Brevet FR2088187A1 — publié le 19720107

L'invention concerne une tête de laser à cristal solide fonctionnant à 1 température ambiante comportant une source de pompage optique, une cavité de pompage renfermant le cristal et une source de pompage, enfin un dispositif de refroidissement. Le cristal de la tête de laser est par exemple en grenat d'aluminium et d'yttrium, la source de pompage étant une lampe à arc ou une lampe flash. Dans une tête de laser à cristal solide, on doit porter une attention particulière à obtenir un bon rendement de émission laser et c1 est le but essentiel du dispositif de refroidissement que de maintenir la température du cristal au-dessous d'une certaine température, de 200C par exemple, car au delà de cette tempéra- ture le rendement de l'émission laser décroit assez rapidement. les dispositifs de refroidissement proposés jusqu a présent pour de telles têtes de laser ont une structure compliquée et un volume important. 11 objet de l'invention est de pallier ces inconvénients et d'obtenir une tête de laser à cristal solide fonctionnant à la température ambiante, dans laquelle un rendement élevé de l'émission laser est obtenu à l'aide d'un dispositif de refroidissement de structure simple et de volume réduit. On obtient par exemple que, pour un même rendement de l'émis- sion laser, le volume du dispositif de refroidissement est réduit dans un rapport de dix, par rapport aux dispositifs de refroidissement connus. Selon l'invention, il est réalisé une tête de laser à cristal solide fonctionnant à la température ambiante, dans laquelle le dispositif de refroidissement comporte une première partie refroidissant le cristal, dont la structure et les dimensions sont telles que le cristal se trouve à la température fournissant la puissance d'émission laser désirée, une deuxième partie refroidissant la source et la cavité, distincte de la première partie et dont la structure et les dimensions sont telles que la température de la source et de la cavité sont comprises entre la température du-cristal et la température maximale possible pour, respectivement, ladite source et ladite cavité. Alors que dans une tête de laser connue le dispositif de refroidissement refroidit en série avec le même fluide, le cristal, la lampe et la cavité et amène pratiquement ces éléments à la même température, dans une tête de laser selon l'invention le dispositif de refroidissement est divisé en deux parties distinctes : une première partie refroidissant le cristal pour amener ce cristal à la température désirée (la température du cristal étant un paramètre important pour le rendement de l'émission laser), une deuxième partie refroidissant la lampe et la cavité pour éviter leur détérioration (la température maximale possible pour la lampe et la cavité étant supérieure à la température du cristal). Il en résulte une simplification et un gain en volume important dans le dispositif de refroidissement d'une tête de laser. La description suivante en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.. La figure 1 représente un schéma simplifié du dispositif de refroidissement d'une tête de laser selon l'invention. La figure 2 représente une courbe donnant la puissance d'émission laser en fonction de la température du cristal. La figure 3 représente un schéma détaillé du circuit de refroidissement du cristal. La figure 4 représente un schéma détaillé du circuit de re froidissemeAt de la source de pompage. On voit sur la figure 1, la première partie du dispositif de refroidissement pour le cristal contenue à l'intérieur du cadre 1 et une deuxième partie du dispositif de refroidissement pour la lampe et la cavité contenue à l'intérieur du cadre 2. Le dispositif de refroidissement a été représenté de manière très simplifiée, le cristal, la source et la cavité de pompage n'occupant pas la position qu'ils ont réellement dans la tête de laser. La première partie comporte le cristal laser 3 entouré d'une enveloppe 4, l'espace entre 3 et 4 étant rempli par du fluide réfrigérant. La liaison 5 représente symboliquement les canalisations et les moyens éces- saires pour assurer la circulation du fluide autour du cristal et pour refroidir ce fluide. La deuxième partie comporte la source de pompage 6 qui peut être constituée par une ou plusieurs lampes, l'enveloppe 7, la