Brevet FR2012633A1 — publié le 19700320

i 2012633 La présente invention se rapporte en général à des calorimètres, et plus particulièrement à un calorimètre du type à thermopile balistique destiné à être utilisé avec des lasers à impulsions de grande puissance. 5 Des calorimètres pour indiquer l'énergie ou puissance de faisceaux de lasers doivent être conçus de façon à avoir certaines caractéristiques particulières. A cause de l'énergie concentrée, extrêmement grande, d'un faisceau d'un laser, par exemple, la matière absorbante du calorimètre, ainsi que le volume 10 du milieu absorbant, doivent être tels qu'il ne soit pas endommagé par l'incidence du faisceau du laser sur cette matière. En outre, il importe qu'il ne se produise aucune réflexion 3 partir du milieu absorbant vers l'intérieur du laser, ce qui pourrait produire une réaction susceptible d'endommager ou détruire le 15 laser lui-même. En outre, il importe qu'une sensibilité extrêmement grande soit réalisable, étant donné l'intervalle de temps extrêmement court de. l'incidence effective du rayonnement sur le milieu absorbant. Normalement, plus la capacité est petite, c'est-â-dire moins le volume du milieu absorbant d'un type volu-20 métrique est grand, plus la sensibilité est grande. Finalement, une des caractéristiques probablement les plus importantes est que le milieu absorbant du calorimètre atteigne l'équilibre thermique dès que possible après l'irradiation. Si la réponse est trop lente, la nécessité de compenser des pertes d'énergie 25 pendant la pêric&de de retard doit être prise en considération. Jusqu'à présent, certains des calorimètres résistant relativement mieux aux endommagements utilisaient une cuve à liquide comme milieu absorbant. Cette cuve à liquide est placée de façon à Intercepter le rayonnement du laser, et l'élévation de tempé-30 rature du liquide contenu dans la cuve est mesurée par les thermocouples habituels reliés à la cuve et â une masse de référence. Pour éviter l'endommagement de la cuve, il est nécessaire qu'elle soit relativement grande et qu'elle contienne un volume relativement grand de liquide. Ce volume relativement grand de liquide 35 a pour conséquence que le liquide prend un temps relativement long pour atteindre l'équilibre thermique. Au moment où l'équilibre thermique est atteint, de sorte qu'une lecture appropriée peut être faite, une certaine baisse de température s'est produite et une extrapolation à partir des courbes est nécessaire pour 69 22614 2 2012633 corriger l'erreur. En outre, la sensibilité est un peu plus petite que celle qui est souhaitable, à cause de la capacité thermique relativement grande de la cuve absorbante. Lorsque l'on a affaire à des faisceaux de lasers de sections 5 relativement grandes, de grandes ouvertures sont utilisées pour le calorimètre, ce qui nécessite des milieux absorbants même encore plus volumineux, si bien que les problèmes précédents sont beaucoup aggravés. La présente invention fournit un calorimètre perfectionné, 10 particulièrement utile pour des lasers à impulsions â grande puissance dans lequel le§ différentes caractéristiques souhaitables décrites précédemment sont réalisées chacune à un degré bien plus considérable que cela n'était possible jusqu'à présent avec des calorimètres de typesconnus pour des lasers. 15 Plus particulièrement, le calorimètre selon l'invention com prend un filtre de verre pourvu d'une matière très conductrice de la chaleur soudée à une surface postérieure du verre. L'emploi de verre d'une densité (spectrale) neutre est très avanta+ geux par le fait qu'il intercepte des impulsions de laser d'une 20 puissance relativement grande sans risque d'endommagement. En outre, il peut avoir des dimensions relativement petites et peur suite une faible capacité, de sorte que sa sensibilité est notablement accrue par rapport à des milieux absorbants de types classiques. Un inconvénient du verre., quand il est considéré seul 25 comme milieu absorbant, réside dans sa faible conductibilité thermique, de sorte qu'il prend un temps inacceptablement long pour atteindre son équilibre thermique. Toutefois, ce dernier inconvénient est supprimé, conformément à l'invention, grâce à la présence d'un support conducteur de la chaleur pour le verre, 30 ce qui produit une distribution étonnamment rapide de la chaleur dans tout le filtre en'verre afin que l'équilibre thermique soit atteint en un temps très court. La masse totale du milieu absorbant peut être relativement ' petite par rapport à la surface d'ouverture ou de section utili-35 sable du faisceau du laser. Grâce au fini à grains fins de la surface de l'ouverture en verre, toute lumière du laser qui est renvoyée et diffusée complètement, de sorte qu'il n'y a aucun risque de réaction optique. Dans le mode d'exécution préféré de l'invention, un filtre de 69 22614 3 2012633 verre d'une densité (spectrale) neutre, en verre Schott, est utilisé avec un support de cuivre soudé à la surface postérieure du filtre par de la soudure à l'indium de façon à produire une excellente conductibilité de la chaleur entre le filtre de 5 verre et le support de renforcement. