins cinq faces dites latérales (FL1, FL2, FS, FT1, FT2) dont : une première face latérale (FL1) et une deuxième face latérale (FL2) présentant une surface supérieure à une surface des autres faces latérales,une troisième face latérale (FS), dite face de sortie, adjacente à la première face latérale et à la deuxième face latérale, une face latérale dite première facette (FT1) adjacente à la première face latérale et une face latérale dite deuxième facette (FT2) adjacente à la deuxième face latérale, la première facette et la deuxième facette formant un angle compris inférieur à 175 ° et supérieur à 0°un premier miroir (M1) disposé de manière à couvrir ladite première facette (FT1),un second miroir (M2) disposé de manière à couvrir ladite deuxième facette (FT2). Fig.3A
Description
La présente invention concerne le domaine des concentrateurs pompés par un rayonnement externe et plus particulièrement de l’amélioration de l’extraction de la lumière émise au sein de tel concentrateur.
Les diodes électroluminescentes (LED) possèdent de nombreuses applications dans le domaine de l’éclairage. Cependant, la luminance des LED est limitée à des valeurs ne convenant pas à certaines applications.
Une solution pour augmenter la luminance des LED est d’utiliser des concentrateurs de lumière pompés par LED (voir par exemple Barbet, Adrien, et al. "Light-emitting diode pumped luminescent concentrators: a new opportunity for low-cost solid-state lasers."Optica3.5 (2016): 465-468.). Ce concentrateur est, par exemple, un cristal fluorescent dans le visible (rouge-orange) comme le Ce:YAG qui absorbe dans le bleu (vers 450 nm), à une longueur d'onde où les LED sont très performantes. Le cristal est taillé sous la forme d'un plan, tapissé par des centaines (voire des milliers) de LED sur les deux grandes surfaces et avec une émission par les tranches. Ces concentrateurs permettent d’obtenir des valeurs de luminance 10 à 20 fois plus élevées que celle d'une LED.
La figure 1A illustre un exemple de module d’émission de lumière ME0 connu de l’art antérieur basé sur un cristal concentrateur CL ayant la forme d'un parallélépipède de longueur , de largeur , et d'épaisseur . Le module d’émission ME0 comprend un ensemble de LED destinées à émettre dans une première bande spectrale et un concentrateur de lumière CL. Le concentrateur CL présente au moins une face d’éclairement FE1, FE2, de dimensions illuminée par le rayonnement électroluminescent Ldémis par les LED (pompage optique). On appelle aussi les faces d’éclairements FE1, FE2 « grandes faces de pompage» car leur surface est supérieure à celle des autres faces du concentrateur afin de rendre l'exposition au rayonnement de pompage incident (Ld) la plus grande possible. La face de sortie FS est choisie parmi les deux faces les plus petites (ici ). L'isotropie de l'émission implique que la même quantité de lumière sort sur toutes les faces. La face la plus petite a donc l'éclairement le plus grand. C'est l'effet concentrateur qui est utilisé pour augmenter l'éclairement et la luminance. La structure est donc composée de deux grandes faces de pompage (FE1, FE2), de deux grandes faces latérales (FL1, FL2) et de deux petites faces latérales dont l'une est choisie comme face de sortie FS.
Le cristal du concentrateur est configuré pour absorber le rayonnement électroluminescent Ld. Le flux lumineux émis par les LED et dirigé vers la face d’éclairement est absorbé par les luminophores Lum du cristal fluorescent qui sont répartis dans l’ensemble du volume du cristal et qui émettent alors un rayonnement de fluorescence à l'intérieur du cristal. A l'intérieur du concentrateur, les rayons émis peuvent être classés en deux grandes catégories :
- les rayons piégés notés Lp: ces rayons sont piégés dans le cristal du fait de la réflexion totale interne (RTI) sur les différentes faces du cristal. Ces rayons existent par exemple si le concentrateur est placé dans l'air et si sa forme est un parallélépipède doté de 6 faces parallèles deux à deux et perpendiculaires entre elles et si l'indice du concentrateur est supérieur à
- les rayons non piégés sont les rayons qui finissent par sortir du cristal. Ils se séparent en deux sous-catégories : les rayons guidés notés Lgdont la caractéristique est d'être guidés par RTI et de sortir sur l'une des faces du concentrateur et les rayons non guidés notés Lout qui sortent directement du concentrateur sans se réfléchir sur les faces.
La est une représentation du diagramme angulaire des rayons émis et piégés dans le concentrateur (parallélépipède composé de 6 faces parallèles deux à deux). Les calottes sombres –aussi appelés « cônes de sortie » ou « cônes d’échappement »- représentent les angles correspondant aux rayons non piégés (guidés et non guidés) pour chaque face du concentrateur et les zones claires représentent les angles correspondant aux rayons piégés par réflexion totale interne au sein du concentrateur. Dans cette représentation donnée à titre d’exemple, le milieu choisi comme cristal concentrateur CL est un cristal de Ce:YAG (indice n2=1,82) présentant un angle critique de 33° lorsque le milieu ambiant est l’air. Cet angle correspond à l'angle au sommet du cône de sortie sur les faces du concentrateur. Le pourcentage de rayonnement piégé par RTI par rapport au rayonnement non piégé est fixé par l’indice du cristal et celui du milieu ambiant par la loi de Snell-Descartes.
