Brevet FR2162274A1 — publié le 19730720

l'invention se rapporte aux émetteurs de lumière visible constitués par un dispositif électroluminescent à l'état solide, émettant de l'infrarouge, couplé à un dispositif photoluminescent absorbant les radiations infrarouy3set émettant, en réponse, de la lumière visible. L'avantage d'un tel émetteur de lumière visible résulte de la possibilité d'obtenir des radiations de lumière visible de couleurs diverses en choisissant convenablement les matériaux dits "convertisseurs" inclus dans le dispositif photoluminescent. A titre d'exemple de tels matériaux de conversion, on citera les tungstates, oxydes et fluorures de terres rares dont lleifet "convertisseur" a été découvert par Monsieur François AUTEL, l'un des auteurs de la présente invention. La technologie de fabrication et certaines applications de ces matériaux font l'objet du brevet français NO 1 532 609 déposé le 1er juin 1967 par le C.N.E.T. (Centre National d'Etude de Télécommunicatione)et de la demande de brevet français enregistrée le 10 février 1970 sous le NO 70.04606 déposée par le C.N.E.T. Le principe de la conversion de radiations infrarouges en radiations visibles est exposé ci-après. Des photons infrarouges sont émis, par exemple par une diode électro-luminescente à l'arséniure de gallium dopé au silicium, cette diode étant noyée dans le matériau de conversion. Ces photons infrarouges sont absorbés par des ions ytterbium (Pb+tt) ; cette absorption est optimale lorsque la longueur d'onde de l'infrarouge est de 0,97 micron.D'énergie ainsi absorbée est utilisée au sein du matériau de conversion pour exciter successivement par exemple des ions erbium (Brltl) ou thulium (Tm+++) qui se désexcitent alors en émettant des photons d'énergie respectivement égale au double ou au triple de l'énergie incidente, cela sans violation du principe de la conservation de l'énergie, car deux ou trois photons cèdent alors leur énergie à un seul photon émis. Si les pertes sous forme de chaleur sont importantes, on peut obtenir des photons émis ##énergie inférieure au double ou au triple de celle des photons incidents. On comprend ainsi qu'on puisse transformer de la lumière infrarouge en lumière visible de couleur variée, suivant le type de terre rare qu'on utilisera au départ. Ces corps convertisseurs par processus "multiphoton" se présentent sous forme de poudres permettant d'obtenir pratiquement toutes les couleurs désirées. Malheureusement, l'absorption dans 11 infrarouge des corps constituant le matériau de conversion reste toujours faible et l'absorption dans le visible est au contraire assez élevée s de plus le calcul des probabilités montre que, par exemple dans le cas d'un processus "biphoton", le rendement de conversion d'énergie est proportionnel au carré du flux infrarouge absorbé. Il en résulte qu'en pratique la conversion ne sera efficace qutaus endroits de forte densité de lumière infrarouge. Pour assurer un bon rendement global dans les systèmes basés sur ce principe de conversion, il faudra donc prendre des dispositions telles que t -le trajet des photons infrarouges dans le matériau de conversion soit aussi long que possible, pour que l'absorption de rayonne ment infrarouge soit forte 20 - Par contre le trajet des photons de lumière visible soit aussi court que possible dans le matériau absorbant pour que leur absorption soit faible. L'invention permet de résoudre ce problème. Le dispositif émetteur de lumière visible selon l'invention, qui comporte une source de photons de faible énergie (rayonnement infrarouge), est caractérisé en ce que ladite source est associée à un matériau convertisseur capable démettredes photons de forte énergie (lumière visible) sur lequel des dispositifs réflecteurs dirigent lesdits photons de forte énergie, lesdits dispositifs réflecteurs étant aménagés de telle sorte que lesdits photons de faible énergie effectuent un trajet aussi long que possible dans le matériau convertisseur pour augmenter la densité volumique de photons de faible énergie dans ledit matériau et de telle sorte que lesdits photons de forte énergie effectuent un trajet aussi court que possible dans ledit matériau convertisseur. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparattront au moyen de la description qui suit et des dessins annexés parmi lesquels - les figures t et 2 sont des coupes illustrant les zones de plus grande brillance dans les dispositifs connus - les figures 3 à 7 sont des coupes relatives à des dispositifs conformes à ltinventione La figure 1 représente en coupe un dispositif connu. Il comprend une diode 10 électroluminescente, formée d'une zone dopée N, formant une jonction plane 1 avec une zone dopée P. On sait que de telles diodes ont une jonction photoémissive, quand elles sont faites d'un matériau approprié, par exemple d'arséniure de gallium et qulelles sont polarisées dans le sens direct.Un moyen pour obtenir des diodes à grande brillance consiste à déposer par épitaxie en phase liquide sur un matériau monocristallin plat, par exemple dopé P, un matériau dopé N. On#abtient ainsi des diodes