Brevet FR2020976A1 — publié le 19700717

De nombreux types différents de systèmes de refroidissement de lasers sont bien connus. Dans certains cas, comme par exemple dans le cas de systèmes à laser transportables, un simple refroidissement par air est prévu, une circulation d'air forcée étant produite autour du milieu actif de îasereAe la source lumineuse de pompage associée. Dans le cas de laser à l'état solide, la matière active de laser se présente sous forme d'un cristal taillé sous forme d'une tige. Ce cristal et une lampe à lueurs associée sont enfermés dans un élément en forme de botte qui confine la lumière et qui a des dimensions telles qu'il assure un couplage optique efficace entre la lampe ét la tige. L'ensemble complet est habituellement appelé tête de laser et un refroidissement est ordinairement assuré par une circulation d'un liquide de refroidissement à travers l'enceinte fermée. Un problème essentiel posé par le refroidissement par des liquides de têtes de laser résulte. de la tendance de l'agent de refroidissement à se décomposer en présence du rayonnement engendré par-la lampe à lueurs du laser située à l'intérieur de la tête. L'intensité du rayonnement de sortie de la lampe est telle qu'elle provoque en fait une dissociation par absorption d'énergie lumineuse ou décomposition thermique des molécules constituant le liquide de refroidissement, de telle manière que des dépits peuvent se former sur les surfaces intérieures de la tête et des éléments qu'elle contient. En conséquence, le couplage optique entre la lampe et la tige de laser se détériore rapidement après un court laps de temps, et il est nécessaire de remplacer périodiquement l'ensemble à lampe ou de rénover autrement la partie de couplage optique de la tête. Dans les cas de milieux actifs de lasers nécessitant un pompage par une puissance lumineuse relativement grande, la détérioration de fluide de refroidissement et des dépôts qui en résultent s'accentuent rapidement. Un autre problème posé par n'importe quel type de liquide de refroidissement est celui. de son point de congélation. Par exemple, de l'eau qui a été employée dans de nombreux cas comme fluide de refroidissement est tout à fait inopérante dans des milieux ambiants dont la température est inférieure à son point de congélation c'est-à-dire 00. Bien qu'on puisse éliminer cette difficulté en utilisant des liquides ayantsses point de congélation extrêmement bas, le problème des interactions entre le liquide réfrigérant et le matériel formant le système de circulation du point de vue chimique et aussi en ce qui concerne la tendance de ce liquide, decrite précédemment à se décomposer en présence d'un rayonnement à grande puissance, se pose toujours. L'invention a pour objet un système de refroidissement par liquide pour têtes de lasers qui résoud ces problèmes en ce sens qu'un laser peut être amorcé avec succès, sans qutil y ait détérioration du rendement de pompage optique, un nombre de fois beaucoup plus grand que des têtes de lasers refroidies. par des systèmes connus. Plus particulièrement, l'invention a pour objet une combinaison nouvelle d'une tête de laser avec un système de refroidissement par circulation utilisant une pompe, un échangeur thermique et un filtre, et une composition du liquide réfrigérant qui contribuent ensemble à assurer l'augmentation importante du nombre d'amorçages tout en maintenant une puissance de sortie acceptable. Dans le mode d'exécution préféré de l'invention, la tête du laser comprend un milieu actif de laser et une lampe à lueurs qui nécessite une puissance d'entrée relativement basse pour fonctionner. Un tel milieu actif de laser pourrait être constitué par un cristal de grenat d'yttrium et d'aluminium dopé par du néodyme, avec lequel on peut obtenir un fonctionnement en régime d'impulsions avec une puissance d'entrée comprise entre 70 et 350 watts, et une fréquence de répétition des impulsions de 10 par seconde. Il est prévu une pompe, un échangeur thermique, et des