Dans le concentrateur de la figure 1A, en supposant que la face de sortie est en contact avec l’air (indice n=1) et que l’indice du concentrateur est n=1.82 (par exemple en YAG), 8% seulement du rayonnement de fluorescence traverse la face de sortie FS pour former le faisceau de sortie . Le reste du rayonnement de fluorescence est piégé au sein du concentrateur par réflexion totale interne (52%) ou quitte le concentrateur en sortant par les autres faces (5x8%) (voir ). Dans le cas d’un concentrateur parallélépipédique (n=2.4) dans l’air, le pourcentage de rayons piégés atteint 73%.
Les concentrateurs luminescents sont des sources de lumière isotrope avec de la lumière sortant par toutes les faces et dans toutes les directions. Dans une perspective d'utilisation, il est important de pouvoir collecter la lumière sortant par une seule face. Cette face est la face de sortie FS. L'efficacité d'extraction du concentrateur est définie par le ratio entre la puissance lumineuse sortant par FS (la puissance du faisceau de sortie ) et la puissance lumineuse totale émise par le concentrateur.
L’efficacité d’extraction dans les milieux émetteurs de lumière est un sujet crucial dans le domaine des scintillateurs depuis plus de 50 ans (voir par exemple M Ankenbrandt and E.M.Lent "Increasing the light collection efficiency of scintillation counters", RSI Vol 34 N°6 p647 (1963)). Ce sujet est particulièrement important du fait de l' indice de réfraction élevé des scintillateurs (Ce:YAG n=1.83, BGO n=2.15). qui entraine un pourcentage élevé de lumière piégée par réflexion totale interne (52% pour le Ce:YAG, 65% pour le BGO dans une géométrie parallélépipédique) et donc une faible efficacité d'extraction
Le problème de l’efficacité d’extraction est aussi d’intérêt dans le domaine de l’optique quantique pour l’émission de photons uniques qui utilise des diamants comprenant des centres azote-lacunes (centres N-V). En effet, les diamants présentent un pourcentage élevé de lumière piégée par réflexion totale interne (73% pour dans une géométrie parallélépipédique) compte tenu de leur indice élevé (n=2.4). Cette propriété limite les performances de l'émetteur à centre N-V.
Afin d’augmenter l’efficacité d’extraction, il est connu de l’homme de l’art de placer un miroir sur la face latérale opposée à la face de sortie comme illustré en , appelée configuration standard. Il est alors possible de doubler l’efficacité d’extraction par rapport aux valeurs précédentes (2x8%=16% pour le Ce:YAG et 2x4,5%=9% pour le diamant dans une géométrie parallélépipédique) en couplant les cônes de sortie 1 et 2 grâce au miroir. Cependant, cette efficacité d’extraction reste très limitée par rapport au potentiel.
Une autre solution détaillée dans le document EP21305827 et illustrée dans la figure 2A consiste à modifier le concentrateur de la figure 1A en introduisant une nouvelle face sous la forme d'une arête biseauté SA entre deux faces latérales définie comme la face de sortie et traversée par le faisceau de sortie . En adaptant de manière judicieuse la normale de l’arête SA, il est possible de « recycler » une portion importante des rayons qui auraient été piégés dans le concentrateur CL sans cette arête biseauté SA et de les diriger vers la face de sortie. Le couplage entre les cônes est assuré par imagerie sur les faces latérales considérées comme des miroirs plans. Ainsi, l'image du cône N°1 par les faces latérales verticales (resp. horizontales) de la est le cône N°4 (resp. N°2). La montre donc que le cône de sortie a 3 antécédents par imagerie sur les faces latérales de la structure (cônes 1, 2 et 3). Il est donc théoriquement possible d’obtenir une efficacité d’extraction 4 fois plus importante que celle de la . Cette configuration conduit à une efficacité d’extraction de 4x8%=32% pour le Ce:YAG et 4x4,5%=18% pour le diamant dans une géométrie parallélépipédique.
Cependant, il reste souhaitable d’améliorer encore cette efficacité d’extraction.
Le principe de l'invention est d'augmenter le nombre de cônes couplés vers la face de sortie en considérant les antécédents du cône de sortie par imagerie multiple sur les faces latérales.
A cet effet, un objet de l’invention est un dispositif d’émission de lumière comprenant :
- un concentrateur de lumière dans un matériau solide fluorescent ou scintillateur comprenant au moins sept faces, deux grandes faces parallèles et au moins cinq faces dites latérales dont une première face latérale et une deuxième face latérale présentant une surface supérieure à une surface des autres faces latérales, une face de sortie adjacente à la première face latérale et à la deuxième face latérale, une première facette adjacente à la première face latérale et une facette adjacente à la deuxième face latérale, la première facette et la deuxième facette formant un angle
- un premier miroir disposé de manière à couvrir ladite première facette
- un second miroir disposé de manière à couvrir ladite deuxième facette.