cavité de pompage 8 entourée d'une enveloppe 9, le fluide de refroidissement occupant les espaces entre 6 et 7 d'une part, 8 et 9 d'autre part. La liaison 10 représente les canalisations et les moyens nécessaires pour assurer la circulation du fluide de refroidissement et pour refroidir ce fluide. Dans une tête de laser, une attention particulière doit être portée au refroidissement du cristal dans le but d'obtenir un bon rendement de l'émission laser, comme cela va être expliqué à l'aide de la figure 2. La figure 2 représente à titre d'exemple, en échelle relative, la puissance d'émission P dlun laser, en fonction de la température du cristal pour une puissance totale de pompage donnée. On voit sur cette figure que jusqu'à 200C environ, la puissance d'émission laser n'est que faiblement réduite par rapport à la puissance d'émission à OOC (facteur de réduction de 0,93 par exemple) alors qu'on observe à 400C une réduction de puissance importante (facteur de 0,6) On voit donc clairement que pour obtenir une puissance d'émission laser élevée, à puissance de pompage doiinée, il est nécessaire de maintenir la température du cristal à une valeur faible, cette valeur étant dans le cas de la figure 2 inférieure à environ 200C. Dans une tête de laser connue, le dispositif de refroidissement comporte un seul circuit qui refroidit en série, avec le même fluide, le cristal, la source et la cavité. Ainsi la source et la cavité se trouvent pratiquement portées à la même température que le cristal (200C par exemple), alors que ce n'est pas nécessaire puisque ces éléments peuvent supporter des températures plus élevées (700C par exemple). il en résulte une puissance calorifiques élevée à évacuer de la tette de laser et par conséquent un circuit de refroidissement volumineux et compliqué, enfin une grande constante de temps si l'on utilise un système de régulation de température. Au contraire, l'invention permet d'obtenir un dispositif de refroidissement d'une tête de laser, particulièrement avantageux, car ce dispositif de refroidissement est divisé en deux parties complètement distinctes La première partie, représentée à l'intérieur du cadre 1 de la figure 1, refroidissant le cristal, a juste les dimensions néces-saires pour porter le cristal à la température assurant la puissance d'émission laser désirée (inférieure à 200C par exemple). La deuxième partie, représentée à l'intérieur du cadre 2 de la figure 1, refroidissant la lampe et la cavité, a seulement les dimensions suffisantes pour que la lampe et la cavité ne soient pas portées à une température qui risquerait de les détériorer. Cette température est pratiquement toujours largement supérieure à celle du cristal. il résulte de ces dispositions conformes à l'invention des avantages importants La première partie du dispositif qui refroidit le cristal jusqu'à une température relativement basse ( n'azura à évacuer dans l'air ambiant qu'une puissance faihle (par exemple 15 fo de la puissance totale de pompage). Le circuit de refroidissement sera court avec un minimum de pertes de charge, le volume de fluide sera réduit, ce qui entraine une très faible constante de temps dans le cas d'utilisation d'un système de régulation de température du cristal. La deuxième partie du dispositif de refroidissement dans laquelle est dissipée la plus grande partie (85 %) de la puissance de pompage devra evacuer dans l'air ambiant une quantité de chaleur réduite, puisqu'elle ne doit abaisser la température de la source et de la cavité que jusqu'à une valeur où ces constituants ne sont pas détériorés. Par exemple une température de 700C est possible pour la source de pompage et une température supérieure à 700C est possible pour la cavité. il en résulte un encombrement réduit pour cette deuxième partie du dispositif de refroidissement, en ce qui concerne la quantité de fluide nécessaire, son débit et l'échangeur thermique qui évacue la chaleur du fluide de refroidissement. En général, la puissance dissipée dans la cavité de pompage est une fraction faible de la puissance totale de pompage (de l'ordre de 5 %). Pour des puissances de pompage faibles de l'ordre de 1 000 à 2 000 W, il n'est souvent pas nécessaire de refroidir la cavité, les échanges naturels de chaleur avec l'extérieur étant suffisants pour ce refroidissement. La figure 