conduits appropriés pour relier entre eux la pompe, la tête de laser et l'échangeur thermique de façon à former un système de circulation en boucle fermée. Un liquide de refroidissement s'écoule à partir de la pompe, à travers la tête et, à partir de là, à travers l'échangeur thermique puis à nouveau à travers la pompe.Le liquide dz refroidissement est caractérisé par le fait qu'il a un point de congélation bien inférieur à et une composition telle qu'il ne se décompose pas rapidement sous ltaction du rayonnement de la lampe à lueurs dans la tête. Par suite de l'utilisation d'un tel liquide réfrigérant dans un système à laser ne nécessitant qu'une puissance d'entrée relativement faible, toute détérioration du liquide de refroidissement qui serait susceptible de se produire est réduite au minimum. le liquide réfrigérant préféré est le 1-propanol (CH3CH2 CH2 OH). Ce liquide a un point de eongélation bien inférieur à Oc C. En outre, il ne se décompose pas rapidement en présence d'un rayonnement de grande intensité de la lampe à lueurs. Toutefois, il se produit une certaine décomposition, de sorte qu'on trouve qu'une mince couche de matière contenant du cuivre se dépose sur la lampe à lueurs après une utilisation prolongée du liquide réfrigérant. Ce dépôt n'est pas nuisible à la lampe elle-même ni à d'-autres parties de la tête de laser. Toutefois, il réduit le coefficient de couplage optique entre la lampe et la tige. On peut supprimer facilement ce dépôt simplement en enlevant la lampe et en essu ant sa surface. Malgré la facilité avec laquelle ce dépôt est enlevé, il serait préférable de réduire autant que possible ce dépôt. Dans ce but, il est égaiement prévu selon l'invention, un filtre spécial dans le système de conduits à fluide de refroidissement en circulation. Le filtre contient des granulés de résine qui ont la pro priété d'enlever une fraction importante des ions libres du liquide de refroidissement de façon à réduire ainsi au minimum le dépôt sur la lampe à lueurs. 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. Sur ces dessins la figure 1 est une vue en plan, avec coupe partielle, d'une tête de laser et du système de circulation de liquide de refroidissement associé pour refroidir la tête conformément à l'invention ; et la figure 2 est une coupe de la tête de laser elle-même suivant la ligne 2-2 de la figure 1. La figure 1 représente une tête de laser se présentant sous forme d'un bloc creux 10 contenant dans son espace intérieur, 11 une tige active de laser 12 et une lampe à lueurs 13. Dans le mode d'exécution particulier choisi à titre d'exemple, la tige 12 est constituée par un cristal de grenat d'yttrium et d'aluminium dopé par du néodyme. Le pompage de cette tige est réålisé-à partir de la lampe,13 à travers un écran 14 à ultra-violet Séparant la tige de la lampe, ainsi qu'il est représenté. L'écran 14 divise essen tiellement l'espace intérieur du bloc en deux chambres Ila et llb. Une ouverture 15 d'entrée de liquide réfrigérant est prévue à l'extrémité de gauche inférieure du bloc 10 (fig. 1). La partie intérieure du bloc elle-même comporte aussi un petit passage de dérivation 16 assurant une communication, autour de l'écran 14, entre la chambre 11b et la chambre 11s. Il est aussi prévu un passage 17 assurant une communication entre l'extrémité supérieure de la chambre 11b et l'extrémité supérieure de la chambre lia. Une sortie 18 du liquide réfrigérant est prévue à l'extrémitd inférieure de droite-du bloc. Le liquide réfrigérant pénétrant dans l'entrée 15 circule autour de la lampe à lueurs 13 et à travers les passages 16 et 17, puis, à partir de là, autour de la tige de laser 12, et sort par l'ouverture de sortie 18, ainsi qu'il est indiqué par les flèches. Cette circulation est maintenue par une pompe 19 reliée à l'entrée par un conduit 20. Un conduit de sortie 21 transfère du liquide de refroidissement du bloc 10 au réservoir 22 et, à partir de là, un conduit 23 envoie ce liquide à un échangeur thermique 24. L'échangeur