Par un choix judicieux de l’angle entre la première facette et la deuxième facette, le concentrateur permet de coupler le cône de sortie associé à la face de sortie à d'autres cônes existant dans la structure par imagerie, de manière à obtenir une efficacité d’extraction plus élevée que celle des solutions de l’art antérieur.
A cet effet, un objet de l’invention est un dispositif d’émission de lumière comprenant :
- un concentrateur de lumière dans un matériau solide fluorescent ou scintillateur présentant un indice
- une première face latérale et une deuxième face latérale présentant une surface supérieure à une surface des autres faces latérales,
- une troisième face latérale, dite face de sortie, adjacente à la première face latérale et à la deuxième face latérale, une portion, dite portion sortante, des rayons dudit rayonnement luminescent étant guidé par réflexion totale interne au sein du concentrateur en traversant ladite face de sortie
- une face latérale dite première facette adjacente à la première face latérale et une face latérale dite deuxième facette adjacente à la deuxième face latérale,
- un premier miroir disposé de manière à couvrir ladite première facette
- un second miroir disposé de manière à couvrir ladite deuxième facette
Selon un mode de réalisation, l’angle est adapté en fonction des dimensions et d’une disposition des facettes afin de maximiser une efficacité d’extraction du faisceau de sortie.
Selon un mode de réalisation, l’angle est compris entre 95° et 160°.
Selon un mode de réalisation, l’angle est compris entre 100° et 140°.
Selon un mode de réalisation, l’angle est compris entre 100° et 120°.
Selon un mode de réalisation, l’angle est égal à 110° à .
Selon un mode de réalisation, le concentrateur comprend un nombre de faces latérales égal à 5, la première et la deuxième facette étant adjacentes.
Selon un mode de réalisation, le concentrateur comprend un nombre de faces latérales égal à 6, dont une facette additionnelle adjacente à la première facette et à la deuxième facette.
Selon un mode de réalisation, le concentrateur comprend un nombre de faces latérales supérieur à 6, dont une pluralité de facettes additionnelles, chaque facette additionnelle étant adjacente à deux autres facettes additionnelles, ou adjacente à une autre facette additionnelle et à la première facette ou adjacente à une autre facette additionnelle et à la deuxième facette.
Selon un mode de réalisation, les grandes faces présentent une surface supérieure à une surface des autres faces.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un premier miroir additionnel disposé de manière à couvrir ladite première face latérale et un deuxième miroir additionnel disposé de manière à couvrir ladite deuxième face latérale. De manière préférentielle, la première face latérale et la deuxième face latérale ne sont pas parallèles.
Selon un mode de réalisation, l’indice du concentrateur est supérieur à 1,5, le dispositif comprenant un milieu de sortie en contact avec la face de sortie et présentant un indice tel que . De manière préférentielle, le dispositif comprend un système optique accolé au milieu de sortie adapté pour collimater des rayons du faisceau de sortie.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un troisième miroir additionnel disposé de manière à couvrir ladite face de sortie, et dans lequel le concentrateur présente une arête biseauté entre la face de sortie et la première face latérale de manière à ce qu’une portion, dite portion recyclée additionnelle, de ladite portion piégée traverse ladite arête biseautée formant un faisceau de sortie dit additionnel.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :
Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle et les références identiques désignent des éléments identiques.
La figure 3A illustre une vue schématique en perspective d’un dispositif d’émission de lumière 1 selon l’invention. La figure 3B illustre une vue schématique de dessus selon un plan du dispositif d’émission de lumière 1 selon l’invention.
Le dispositif d’émission de lumière selon l’invention comprend un concentrateur de lumière CL élaboré à partir d'un matériau solide fluorescent ou scintillateur adapté pour absorber une lumière incidente Ldprovoquant l’émission d’un rayonnement luminescent LLau sein du concentrateur.
Le concentrateur CL de l’invention présente une géométrie optimisée afin d’optimiser l’extraction du rayonnement luminescent LL .
Le concentrateur présente un indice préférentiellement supérieur à 1,5 car la géométrie de l’invention est particulièrement avantageuse pour des indices élevés (voir décrite plus loin).
Le concentrateur CL comprend au moins sept faces dont deux faces parallèles appelées « grandes faces » ou « faces d’éclairement » FE1, FE2. Par « faces parallèle », on entend ici et dans le reste du document que les faces sont parallèles à . A titre d’exemple, dans les figures 3A et 3B, les grandes faces FE1, FE2 présentent deux dimensions principales : une longueur et une largeur .
De manière préférentielle, les grandes faces présentent une surface supérieure à une surface des autres faces afin de rendre l'exposition au rayonnement de pompage incident (Ld) la plus grande possible. Cela permet l’obtention d’un faisceau de sortie présentant une puissance plus élevée.
Le concentrateur CL comprend en outre au moins cinq faces dites latérales dont une première face latérale FL1 et une deuxième face latérale FL2. Les faces latérales FL1, FL2 présentent une surface supérieure à une surface des autres faces latérales afin d'assurer un effet de concentration sur la face de sortie, comme expliqué précédemment. A titre d’exemple, dans les figures 2A et 2B, les faces latérales FL1, FL2 sont rectangulaires et présentent des dimensions , avec une épaisseur du concentrateur.