3 représente à titre d'exemple le circuit de refroidissement du cristal comportant un système de régulation de température. Une pompe 11 assure la circulation du fluide de refroidissement provenant du réservoir 12, autour du cristal 13. Pour une puissance calorifique à évacuer de, par exemple, 150 W, la quantité totale de fluide utilisé est seulement de 200 cm3. Un système de régulation de température 14 classique maintient la température du cristal à une valeur de préférence inférieure à 200C. On peut aussi utiliser un système de régulation de température maintenant la température du cristal constante. On utilise de préférence dans l'invention, un élément à effet Peltier pour refroidir le fluide. Ce dispositif constitue "une pompe à chaleur" réglable électriquement. Dans l'exemple précité, les dimensions de I'élément étaient de: 110 x 55 x 85 mm. L'avantage de ce système de refroidissement est sa très faible inertie thermique et sa très faible constante de temps grâce à la très petite quantité de fluide nécessaire. La figure 4 représente à titre d'exemple le circuit de refroidissement de la source de pompage. Une pompe 15 assure la circulation du fluide de refroidissement provenant du réservoir 16 à travers deux circuits montés en parallèle : le circuit principal comporte en série la source de pompage 17 et l'échangeur thermique 18 refroidi par le ventilateur 19. le circuit secondaire comportant le filtre 20 et la vanne 21 permet d'assurer la propreté du fluide de refroidissement. Le circuit principal permet d'évacuer dans l'air ambiant la puissance calorifique évacuée de la source de pompage par le fluide de refroidissement, cette puissance calorifique étant par exemple de 800 Watts pour une source de pompage de 1 000 Watts. Pour cette puissance calorifique à évacuer de 800 Watts et pour une température de fluide de refroidissement d'environ 40 C, on a utilisé un échangeur thermique ayant les caractéristiques suivantes: - fluide à refroidir : mélange eau, éthylène, glycol débit du fluide : 300 l/h puissance à évacuer : 800 Watts température à l'entrée de l'échangeur 400C température à la sortie de l'échangeur 37,50c - fluide refroidisseur : air fourni par ventilateur débit d'air : 105 l/s température d'entrée : 250C température de sortie : 31,5 C. L'échangeur thermique a un volume d'environ : 10 dm3. Si, avec le dispositif connu comportant un seul circuit de refroidissement, on s'était fixé de maintenir la température du fluide de refroidissement à une température voisine de 200C, pour la même puissance à évacuer et pour le même débit d'air, le volume de l'échangeur aurait été de 100 dm3 environ. REVENDICATIONS 1 - Tête de laser à cristal solide fonctionnant à la température ambiante comportant une source de pompage optique, une cavité de pompage renfermant le cristal et une source de pompage, enfin un dispositif de refroidissement, caractérisée en ce que le dispositif de refroidissement comporte une première partie refroidissant le cristal, dont la structure et les dimensions sont telles que le cristal se trouve à la température assurant la puissance d'émission laser désirée, une deuxième partie refroidissant la source et la cavité, distincte de la première partie et dont la structure et les dimensions sont telles que la température de la source et de la cavité est comprise entre la température du cristal et la température maximale possible pour respectivement ladite source et ladite cavité. 2 - Te te de laser à cristal solide selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième partie du dispositif de refroidissement ne refroidit que la source de pompage. 3 - Texte de laser à cristal solide selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la première partie du dispositif de refroidissement comporte un dispositif de régulation de température qui maintient la température du cristal au-dessous d'une certaine valeur. 4 - Texte de laser à cristal solide selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la première partie du dispositif de refroidissement comporte un dispositif de régulation de température qui maintient la température du cristal constante. 5 - Tête de laser à cristal solide selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que le dispositif de régulation de température comporte un élément à effet Peltier.