à jonction plane et de forme cylindrique ou parallélipédique. On obtient une zone de grande brillance 5, entourant la jonction. Les photons émis par les différents points de la jonction forment des flux de grande densité dans cette zone. Le matériau de conversion 4 entoure la diode et sa luminescence est maximale dans la zone 5 qui forme une couronne autour de la diode. Les bornes 2 et 3 sont les bornes de polarisation de la diode qui doit, pour émettre, etre parcourue par un courant dans le sens direct. La figure 2 (où les mimes références désignent les mimes organes) diffère de la figure 1 en ce que la diode a une forme de tronc de cane, dont la base de moindre section est dirigée vers un observateur placé sur l'axe XX de la diode, orienté du cdté N de la jonction, ce qui lui permet de voir mieux la zone luminescente. Ces deux dispositifs sont connus et présentent deux défauts a) le trajet des photons de faible énergie émis par la diode est court ; ils seront donc peu absorbés b) la zone luminescente n'est pas au voisinage direct de la surface de séparation du matériau 4 et du milieu ambiant ; un observateur ne la verra qu'à travers une zone absorbante de photons de forte énergie, qui est constituée par le matériau 4. Un premier exemple de dispositif selon l'invention est représenté figure 3. Il permet de remédier à ces inconvénients. Sur cette figure 3, on voit la coupe d'une cavité métallique à fond plat 31 et à paroi latérale cylindrique 32. Cette cavité est remplie par le matériau convertisseur 4. Sur ce fond est déposée la zone P de la diode 10. La surface interne de cette cavité métallique (en cuivre par exemple) a été préalablement dorée de façon à présenter un excellent coefficient de réflexion aux radiations infrarouge a Un rayon infrarouge émis par la jonction, tel que EIJK subit une réflexion contre la paroi 32 en I et une réfraction au point J où il traverse la surface de séparation entre le matériau 4 et l'air libre. On voit que le parcours de la radiation infrarouge dans le matériau 4 est plus long que s'il n'y avait pas de paroi 32. En outre, si l'on considère un point M1 situé sur le trajet SI du rayon et un point M2 situé sur le trajet IJ, on sait que des photons de lumière visible sont émis en ces points par les ions émetteurs qui sty trouvent.Il apparat, d'après la figure 3, que ces photons ont un trajet plus court à effectuer pour émerger à ltair libre lorsqu'ils proviennent du point M2 que du point Mi. En conséquence, sur ce trajet IJ naissent des photons qui ont moins de chance d'être absorbés que ceux provenant du trajet El. La zone émissive de lumière est donc concentrée dans une région très proche de la surface de séparation, ce qui améliore la brillance. Sur les figures 4 et 5, la cavité est respectivement en forme de tronc de ctne (fond plat 41, paroi latérale 42, figure 4) et de paraboloide de révolution autour de l'axe XX et dont le foyer est situé dans le plan de la jonction (fond plat 51, paroi latérale 52, figure 5). Le rayon ET tracé dans les deux cas se trouve dans le plan de la jonction PN. Or, c'est précisément au voisinage de ce plan que le flux de photons infrarouges dirigé suivant l'axe EI est le plus grand, car il y a alors addition des flux provenant de l'ensemble de la jonction. Par conséquent, dans les dispositifs des figures 4 et 5, on utilise au mieux les rayons émis dans le plan de la jonction.Mais, dans le cas de la figure 5, il y a un avantage supplémentaire, car les rayons de lumière visible provenant du foyer de la parabole ou plus exactement semblant provenir du foyer, émergent tous suivant la direction de l'axe XX. Cette particularité ntintéresse évidemment qu'une partie des photons de lumière visible, mais cette restriction n'entrasse pas de véritable défaut car on ne désire pas obtenir de brillance uniquement sur l'axe XX, l'observa- tion ayant aussi lieu latéralement. Figure 6, on a représenté un dispositif analogue à celui de la figure 5, mais présentant un avantage supplémentaire. Il comporte un miroir 60 qui ferme la cavité forflee par le miroir métallique 32. le miroir 60 est sélectif, c'est-à-dire qu'il réfléchit les radiations infrarouges (0,97 micron de longueur d'onde dans le cas de l'arséniure de gallium dopé au silic Um) . Il est transparent pour les rayons de plus faible longueur d'onde. Il est constitué par exemple de couches de diélectrique ayant individuellement une épaisseur égale au quart de la longueur d'onde qutil est capable de réfléchir. On sait fabriquer de tels miroirs réfléchissant sélectivement ltinfra- rouge proche, ce qui est bien le cas de l'invention0 On a représenté figure 6, le trajet d'un rayon infrarouge émis en un point E de la jonction IN situé à la périphérie de celle-ci. le rayon El se réfracte suivant IJ dans l'intervalle 61 (rempli par exemple d'air à la pression atmosphérique) qui sépare le matériau 4 du miroir 60. Il se réfléchit suivant JE sur la paroi 32, suivant Bl sur le miroir 60, suivant LN sur la paroi 32, se réfracte suivant MQ dans le matériau 4, suivant QR dans l'intervalle 61, se réfléchit suivant RS sur le