Le concentrateur Cl comprend une troisième face latérale FS, dite face de sortie, adjacente à la première face latérale FL1 et à la deuxième face latérale FL2. A titre d’exemple, dans les figures 2A et 2B, la face FS est rectangulaire et présente une dimension .
Enfin, le concentrateur CL comprend deux autres faces latérales : une face latérale dite première facette FT1 adjacente à la première face latérale et une face latérale dite deuxième facette FT2 adjacente à la deuxième face latérale. Les normales aux plans des deux facettes FT1 et FT2 forment entre elles un angle A (voir figure 3B) On définit l'angle entre les facettes comme l'angle . Dans l'invention, cet angle est supérieur à 0° et inférieur à 175°.
On note que le cas (voir par exemple) ne correspond pas à un mode de réalisation de l’invention mais correspond à la configuration de l’art antérieur de la (configuration « standard »).
Le dispositif 1 comprend de plus un premier miroir M1 disposé de manière à couvrir la première facette FT1 et un second miroir M2 disposé de manière à couvrir la deuxième facette FT2.
De manière connue en soit, une portion, dite portion piégée Lp, du rayonnement luminescent LLest piégée par réflexion totale interne au sein du concentrateur. Une deuxième portion est composée de lumière qui sort du concentrateur, avec une partie guidée vers les tranches Lget une partie Loutqui sort directement du concentrateur sans réflexion sur une des faces. On appelle portion sortante , les rayons du rayonnement luminescent LLguidés par réflexion totale interne au sein du concentrateur en traversant la face de sortie FS.
De plus, on appelle portion recyclée Lr, la portion du rayonnement luminescent traversant la face de sortie FS après au moins une réflexion sur la première ou la deuxième facette ou sur le premier ou le second miroir. La portion sortante et la portion recyclée Lrforment le faisceau de sortie .
Par rapport aux configurations précédentes (Fig1.A et ), le cône de sortie peut s'imager sur 4 faces latérales (FL1, FL2, FT1, FT2) au lieu de une (Fig1.A) ou de trois ( ). Le cône de sortie peut donc avoir plus d'antécédents par imagerie sur les faces latérales. Ainsi, plus de cônes peuvent être couplés vers la sortie, ce qui entraine une augmentation de l'efficacité d'extraction.
De manière préférentielle, l’angle est adapté en fonction des dimensions et d’une disposition des facettes afin de maximiser l'efficacité d’extraction du faisceau de sortie. En effet, il est entendu que les valeurs de l’angle permettant de maximiser l’efficacité d’extraction dépendent directement de la géométrie de la structure. Comme cela sera détaillé plus loin, pour une géométrie donnée, il est possible de calculer par simulation les valeurs d’angle qui permettront cette optimisation.
La figure 4 est une représentation graphique de la direction angulaire des antécédents du cône de sortie, générés par imagerie dans la structure, pour trois angles différents entre FT1 et FT2 : (graphique de gauche), (graphique du centre), (graphique de droite). Pour clarifier la lecture du graphique, la donne uniquement la direction angulaire de l’axe central des cônes considérés. Celle-ci est donnée par la droite passant par le centre des cercles et les points placés sur le cercle. Ainsi, chaque point des graphiques représente l'axe d’un cône, antécédent du cône de sortie.
A titre d’exemple non limitatif, dans le mode de réalisation des figures 3A et 3B, les faces latérales présentent chacune une normale dans un plan parallèle auxdites grandes faces. Aussi, tous les cônes considérés dans la figure 4 ont leur axe central dans le plan des grandes faces. En effet, leurs images par les grandes faces sont les cônes eux-mêmes, car les réflexions par un miroir ne changent pas l'axe des cônes appartenant au plan du miroir.
De plus, à titre d’exemple non limitatif dans le mode de réalisation des figures 3A et 3B, les dimensions des facettes FT1 et FT2 sont identiques. On montre que dans le cas où: , avec p entier, le nombre d'antécédents possible pour le cône de sortie FS est fini et vaut 2p-1. Par exemple, pour on a et il existe donc antécédents du cône de sortie. Selon les valeurs de l'angle , les images peuvent être très nombreuses (comme dans le cas montré sur la ).
De manière plus générale, dans une géométrie différente de celle du mode de réalisation de la figure 3A et 3B, on dira que le nombre d'antécédents dépend de la valeur de l'angle .
La figure 5 est une représentation graphique de l'efficacité d'extraction en fonction de l’angle du concentrateur de l’invention, pour trois valeurs différentes d’indice de concentrateur (nc=1.5, nc=1.83 et nc=2.4). La présente des résultats de simulations par lancé de rayons via la méthode Monte Carlo permettant de faire une estimation de l'efficacité d'extraction grâce à ce couplage des rayons vers le cône de sortie.