peut etre à refroidissement par air par un ventiL telnw 25, par exemple. La sortie de l'échangeur thermique est reliée par une tuyau- terie comprenant les conduits 26, 27 et 28 à l'entrée de la pompe 19. Un système de circulation en boucle fermée est ainsi réalisé. Le liquide de refroidissement contenu dans le réservoir 22 est iui même désigné par la référence 29 et est caractérise' par un point de congélation bien inférieur à Oc C. En outre, le liquide réfrigérant a une composition telle qu'il ne se décompoe- pas rapidement en présence d'un rayonnement provenant de la lampe 13 conte nue dans la tête de laser. Ainsi qu'il a été mentionné précédemment le liquide réfrigérant préféré est le 1-propanol. Ainsi qu'il a été également signalé précédemment, quand ce liquide réfrigérant particulier circule à travers la tête de laser suivant le circuit décrit précédemment, un mince dépôt de matière contenant du cuivre tend à se former sur la lampe 13. Pour empêcher ce dépôt, un filtre est prévu dans le conduit, interposé entre l'échangeur thermique 24 et la pompe 19. Ce filtre est représenté en 30 sur la figure 1 et est branché en déri- vation sur le conduit 27 au moyen des conduits 31 et 32. Le filtre lui-même contient des granules de résine 33 ayant la propriété d'enlever une fraction importante -des ions libres présents dans le liquide réfrigérant pour réduire considérablement le dépôt sur la lampe elle-même. Dans le mode d'exécution préféré, la résine est une rési ne d'échange fortement acide composée de groupes nucléaires d'échange formés par de l'acide sulfonique, fixés à un réseau en un polymère de styrène -divinylbenzène. Sur la coupe de la figure 2, on voit que la chambre 1ta et la chambre lib contenant respectivement la tige 12 et la lampe à lueurs 13 ont une section semi-elliptique, de sorte que la section de tout espace intérieur de la tête est une ellipse complète. La trace géométrique de la tige 12 sur la section en question coincide avec un foyer de l'ellipse et la trace géométrique de la lampe 13 cotncide avec l'autre foyer, la trace de l'écran à ultra-violet 14 coïncidant pratiquement avec le petit axe de l'ellipse.La sortie correspondant au tube 17, qui produit un écoulement scindé du liquide de refroidissement, est située pratiquement dans le plan perpendiculaire à la figure, passent par le grand axe de l'ellipse de la figure 2, tandis que le petit passage en dérivation 16 est éloigné de ce grand axe, comme représenté. Les parois intérieures de section elliptique sont très réfléchissantes, de sorte qu'un couplage optique optimal entre.la tige de laser 12 et la lampe à lueurs 13 est réalisé. Lors du fonctionnement, la puissance d'entrée maximale fournie à la lampe à lueurs de la tête de laser peut être comprise entre 70 et 350 watts pour une fréquence de répétition des-im-pulsions de dix par seconde. Le laser à tige 12 en grenat d'yttrium et d'aluminium fonctionne efficacement avec des puissances d'entrée relativement basses comprises dans cette gamme. Cette puissance d'entrée relativement faible conjointement avec le liquide réfrigérant particulier utilisé, retarde la dissociation, par absorption d'énergie lumineuse, ou la décomposition thermique du liquide qui produirait autrement une détérioration rapide sous l'action du rayonnement lu mineux de la lampe.Le liquide réfrigérant lui-même est maintenu en circulatin par a pompe, à travers la tête de laser, pendant son fonctionnement, ainsi qu'il est indiqué par les flèches, et le débit d'écoulement peut être de l'ordre de 1,9 litres/minute. Le liquide réfrigérant, après avoir traversé la tête de laser et le réservoir 22, pénètre dans l'échangeur thermique 24 où il est refroidi, puis est remis en circulation à travers le filtre 30 et les conduits 27 et 28 vers l'entrée de la pompe 19. La matière de filtrage 33 du filtre 30 enlève efficacement une grande partie des ions libres du liquide réfrigérant pendant qu'il circule dans le système. il a été trouvé que le système de