miroir 60 et suivant ST sur la paroi 32 et ainsi de suite. Quant aux photons de lumière visible émis aux différents points du trajet du rayon représenté figure 6, ils traversent pratiquement sans etre affaiblis le miroir 60. On peut donc considérer, que le miroir 60 est un filtre arrêtant sélectivement les radiations infrarouges et laissant passer la lumière visible. A l'intérieur du dispositif, les photons infrarouges ont une concentration qui crott rapidement à partir de l'instant initial démission jusqu'à atteindre une limite dépendant principalement de l'absorption par le matériau convertisseur et secondairement de l'absorption par le matériau semiconducteur. On a représenté, figure 7, une variante de l'invention. En ce cas le matériau convertisseur 4 présente dans la direction de l'axe XX, une forme hémisphérique. Un miroir 70 est obtenu par dépôt sur le matériau 4 d'une substance, par exemple de la cryolithe, en couche d'épaisseur égale à un multiple impair du quart de la longueur d1 onde infrarouge émise par la diode et transparente à la lumière visible. Le dispositif est limité, dans la direction opposée, par une paroi réfléchissante 71, constituée de façon analogue à la paroi 32 dans les figures 3 à 6 mais plane. Un tel dispositif présente l'avantage de ne pas entre directionnel ctest-à-dire qu'il permet d'obtenir une luminescence équivalente pour des observateurs placés sur des axes tels que XX, YY et ZZ, autrement dit, dans une partie quelconque de l'angle solide situé d'un meme catS du plan de la paroi 71. Une autre variante de l'invention consiste, dans le cas des dispositifs des figures 6 et 7, à remplacer le miroir interférentiel par une lame dichrorque réfléchissant sélectivement llinfrarouge, par exemple une lame de spath. k A titre d'exemple nullement limitatif, on peut citer un exemple de réalisation donnant les ordres de grandeur des dimensions d'un dispositif selon l'invention. La diode ne dépasse pas 0, 2 mm dans sa plus grande dimension et le diamètre de la surface de séparation du matériau convertisseur 4 et de l'air libre (figures 3 à 5) est de 11 ordre de 2 mm. L'invention n'est pas limitée aux dispositifs décrits et représentés ci-avant. Elle permet de tirer un meilleur parti des applications prévues dans les brevets précités. En outre, elle est applicable dans la plupart des cas d'emploi des dispositifs émetteurs de lumière visible de couleurs variées : - voyants pour installations téléphoniques, installations de bord de véhicules et d'avions - consoles d'ordinateurs et appareils de télé-informatique - dispositifs d'affichage numérique ou alphanumérique - - écrans plats de télévision à faible définition. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'émission de photons de forte énergie, comportant une source de photons de faible énergie, caractérisé en ce que ladite source est associée à un matériau convertisseur capable d'émettre des photons de forte énergie et sur lequel des dispositifs réflecteurs dirigent lesdits photons de faible énergie, lesdits dispositifs réflecteurs étant disposés de telle manière, par rapport à ladite source, que les photons de faible énergie soient amenés à effectuer un trajet aussi long que possible dans le matériau convertisseur, pour augmenter la densité volumique de photons de faible énergie dans ledit matériau et que les photons de forte énergie soient amenés à effectuer un trajet aussi court que possible dans ledit matériau convertisseur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits dispositifs réflecteurs constituent les parois internes dlune surface de révolution de hauteur comprise entre un premier et un deu xième plan perpendiculaire à llaxe de ladite surface, ledit premier plan étant matérialisé par une paroi réfléchissant les photons de faible et de forte énergie et ledit deuxième plan permettant auxdits photons de forte énergie d'accéder au milieu ambiant. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite surface de révolution est un cylindre. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite surface de révolution est un tronc de cône. 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite surface de révolution est un paraboloide. 6. Dispositif selon l'une des revendications 2, 3, 4 et 5, caractérisé en ce que dans ledit deuxième plan est placé un miroir sélectif réfléchissant lesdits photons de faible énergie et laissant passer lesdits photons de forte énergie. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dits dispositifs réflecteurs comportent, d'une part, une cavité de forme quelconque et, d'autre part, une fenêtre limitant ledit matériau convertisseur, contre laquelle est plaqué un miroir sélectif réfléchissant lesdits photons de faible énergie et laissant passer lesdits photons de forte énergie. 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que ledit miroir sélectif est un miroir interférentiel. 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que ledit miroir sélectif est une lame dichro#que. 10. Système d'affichage caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif selon la revendication 1.