Les résultats de la sont obtenus pour un concentrateur selon la géométrie du mode de réalisation des figures 3A et 3B modifiée de manière à comprendre un premier miroir additionnel disposé de manière à couvrir ladite première face latérale FL1 et un deuxième miroir additionnel disposé de manière à couvrir ladite deuxième face latérale FL2 (configuration « optimisée »). Ces miroirs additionnels permettent d’améliorer l’efficacité d’extraction.
A titre d’exemple non limitatif, ces résultats sont présentés en supposant que les miroirs sont totalement réfléchissants et pour un concentrateur présentant un coefficient de pertes linéiques égale à pour la longueur d’onde centrale du rayonnement de luminescence.
La figure 5 illustre le fait que l’efficacité d’extraction est nettement améliorée par rapport à la configuration standard pour des conditions de faibles pertes linéiques et pour des miroirs parfaits. Ces conditions sont proches de la réalité pour un concentrateur en Ce:YAG (d’indice ) qui est un cristal ayant très peu de pertes.
De plus, l’efficacité d’extraction de la configuration de la est nettement améliorée par rapport à celle de la configuration de l’art antérieur des figures 2A et 2B. Pour rappel, la configuration de l’art antérieur des figures 2A et 2B permet d’obtenir une efficacité d’extraction maximale de 4x8%=32% pour le Ce:YAG et 4x4,5%=18% pour le diamant. La configuration de la permet d’obtenir une efficacité d’extraction de 40% pour le Ce:YAG et de 28% pour le diamant (d’indice 2.4). On remarque que l’amélioration est relativement plus significative lorsque que l'indice du concentrateur est élevé. Ceci peut se comprendre par la taille des cônes d'autant plus faible que l'indice est grand.
La forme "en cloche" des courbes peut s'interpréter de la façon suivante:
- pour les angles proche de 180°, il est nécessaire de faire beaucoup d'allers et retours dans la structure pour faire "tourner les rayons" et coupler un grand nombre de rayons vers la sortie. Deux raisons peuvent être données. La première est liée à l'angle de rotation du rayon à la sortie de la réflexion par les facettes FT1, FT2 qui est d'autant plus faible que l'angle
- pour l'angle
La figure 6 est une représentation graphique de l'efficacité d'extraction en fonction de l’angle du concentrateur de l’invention, pour trois valeurs différentes de coefficient de pertes linéiques : (courbe du haut), (courbe du milieu), (courbe du bas).
La figure 6 est obtenue pour la même configuration que la figure 5 (« configuration optimisée ») et pour un concentrateur en diamant (indice ) et les valeurs d’efficacité d’extraction sont normalisées par rapport à la configuration standard.
La illustre le fait qu’il existe une baisse d’efficacité d’extraction très prononcée pour un angle de 90° et certaines baisses locales dans des configurations où peu d'images sont couplées sur le cône de sortie (angle de 120° ou 130°). On constate que les meilleures performances sont obtenues pour des angles proches de 110° lorsque les pertes sont faibles dans la structure. Pour des pertes plus importantes (courbes du bas), les effets de baisse locale s'amenuisent. En effet, la distance moyenne de propagation des rayons étant limitée par les pertes, les configurations nécessitant de multiples réflexions (et donc de grandes distances de propagation) deviennent moins efficaces en extraction.
Aussi, de manière préférentielle, l’angle est compris entre 95° et 160° pour optimiser l’efficacité d’extraction. Afin d’encore améliorer cette efficacité d’extraction, l’angle est compris entre 100° et 140°. Afin d’encore améliorer cette efficacité d’extraction, l’angle est compris entre 100° et 120°. Pour obtenir une efficacité d’extraction maximale, de manière préférentielle, l’angle est égal à 110° à . Par des simulations, les inventeurs ont déterminés que ces valeurs d’angle sont avantageuses quelque soit la taille relative des facettes ou quelque soit le nombre de facettes.
D'après les simulations, le critère de choix de l'angle semble assez tolérant à partir du moment où le nombre d'images multiples du cône de sortie associé à la face FS est suffisant. Ce nombre d’images multiples dépend de l'indice du milieu et de la valeur de l'angle .
Pour illustrer cela, les figures 7 et 8 sont une représentation sous la forme d'un planisphère des cônes de sortie en utilisant des coordonnées angulaires . est l’angle par rapport à l’axe et est l’angle dans le plan , par rapport à l’axe y. Les zones blanches entres les cônes correspondent aux rayons piégés . Pour rappel, les portions angulaires correspondent aux cônes d'échappement sur les grandes faces FE1, FE2. La portion angulaire correspond au cône de sortie associé à la face FS. Enfin, la portion correspond aux cônes recyclés par les réflexions sur les facettes FT1, FT2, FL1, FL2 et sortant par la face FS. Sans les faces FT1 et FT2, cette lumière ne rejoindrait pas la face de sortie, elle sortirait par les faces latérales ou resterait piégée dans le concentrateur . Le faisceau de sortie est donc composé des portions .
A titre d’exemple non imitatif, les figures 7 et 8 sont données pour la configuration « optimisée », avec un concentrateur en diamant (d’indice 2.4). La figure 7 correspond au mode de réalisation où et la figure 8 correspond au mode de réalisation où .