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à l'invention. 10 Sur ces dessins, la figure 1 est une vue en perspective schématique d'un laser à grande puissance et d'un calorimètre pour indiquer l'énergie du faisceau du laser ; la figure 2 est une coupe du calorimètre dans le plan des 15 flèches 2-2 de la figure l, à une échelle plus grande que cette dernière figure ; la figure 3 est une vue en élévation de face du milieu absorbant du calorimètre de la figure 2 ; la figure 4 est une vue en élévation de derrière du milieu 20 absorbant représenté sur la figure 3 ; et la figure 5 est un graphique utile pour l'explication de la meilleure sensibilité et des meilleures caractéristiques de réponse thermique du milieu absorbant nouveau selon l'invention. Sur la figure 1, à laquelle on va se référer maintenant, on 25 a représenté en 10 un laser à impulsions à grande puissance qui émet un faisceau 11 d'énergie de rayonnement vers un calorimètre 12. Le calorimètre 12 est du type à thermopile balistique et comporte une, ouverture antérieure 13 dimensionnée de façon à laisser passer le faisceau 11. Un milieu absorbant approprié, 30 contenu dans le calorimètre 12, reçoit le faisceau puisé et sa température est accrue en conséquence. Des thermocouples, à leur tour, fournissent un signal électrique de sortie dépendant de la différence de température entre le milieu absorbant et une masse de référence, telle que l'enveloppe d'enceinte du calori-35 mètre 12. Ce signal est transmis par des connexions 14 â un indicateur 15 approprié, tel qu'un microvoltmètre. La figure 2 représente en coupe le calorimètre 12 de la figure 1, dans lequel le nouveau milieu absorbant selon l'invention est incorporé. Ainsi qu'il est représenté, l'enceinte 12 est 69 22614 4 2012633 constituée par un métal relativement épais, normalement à la température ambiante, et sert de masse de référence. L'isolation thermique 16 à son toua^arnit les parois intérieures de l'enceinte 12 et supporte le milieu absorbant indiqué généralement 5 par la flèche 17. Conformément à l'invention, le milieu absorbant 17 comprend un filtre de verre 18, de préférence en forme d'un disque d'un diamètre correspondant à celui du faisceau 11 du laser de la figure 1. L'épaisseur du filtre de verre 18 est suffisante pour qu'il puisse supporter l'irradiation par le 10 faisceau sans être endommagé. Cette épaisseur peut être de l'ordre de deux millimètres pour un faisceau d.!un diamètre de 2,54 centimètres. La surface antérieure du filtre de verre 18 est indiquée en 18a et est disposée perpendiculairement à la direction du fais-15 ceau de façon â intercepter sur toute sa surface le faisceau sur la totalité de la section. Une matière de support 19, très conductrice de la chaleur, telle que du cuivre, est elle-même fixée ou soudée â la surface postérieure 18b du filtre de verre 18. Dans le mode d'exécution particulier enfermé dans une en-20 ceinte, le support 19 se présente sous forme d'un disque et comporte un rebord annulaire 19', s'étendant vers l'avant, qui recouvre le bord périphérique du disque de verre et se termine au ras de la surface antérieure 18a. La manière selon laquelle le disque 19 est soudé au filtre 25 de verre 18 est importante. N'importe quel type de soudure doit nécessairement avoir une excellente conductibilité thermique. A ce propos, il a été trouvé qu'une soudure à l'indium pur assure une liaison excellente et donne la grande conductibilité thermique souhaitée. 30 Plusieurs thermocouples, tels que ceux qui sont indiqués en 21, 22 et 23, sont fiftés au milieu absorbant, de préférence à travers de petites ouvertures, arrangées sur un cercle autour de la surface postérieure du support 19. Tous ces thermocouples sont connectés en série avec des thermocouples indiqués en 35 24, 25 et 26, fixés à la masse de référence constituée par l'enceinte 12. D'après la figure, les extrémités respectives des conducteurs de connexion, indiquées en 27 et 28, pénètrent dans la ligne de sortie 14. On remarquera que, sur la vue de face du milieu absorbant 17 69 22614 5 2012633 donnée par la figure 3, la surface antérieure du filtre de verre 18a présente des grains fins. Grâce à ce type de surface, tout faisceau de lumière du laser réfléchi par cette surface est diffusé de telle sorte que tout