Brevet FR2491633A1 — publié le 19820409

"Dispositif de protection pour fenêtres optiques ou à infrarouge." La présente invention concerne un dispositif de protec- tion pour les fenêtres optiques ou à infrarouge contre l'irradiation par des lasers à haute énergie. Les fenêtres prévues pour le domaine visible et le do- maine de l'infrarouge proche ne sont pas perméables ou trans- parentes dans le domaine de l'infrarouge dans lequel fonc- tionnent les lasers à haute énergie. Il s'agit ici, par exemple, des domaines A= 9 - il Pm ou 3 - Sjnm. En cas d'irradiation par de tels lasers à haute énergie, en parti- culier des systèmes d'armes de ce type, ces fenêtres absor- bent presque complètement ce rayonnement, ce qui a toutefois pour conséquence que les matériaux utilisés pour ces fenêtres optiques subissent très vite une destruction de surface, en raison de leur faible conductibilité thermique et de leur bas point de fusion ou de vaporisation. Ils perdent immédia- tement leurs qualités optiques, cessent d'être transparents ou éclatent sous l'effet des contraintes thermiques. La fe- nêtre devient ainsi inutilisable. La présente invention a pour objet de mettre au point une fenêtre optique qui reste apte à jouer son rôle, même en cas d'irradiation par un laser à haute énergie, tout en protégeant-en même temps aussi les composants opto-électro- niques qui se trouvent placés derrière elle. La présente invention permet de résoudre ce problème par le fait que la fenêtre, composée de couches d'un matériau optique solide, perméables au rayon laser à haute énergie, est munie d'un dispositif de refroidissement, un fluide ré- frigérant, liquide ou gazeux, non perméable au rayon laser à haute énergie dans le domaine infrarouge, mais perméable dans le domaine utile, s'écoulant entre ces couches. Une autre caractéristique du dispositif selon la pré- sente invention prévoit que l'on puisse utiliser, comme flui- de réfrigérant, du cyclohexane liquide, de l'eau (H20) ou bien SF6 ou CH4 gazeux. Selon une autre caractéristique de la présente inven- tion, la couche ou le film de fluide réfrigérant présente une épaisseur qui est au moins égale à la longueur d'absorp-- tion du rayon. Selon une autre caractéristique de la présente inven- tion, on peut utiliser comme matériau pour la fenêtre, ZnSe, ZnS du CaF, le matériau vendu sous la marque "IRTRAN"ou un matériau similaire. 2 Selon une autre caractéristique de la présente inven- tion, la vitesse du fluide réfrigérant est régulée de telle manière, par rapport au parcours, que l'élévation de la tem- pérature de ce fluide soit inférieure à 10C. Selon une autre caractéristique de la présente inven- tion, le fluide réfrigérant s'écoule dans un circuit fermé, et le réservoir de ce circuit présente une capacité calori- fique supérieure à la chaleur irradiée par le rayon laser à haute énergie. Selon une autre caractéristique de la présente inven- tion, le circuit du fluide réfrigérant est entrainé par l'échauffement provoqué par le rayon laser à haute énergie. Selon une autre caractéristique de la présente inven- tion, des diaphragmes de champ visuel absorbants sont asso- ciés au ou aux système(s) optique(s) formant l'image. Selon une autre caractéristique de la présente inven- tion, la fenêtre peut être placée à l'extérieur sur l'ou- verture optique. Selon une autre caractéristique de la présente inven- tion, la fenêtre peut être placée entre les éléments optiques. Les dispositions prévues par la présente invention per- mettent de résoudre le problème posé d'une manière relative- ment simple et étonnamment fiable. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation pris comme exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une vue en plan d'une fenêtre; - la figure 2 est une coupe selon A-A de la figure 1; - la figure 3 est une coupe transversale d'un autre exemple de réalisation d'une fenêtre, laquelle doit présenter une résistance élevée; - la figure 4 est une vue d'une disposition d'une fenê- tre à l'intérieur des éléments optiques d'un objectif, en représentation schématique, et - la figure 5 est une vue de la configuration d'une fenêtre prévue sur un miroir, en représentation schématique. Les figures 1 à 3 illustrent des exemples de réalisation de la fenêtre 11 proposée, dont le matériau est perméable ou transparent pour la bande spectrale du signal utile. Le matériau utilisé pour les couches lia est perméable ou trans- parent dans la bande spectrale du signal utile comme aussi dans le domaine spectral dans lequel fonctionnent les rayons laser à haute énergie. Il est proposé, par exemple, d'uti- liser ZnS, ZnSe, CaF2 ou "IRTRAN". Ces couches, ou d'autres couches également appropriées, sont disposées de telle maniè- re, pour constituer une fenêtre, qu'un conduit ou canal 12 soit formé entre elles, conduit qui est parcouru par un flui- de réfrigérant 12a. Le diamètre de ce ou de ces conduit(s) est, par exemple, compris entre 1 et 10 mm. Ce fluide réfri- gérant l2a, qui peut être liquide ou gazeux, doit toutefois posséder la propriété d'être imperméable au rayon laser à haute énergie - et donc d'absorber celui-ci -, mais de lais- ser passer le signal utile. A cet effet, il est proposé d'utiliser, comme fluide réfrigérant 12a, du cyclohexane liquide, de l'eau (H20) ou bien SF6 ou CH4 gazeux. Il s'est avéré particulièrement favorable que la couche ou le film de fluide réfrigérant 12a présente une épaisseur qui soit au moins égale à la longueur