Dans le mode de réalisation de la figure 7, pour l'angle °, le cône de sortie n'a que 5 antécédents. Compte tenu de l’indice élevé du concentrateur, l’angle critique associé à ce cône de sortie est faible et le cône est petit. Dans ce cas, les images du cône de sortie qui forment la portion recyclée ne se recouvrent pas et l'efficacité d’extraction sera faible. Pour choisir l'angle de manière à maximiser l'efficacité d’extraction, un critère est le recouvrement des images adjacentes du cône de sortie , l'angle entre deux axes de cônes adjacents correspondant à l'angle au sommet du cône de sortie.
Il est possible d'extraire la lumière sur une "couronne"; correspondant au chevauchement du cône de sortie associé à la face FS et de ses images que l'on voit apparaître sur la figure 8. En effet, dans le mode de réalisation de la figure 8, on combine 16 cônes d’échappement dans le faisceau de sortie . La montre que dans ce cas, quasiment toute la couronne est extraite.
Il est aussi possible de maximiser l’efficacité d’extraction en utilisant un angle plus faible afin d'assurer une multiplication rapide des rayons et ainsi ne pas être limité par les pertes par propagation. En effet, comme le montrent les figures 5 et 6, l’efficacité d'extraction est meilleure pour un angle d’environ . Cette solution permet de couvrir toute la couronne en peu d'allers et retours. En effet, avec un tel angle, les rayons ont 4 possibilités avant de repartir vers la face de sortie, selon leur position dans le concentrateur : ils peuvent se réfléchir sur FT1 seulement, sur FT2 seulement ou sur une combinaison FT1-FT2 ou FT2-FT1.
Une validation expérimentale du concept a été réalisée avec un concentrateur CL en PMMA (indice dopé par un colorant de couleur orange (lumogène, Evonics) avec une géométrie optimisée. Les résultats obtenus montrent une puissance de sortie augmentée de 60% par rapport à une configuration standard pour un angle proche de 120°. Le coefficient de perte estimé par simulation est de 6.10-2cm-1 .
Le concept de l’invention est donc validé alors même que la configuration expérimentale est loin d'être optimale car le milieu choisi a beaucoup de pertes (PMMA dopé par un colorant). Des pertes de l'ordre de 10-3cm-1peuvent être obtenues dans des cristaux bien maitrisés tels que le Ce:YAG. Dans ce cas, les performances seront encore meilleures et pourront rejoindre les valeurs indiquées sur la , triplant l'extraction par rapport à une configuration standard.
A titre d’exemple non limitatif, dans le mode de réalisation des figures 3A et 3B, le concentrateur comprend un nombre de faces latérales égal à 5 et la première facette FT1 et la deuxième facette FT2 sont adjacentes et présentent des dimensions identiques. Alternativement, selon un autre mode de réalisation illustré dans la , la première et la deuxième facette sont adjacentes et présentent des dimensions différentes. Ceci a pour avantage de rendre la structure moins symétrique et donc de limiter les rayons piégés qui pourraient se propager dans le concentrateur sans rencontrer la face de sortie avec un angle appartenant au cône de sortie.
Selon un autre mode de réalisation illustré dans la figure 10, le concentrateur CL comprend un nombre de faces latérales égal à 6, dont une facette additionnelle FTA adjacente à la première facette FT1 et à la deuxième facette FT2. Pour clarifier la représentation, les miroirs M1, M2 ne sont pas représentés dans la figure 10, bien qu’ils soient compris dans le dispositif 1. La facette FTA permet de favoriser un plus grand nombre de réflexions des rayons de la portion et donc une sortie au travers de la face FS en moyenne plus rapide des rayons. La facette FTA permet donc potentiellement d’augmenter l’efficacité d’extraction en réduisant les pertes par propagation associées au faisceau . Les angles et (définis sur la Fig.10) étant liés à par la relation , on remarque que c’est toujours l’angle qui conditionne l’efficacité d’extraction de la structure du mode de réalisation de la .
Selon un autre mode de réalisation, le concentrateur comprend un nombre de faces latérales supérieur à 6, dont une pluralité de facettes additionnelles. Chacune de ces faces additionnelles est adjacente à deux autres facettes additionnelles, ou adjacente à une autre facette additionnelle et à la première facette FT1 ou adjacente à une autre facette additionnelle et à la deuxième facette FT2. Comme la facette additionnelle FTA du mode de réalisation de la figure 10, ces facettes additionnelles permettent potentiellement d’augmenter l’efficacité d’extraction en réduisant les pertes par propagation associées au faisceau .
Selon un mode de réalisation compatible avec tous les modes de réalisation récemment évoqués, la première face latérale FL1 et la deuxième face latérale FL2 ne sont pas parallèles. Selon l’angle choisi, ce non-parallélisme permet d’augmenter le nombre d’images du cône de sortie produites par réflexion sur les faces latérales. Cela permet donc potentiellement d’augmenter l’efficacité d’extraction dans les cas où elle n’est pas maximisée par l’angle .