risque d'endommagement du laser 10 5 peu: réaction optique du filtre de verre vers le laser est supprimé . La figure 4 est une vue ai élévation de derrière illustrant la manière selon laquelle les différents thermocouples, tels que les thermocouples 21, 22 et 23, peuvent être disposés sur un 10 cercle adjacent au bord périphérique de la surface postérieure du support 19. Sur la figure 5 est tracé un graphique représentant les variations du signal de sortie qui pourrait être lu sur l'indicateur de mesure 15 de la figure 1 en fonction du temps pendant 15 une mesure calorimétrique sur le faisceau de laser 11. La courbe en tireté 29 illustre qualitativement des calorimètres de types classiques dans lesquels un milieu absorbant relativement volumineux, tel qu'une cuve à liquide, est nécessaire pour des impulsions à grande puissance, telles que celles qui sont engendrées 20 par des lasers à impulsions géantes. A cause de la masse absorbante relativement grande mise en jeu, la sensibilité de mesure est réduite par rapport à celle qui serait obtenue si une masse ou capacité plus petite était utilisée. Ainsi, si T1 indique sur la figure 5 l'instant d'incidence du rayonnement du laser 25 sur le milieu absorbant, la vitesse de chauffage ou d'augmentation de la température est relativement faible, ainsi qu'il est indiqué par la courbe en tireté 29 et par l'instant auquel l'équilibre thermique est atteint, c'est-à-dire que lorsque tous les points du milieu absorbant sont à la même température, 30 l'indication de lecture serait celle qui correspond à VI. Il est évident que cette valeur est inférieure à la température qui serait atteinte si l'absorption de l'énergie de rayonnement avait lieu dans la masse. Cette sensibilité réduite résulte directement du temps relativement long qui s'écoule avant que l'équilibre 35 thermique soit atteint. Ce temps est indiqué en T3, et l'intervalle de temps en question est égal à T3-T1. En d'autres termes, pendant cet intervalle de temps, il y a une baisse de température par rayonnement et par une certaine conduction par suite d'une fuite inévitable, dans l'isolation thermique, entre le 69 22614 6 2012633 milieu .absorbant et la masse de référence. Pour obtenir une lecture précise il est ainsi nécessaire d'effectuer une interpolation dans la partie décroissante/ indiquée en 29', de la courbe 29. 5 La courbe en trait plein 30 de la figure 5 représente quali tativement la réponse du calorimètre quand le milieu absorbant perfectionné selon l'invention, constitué par le filtre de verre et le support conducteur, est employé. Ainsi qu'il est représenté, le temps de réponse pour obtenir l'équilibre thermique est indi-10 qué en T2 et cet intervalle de temps est T2-T1. A cause de ce temps de réponse beaucoup plus court, l'indication de lecutre au point d'équilibre thermique, indiqué en V2, est beaucoup pluë précise et par suite la sensibilité du calorimètre tout entier est notablement accrue. La sensibilité accrue est une eonsé-15 quence du volume relativement petit, ou masse relativement petite, du milieu absorbant constitué par le filtre de verre. Le court temps de réponse pour atteindre l'équilibre thermique est une conséquence de la répartition de l'énergie thermique entre les différents points du filtre de verre par le support conduc-20 teur 19. Dans le mode d'exécution préféré de l'invention, le filtre de verre 18 était constitué par du verre Schott type 1.0 -Nd -419, de densité (spectrale) neutre. La matière de support elle-même est constituée de préférence par du cuivre, mais d'atr-25 très métaux appropriés conducteurs de la chaleur pourraient ffcre utilisés. ' V---" Lors du fonctionnement, le faisceau 11 du laser est dirige dans l'ouverture 13 du calorimètre 12 de la figure 1. Ce faisceau est intercepté, sur toute sa section, ainsi qu'il a été 30 exposé, par le milieu absorbant constitué par le filtre de verre 18 représenté sur la"figure 2. L'irradiation du filtre tend à élever sa température mais, puisque le verre est normalement mauvais conducteur de la chaleur, l'obtention d'une température uniforme dans tout le volume du verre, si celui-ci était utilisé 35 seul, prendrait un temps relativement long. Etant donné la présence du support 19, très conducteur de "la chaleur, la chaleur est répartie d'une manière relativement rapide dans toute la masse combinée du verre et du support. La réponse en température est ainsi représentée par la courbe 69 22614 7 2012633 30 de la figure 5, et l'accroissement de température réel ou actuel dû à l'irradiation par le laser peut être déterminé en mesurant la différence de potentiel entre les jonctions des thermo-piles fixées au verre chauffé et au support et la masse" de ré-5 férence constituée par l'enceinte 12. Cette différence de potentiel est indiquée par l'indicateur de mesure 15.