d'absorption du rayon, de préféren- ce toutefois de plusieurs fois cette longueur. Il est essen- tiel que la vitesse à laquelle le fluide réfrigérant 12a traverse la fenêtre 11 soit régulée de telle manière, par rapport au parcours, que l'élévation de la température du fait de l'échauffement dû au rayon soit encore inférieure à IOC, de sorte que la qualité optique de la fenêtre soit aussi peu influencée que possible par la formation de stries dans le fluide réfrigérant. Il est avantageux que le fluide réfri- gérant 12a soit guidé dans un système en circuit fermé auquel est associé un réservoir 13, dont la capacité calorifique est supérieure ou égale à la chaleur irradiée par le rayon laser à haute énergie. Le dispositif peut alors être maintenu ou réalisé de telle manière que l'échauffement du fluide réfri- gérant 12a par le rayon laser à haute énergie soit mis à profit, l'effet de thermosiphon étant utilisé, pour l'obten- tion du mouvement de ce fluide dans le circuit fermé ou de sa circulation. La fenêtre 11 proposée permet non seulement d'éviter que le matériau utilisé pour sa fabrication n'atteigne des températures élevées, mais aussi d'obtenir, en particulier, une protection des composants optiques qui se trouvent pla- cés derrière elle, entre autres les détecteurs électro-op- tiques 16, ou bien aussi de l'oeil humain. Les fenêtres à gaz ou à liquide peuvent être conçues selon différents modes de réalisation. La figure 3 illustre un exemple qui a particulièrement fait ses preuves lorsque les charges ou sollicitations qui interviennent exigent une résistance élevée. Dans cet exemple, de nombreux conduits de refroidissement 12, parcourus par le fluide réfrigérant 12a, sont disposés, selon un dessin en nids d'abeilles, dans le matériau lla qui constitue les couches de la fenêtre. La réalisation peut aussi se faire sous forme de lentille ou de dôme, ou bien, ainsi que le montre la figure 5, sous forme de miroir. Dans cet exemple, le conduit de refroidissement 12 est placé entre la couché réfléchissante i5a et la couche perméable à l'infrarouge 15b. Dans ce mode de réalisation sous forme de miroir, cette couche 15b est réalisée de ma- nière à réfléchir le signal utile. La figure 4 montre comment la fenêtre Il est placée entre les éléments optiques - lentilles, etc. - d'un objectif. Dans ce cas, la lentille 14a doit être réalisée en un matériau qui n'absorbe pas le rayon laser à haute énergie et n'est donc pas détruit. Elle peut aussi bien être placée à l'extérieur sur l'ouverture optique. Dans le cas des instruments d'opti- que, tels que, par exemple, les caméras ou appareils photo- graphiques, il est recommandé d'adopter une disposition à l'intérieur de la trajectoire du rayon. Il s'avère avanta- geux à cet égard d'associer en plus au ou aux systèmes optiques formant l'image des diaphragmes de champ visuel 14c absorbants, qui rejettent le rayon laser à haute éner- gie dont l'angle d'incidence est grand par rapport à l'axe optique. 6 2491633 REVENDICATIONS 1.- Dispositif de protection pour fenêtres optiques ou à infrarouge contre l'irradiation par un rayon laser à haute énergie, caractérisé en ce que la fenêtre (11), composée de couches d'un matériau optique solide (lia), perméables au rayon laser à haute néergie (10)i est munie d'un dispositif de refroidissement (12), un fluide réfrigérant (12a), liqui- de ou gazeux, non perméable au rayon laser à haute énergie dans le domaine infrarouge, mais perméable dans le domaine utile, s'écoulant entre ces couches (lia). 2.- Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise, comme fluide réfrigé- rant (12a), du cyclohexane liquide, de l'eau (H20) ou bien SF6 ou CH4 gazeux. 3.- Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la couche ou le film de fluide réfrigérant (12a) présente une épais- seur qui est au moins égale à la longueur d'absorption du rayon. 4.Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise pour la fenêtre, comme matériau (lia), ZnSe, CaF2, "IRTRAN", ou un matériau simi- laire. 5.- Dispositif de protection selon l'une quelconque ou plusieurs des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la vitesse du fluide réfrigérant est régulée de telle manière, par rapport au parcours, que l'élévation de la température de ce fluide soit inférieure à 1C. 6.- Dispositif de protection selon l'une quelconque ou plusieurs des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant(12a) s'écoule dans un circuit fermé, et que le réservoir (13) de ce circuit présente une capacité calorifique supérieure à la chaleur irradiée par le rayon laser à haute énergie. 7.- Dispositif de protection selon l'une quelconque ou plusieurs des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le circuit du fluide réfrigérant (12a) est entraîné par l'échauffement provoqué par le rayon laser à haute energie (10). 8.- Dispositif de protection selon l'une quelconque ou plusieurs des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que des diaphragmes de champ visuel absorbants sont en plus as- sociés au ou aux système(s) optique(s) (14,15) formant l'i- mage. 9.- Dispositif de protection selon l'une quelconque ou plusieurs des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la fenêtre (11) est placée à l'extérieur sur l'ouverture optique. 10.Dispositif de protection selon l'une quelconque ou plusieurs des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la fenêtre (11) est placée entre les éléments optiques (14a, 14b).