Dans les structures avec pompage par un rayonnement optique, il faut laisser les grandes faces FE1, FE2 de pompage libre d'accès. En outre, il est en pratique délicat de mettre des miroirs dichroïques sur ces grandes faces FE1, FE2 car il faut réfléchir avec un excellent coefficient (R>99,9%) des incidences multiples et des spectres larges tout en transmettant le rayonnement de pompe. Aussi, les cônes d'échappement sur les grandes faces sont irrécupérables. Les pertes par ces cônes sont liées à l'indice. Le tableau 1 ci-dessous montre que pour des indices élevés (n=1,83 ou n=2,4 par exemple), la couronne extraite dans l'air est loin du potentiel total (c’est à dire la totalité des rayons émis moins les deux cônes ). En effet, l'épaisseur de la couronne est liée à l'angle du cône de sortie qui est aussi l'angle de réflexion totale interne ( ).
Afin d'augmenter cet angle critique , il est préférable d’utiliser un milieu de sortie présentant un indice plus grand que l'air, lorsque l’indice du concentrateur est élevé.
La figure 11 illustre un mode de réalisation préféré de l’invention dans lequel le dispositif comprend un milieu de sortie MS en contact avec la face de sortie et présentant un indice tel que . Selon le mode de réalisation illustré dans la , le dispositif comprend un premier miroir additionnel M1’ disposé de manière à couvrir la première face latérale FL1 et un deuxième miroir additionnel M2’ disposé de manière à couvrir ladite deuxième face latérale FL2. Ces miroirs M1’, M2’ sont optionnels et permettent d’augmenter l’efficacité d’extraction en évitant que du rayonnement de luminescence traverse les faces FL1, FL2 avant de sortir par la face de sortie FS (configuration dite optimisée).
Le milieu de sortie MS permet d’augmenter l’efficacité d’extraction en augmentant l’angle critique associé au cône de sortie de la face FS, ce qui forme un cône de sortie plus large. Ce mode de réalisation présente un intérêt particulier lorsque l’indice du concentrateur est élevé. Cet effet est illustré dans la ligne « Extraction couronne colle » du tableau 1 qui présente l’efficacité d’extraction de la configuration de la figure 11. Il faut la comparer à la ligne «Extraction couronne air » qui présente l’efficacité d’extraction de la configuration des figures 3A et 3B avec un milieu de sortie qui est l’air. Il est possible d’augmenter l’efficacité d’extraction de 42% à 71% dans un concentrateur d’indice grâce un milieu de sortie MS d’indice 1,7 par exemple.
De manière préférentielle, comme illustré dans la figure 11, le dispositif comprend un système optique SO accolé au milieu de sortie adapté pour collimater des rayons du faisceau de sortie . Le système optique SO est une optique non imageante qui va redresser les rayons sortant du milieu de sortie MS et leur permettre de sortir dans l'air. Dans ce mode de réalisation, le milieu de sortie MS est par exemple une colle permettant la liaison mécanique et optique entre le concentrateur CL et le système optique SO.
L'extraction sera limitée par l'indice de la colle entre la structure et l'optique non imageante. Une colle de même indice que le milieu du système optique SO serait idéal, cependant, les colles d'indice élevées (n>1,7) se trouvent difficilement aujourd'hui.
La illustre schématiquement un mode de réalisation de l’invention dans lequel le dispositif comprend :
- un premier miroir additionnel M1’ disposé de manière à couvrir la première face latérale FL1,
- un deuxième miroir additionnel M2’ disposé de manière à couvrir la deuxième face latérale FL2
- un troisième miroir additionnel M3 disposé de manière à couvrir la face de sortie FS
En outre, le concentrateur CL présente une arête biseauté AB entre la face de sortie FS et la première face latérale FL1 (ou la deuxième face latérale FL2) de manière à ce qu’une portion Lr ’, de la portion piégée Lptraverse l’arête biseautée AB. Les rayons de la portion Lr ’forment un faisceau de sortie dit additionnel . Dans la configuration de la , le passage par l'arête AB est la seule solution pour les rayons de sortir de la structure (hors faces de pompage). Elle oblige donc les rayons à se réfléchir de nombreuses fois avant d'avoir la bonne position et le bon angle. Cet effet impose une forte superposition des rayons à l'intérieur que l'on peut qualifier de recyclage à la fois angulaire et spatial. L'usage d'une arête AB augmente la distance de propagation, et réduit potentiellement l'extraction globale mais elle augmente la luminance.
De manière préférentielle, la normale de l’arête biseautée est parallèle à la somme des normales des deux faces latérales FL1, FS adjacentes à l’arête biseautée à
Le mode de réalisation de la figure 11 et de la figure 12 sont combinables. C’est-à-dire que, selon un mode de réalisation de l’invention, un milieu de sortie MS est accolé à l’arête biseautée AB pour maximiser la luminance du faisceau de sortie additionnel et maximiser l’efficacité d’extraction.
La illustre schématiquement un mode de réalisation de l’invention dans lequel le dispositif comprend :
- un premier miroir additionnel M1’ disposé de manière à couvrir la première face latérale FL1,
- un deuxième miroir additionnel M2’ disposé de manière à couvrir la deuxième face latérale FL2
- au moins un miroir additionnel M3, disposé de manière à couvrir partiellement la face de sortie FS en définissant une surface non recouverte SFS par le miroirs M3.