- On effectue au mieux l'étalonnage au moyen du poids. Puisque les capacités calorifiques et les poids spécifiques du verre et du support sont connus, on peut facilement déduire la capacité 10 calorifique du système. Toute perte par réflexion ou par dispersion peut être calculée habituellement ou mesurée facilement. Par suite de la sensibilité notablement accrue et du temps de réponse notablement réduit, ainsi qu'il a été exposé précédemment en référence à la figure 5, une interpolation moindre 15 ou nulle est nécessaire pour l'obtention des résultats définitifs. Dans des essais réels effectués avec le nouveau milieu absorbant selon l'invention, on a trouvé que la sensibilité était le décuple de la sensibilité obtenue dans le cas d'une cuve â liquide ayant une ouverture semblable et une résistance à l'en-20 dommagement du même ordre. Le temps de réponse lui aussi a été abaissé d'une valeur comprise entre 15 â 30 secondes à une valeur comprise entre trois et cinq secondes. L'emploi de verre de densité spectrale neutre permet d'installer une matière absorbante d'un très petit volume sans dom-25 mage. En outre, du fait des grains fins de la surface d'interception du filtre, ainsi qu'il a été exposé, le risque du retour dans le laser de faisceaux de lumière réfléchis susceptibles de provoquer un endommagement ou la destruction du laser est pratiquement éliminé. 30 D'après ce qui précède, il est évident que l'invention four nit un calorimètre très perfectionné, particulièrement utile pour des lasers â impulsions à grande puissance, dans lequel toutes les différentes caractéristiques souhaitables pour de tels calorimètres sont réalisées pleinement. 35 II va de soi que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. LEGENDE DES DESSINS Fiq. 5.- A B Tension de sortie Temps 69 22614 8 2012633 REVENDICATIONS 1. Calorimètre pour lasers à grande puissance, caractérisé en ce qu'il comprend une matière absorbante se présentant sous la forme d'un filtre de verre dimensionnë de façon à intercepter 5 un faisceau de laser sans dommage, et une matière de support d'une grande conductibilité thermique soudée à la surface postérieure du verre de telle sorte que le verre atteigne son équilibre thermique en un temps plus court qu'en l'absence de ladite matière de support. 10 2. Calorimètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière de support est constituée par du cuivre ayant à peu près la même épaisseur que le verre et soudé directement sur ladite face postérieure par de la soudure à l'indium. 3. Calorimètre selon la revendication 1, caractérisée en ce 15 que la matière de support comprend un rebord qui s'étend vers l'avant, qui recouvre le bord du filtre de verre et est soudé â ce bord et qui se termine au ras de la surface antérieure du verre. 4. Calorimètre selon la revendication 1, caractérisé" en ce 20 que la surface antérieure du verre présente des grains fins de façon à réfléchir la lumière du laser par diffusion pour éviter ainsi une réaction optique. 5. Calorimètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une masse de référence, un moyen â isolation 25 thermique isolant thermiquement la masse de référence du filtre de verre et de la matière de support, et un moyen à thermocouple relié â la masse de référence et à la matière de support pour fournir un signal dépendant de la différence de température entre la masse et la matière de support, le filtre de verre ayant la 30 la forme d'un disque d'une surface de section correspondant pratiquement à la surface de section d'un faisceau de laser et d'une épaisseur suffisante pour éviter d'être endonmagé par absorption d'un rayonnement contenu dans ledit faisceau, le filtre de verre étant disposé perpendiculairement au faisceau 35 pour intercepter ce faisceau. 6. Calorimètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen à thermocouple comprend des thermocouples disposés suivant un cercle espacé de la surface postérieure de la matière de support de telle sorte qu'ils soient protégés contre ledit 69 22614 9 2012633 rayonnement, et des thermocouples connectés à la masse de référence, tous ces thermocouples étant connectés mutuellement en série. 7. Calorimètre selon la revendication 5, caractérisé en ce 5 que la masse de référence est constituée par une enceinte destinée S renfermer le filtre de verre et la matière de support, une paroi antérieure de cette enceinte étant percée d'une ouverture alignée axialement sur le filtre de verre. 8. Calorimètre selon la revendication 7, caractérisé en ce 10 que le filtre de verre absorbe au moins cinquante pour cent du rayonnement incident.