refroidissement de tête de laser tel outil a été décrit précédemment, permet la production d'un nombre total d'impulsions compris entre 50.000 et 40.000 tout en maintenant une puissance de sortie acceptable du laser. Grâce à la combinaison du liquide réfrigérant particulier avec le filtre, meme après ce grand nombre d'impulsions ou de dé clenchements, on peut enlever facilement tout dépôt formé sur la lampe simplement en essuyant sa surface pour la débarrasser complètement du dépôt. Le bas point de congélation du liquide réfrigérant lui-même est très avantageux dans des milieux ambiants dont les températures tombent souvent bien au-dessous de 0 C. D'après ce qui précède, il est évident que l'invention fournit un système très perfectionné de -refroidissement d'une tête de laser qui élimine pratiquement différents problèmes posés par les dispositifs connus. il 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. REVENDICA?ION5~ t. Système de refroidissement destiné à une-tête de laser qui comporte une lampe à lueurs et une tige active de laser et comprenant une pompe, un échangeur de chaleur -et une -tuyauterie pour relier entre eux la pompe, la tête de laser et un échangeur thermique de façon à former un système de circulation en boucle fermée faisant circuler un liquide de refroidissement isfartir de la pompe, à travers la tête, puis à partir de là, à travers l'échangeur thermique pour le ramener à nouveau à la pompe, ledit système de refroidissement étant caractérisé en ce que la tête de laser peut fonctionner avec une puissance d'entrée relativement basse, que le liquide de refroidissement a un point de congélation bien inférieur à Oc C et une composition telle qu'il ne se décompose pas rapidement en présence du rayonnement émis par la lampe à lueurs dans la tête2 et qu'un filtre disposé dans la tuyauterie peut enlever du liquide réfrigérant des ions qui autrement tendraient à se déposer sur la lampe à lueurs disposée dans la ttbe de laser. 2. Système de refroidissement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la tige active de laser est constituée par un cristal de grenat d'yttrium et d' luminium dopé par du néodyme2 la dite puissance relativement basse étant comprise entre 70 watts et 350 watts. 3. Système de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête de laser comprend un bloc creux ayant un espace intérieur et pourvu d'ouvertures d'entrée et de sortie à liquide réfrigérant communiquant avec cet espace intérieur, et un réservoir à liquide réfrigérant interposé entre l'ouverture de sortie du bloc et l'extré;;itéd'entrée de l'échangeur thermique, un conduit interposé entre l'extrémité de sortie de l'échangeur thermique et l'entrée de la pompe de telle sorte que le liquide réfrigérant circule dans l'espace intérieur du bloc, le filtre étant en dérivation sur ledit conduit entre la sortie de l'échangeur thermique et l'en- trée de la pompe et contenant des granules de résine, de sorte que la tête de laser peut subir, sans détérioration rapide du couplage optique entre la lampe à lueurs et la tige de laser, un nombre beaucoup plus grand d'amorçages que dans le cas où la puissance d'entrée est plus grande et où le filtre est absent. 4. Système de refroidissement selon la revendication 3, caractérisé en ce quelle liquide de refroidissement est du 1propanol, et que la résine constituant les granules est une résine d'échange fortement acide constituée par des groupes d'échange nucléaires d'acide sulfonique fixés à un réseau d'un polymère de sty rène-divinylbenzène. 5. Système selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le liquide réfrigérant circule avec un débit de l'ordre de 1,9 litres/minute, que les puissances d'entrée moyennes sont comprises entre 70 et 350 watts pour une fréquence de répétition des impulsions de l'ordre de 10 impulsions par seconde, et que ledit nombre total d'amorçages plus grand est compris entre 30.000 et 40.000 impulsions pendant qu'une puissance de sortie acceptable du laser est maintenue.