Comme expliqué précédemment, les miroirs M1’, M2’ permettent d’augmenter l’efficacité d’extraction en évitant que le rayonnement de luminescence traverse les faces FL1, FL2 avant de sortir par la surface SFS.
Le miroir M3 de couverture partielle de la face de sortie permet une augmentation de l’éclairement sur la surface SFS. Les dimensions du module d’émission sont adaptées pour qu’un ratio entre la surface non recouverte et la surface de la face FS soit adapté de manière à ce que des rayons du rayonnement de luminescence se réfléchissent sur M3 et se propagent en moyenne sur une distance moyenne au sein du concentrateur CL avant de traverser la surface SFS. Les rayons du rayonnement de luminescence sortant du concentrateur forment un faisceau de sortie . Par , on entend ici que est supérieur à 7 fois préférentiellement 15 fois .
Un ratio adapté pour vérifier la condition permet d’assurer que l’effet de confinement des rayons dans les 3 dimensions de l'espace, c’est-à-dire que le rayonnement luminescent, au lieu de traverser directement la surface SFS après avoir été généré, est majoritairement réfléchi au sein du concentrateur CL et réalise en moyenne plusieurs allers retours au sein du concentrateur CL avant de sortir par la surface SFS. Plus le ratio est petit, plus la distance moyenne parcourue par les rayons de luminescence au sein du concentrateur CL avant de sortir augmente. Ainsi, l’éclairement sur la face de sortie est augmenté car le rayonnement de luminescence a le temps de « remplir » le concentrateur CL avant de sortir. Les inventeurs ont remarqué que lorsque le ratio est inférieur ou égal à 1/4, ou de manière préférentielle, inférieur ou égal à 1/8 la distance moyenne est suffisante réaliser un effet concentrateur conséquent. Aussi, selon un mode de réalisation préféré de l’invention, le ratio est inférieur ou égal à 1/4, ou de manière préférentielle, inférieur ou égal à 1/8.
Les structures des dispositifs détaillés dans la présente description et les figures sont données à titre d’exemple et ont pour objectif d’illustrer l’invention. Elles ne doivent en aucun cas être considérées comme limitatrices de la portée l’invention. Diverses modifications et variations des structures décrites, des procédés de fabrication, et des applications et utilisations de celles-ci apparaitrons à l'homme du métier sans s'écarter de la portée et de l'esprit de l'invention.
Claims (15)
- Dispositif d’émission de lumière comprenant :
- un concentrateur de lumière (CL) dans un matériau solide fluorescent ou scintillateur présentant un indice
- une première face latérale (FL1) et une deuxième face latérale (FL2) présentant une surface supérieure à une surface des autres faces latérales,
- une troisième face latérale (FS), dite face de sortie, adjacente à la première face latérale et à la deuxième face latérale, une portion (
- une face latérale dite première facette (FT1) adjacente à la première face latérale et une face latérale dite deuxième facette (FT2) adjacente à la deuxième face latérale,
- un premier miroir (M1) disposé de manière à couvrir ladite première facette (FT1),
- un second miroir (M2) disposé de manière à couvrir ladite deuxième facette (FT2),
- un concentrateur de lumière (CL) dans un matériau solide fluorescent ou scintillateur présentant un indice
- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit angle
- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’angle
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’angle
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’angle
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’angle
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le concentrateur comprend un nombre de faces latérales égal à 5, la première et la deuxième facette étant adjacentes.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le concentrateur comprend un nombre de faces latérales égal à 6, dont une facette additionnelle (FTA) adjacente à la première facette et à la deuxième facette.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le concentrateur comprend un nombre de faces latérales supérieur à 6, dont une pluralité de facettes additionnelles, chaque facette additionnelle étant adjacente à deux autres facettes additionnelles, ou adjacente à une autre facette additionnelle et à la première facette ou adjacente à une autre facette additionnelle et à la deuxième facette.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les grandes faces présentent une surface supérieure à une surface des autres faces.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un premier miroir additionnel (M1’) disposé de manière à couvrir ladite première face latérale et un deuxième miroir additionnel (M2’) disposé de manière à couvrir ladite deuxième face latérale.
- Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la première face latérale et la deuxième face latérale ne sont pas parallèles.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’indice
- Dispositif selon la revendication précédente, comprenant un système optique (SO) accolé au milieu de sortie adapté pour collimater des rayons du faisceau de sortie (
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes en combinaison avec la revendication 11, dans lequel le dispositif comprend un troisième miroir additionnel disposé de manière à couvrir ladite face de sortie, et dans lequel le concentrateur présente une arête biseauté (AB) entre la face de sortie et la première face latérale de manière à ce qu’une portion (Lr ’), dite portion recyclée additionnelle, de ladite portion piégée (Lp) traverse ladite arête biseautée (AB) formant un faisceau de sortie dit additionnel (
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- 2022-12-22 FR FR2214270A patent/FR3144432A1/fr active Pending
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- 2023-12-20 WO PCT/EP2023/087057 patent/WO2024133530A1/fr unknown
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Also Published As
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