Brevet FR2635231A2 — publié le 19900209

FR 2635231 A2 19900209 FR 7618073 A 19760615 1 2635231 La présente invention concerne un miroir pour laser de puissance ayant fait l'objet d'un brevet principal déposé sous le ne 74 22 428. Selon la revendication I du brevet principal, ce miroir pour laser de puissance, comportant une plaque épaisse dont une face avant est polie de manière à réfléchir une forte proportion de la lumière incidente et des conduits en contact thermique avec ladite plaque pour permettre la circulation d'un fluide de refroidissement, est caractérisé par le fait que lesdits conduits sont disposés dans une fraction de l'épaisseur de ladite plaque au voisinage de ladite face avant. Dans une forme de réalisation du miroir selon le brevet principal, la plaque est constituée sur la quasi totalité de son épaisseur d'un même métal bon conducteur thermique tel que le cuivre. De tels miroirs sont utilisés notamment pour réaliser la cavité optique résonnante de lasers du type à gaz carbonique et azote qui sont aptes à émettre un faisceau de rayonnement infrarouge de grande Duissance. Il apparaît cependant que lorsque la puissance du faisceau est très élevée, le rendement des lasers équipés de miroirs selon le brevet principal diminue rapidement au cours du fonctionnement. La présente invention a pour but de perfectionner les miroirs pour laser selon le brevet principal afin de permettre aux lasers de grande puissance utilisant des miroirs de ce type de conserver un bon rendement au cours du f onc t ionnement. La présente invention a pour objet un miroir pour laser de puissance selon la revendication I du brevet principal, comportant: - une plaque épaisse dont une face avant est polie de manière à réfléchir une forte proportion de la lumière laser incidente, - des conduits disposés dans une fraction de l'épaisseur de ladite plaque au voisinage de ladite face avant, - et des moyens pour faire circuler un fluide dans lesdits conduits en vue de refroidir ladite plaque caractérisé par le fait que ladite plaque est composée de trois lames super- posées - une première lame comportant ladite face avant et constituée essentiellement d'un premier matériau métallique, - une deuxième lame dont une face est fixée sur l'autre face de ladite première lame, cette deuxi&me lame étant constituée d'un deuxième matériau métallique, lesdits conduits étant disposés sensiblement suivant la surface de contact entre lesdites première et seconde lames, - une troisième lame dont une face est fixée sur l'autre face de ladite deuxième lame, cette troisième lame étant constituée d'un troisième matériau métallique, 2 2635231 des canaux étant disposés dans l'épaisseur de cette troisième lame, les coefficients de dilatation desdits premier et troisième matériaux étant supérieurs à celui dudit deuxième matériau, les conductivités thermiques desdits premier et troisième matériaux étant supérieures à celles dudit deuxième matériau, et que lesdits moyens pour faire circuler un fluide dans lesdits conduits font en outre passer dans lesdits canaux le fluide sortant desdits conduits afin de réchauffer ladite troisième lame. L'invention est décrite ci-dessous, à titre illustratif mais nullement limitatif, en regard du dessin annexé dans lequel la figure I représente un mode de réalisation du miroir selon l'invention et la figure 2 est une coupe schématique suivant le plan XX du miroir illustré par la figure 1. Sur la figure 1, une plaque cylindrique épaisse I comporte une face avant plane 2 polie pour réfléchir une forte proportion de la puissance d'un faisceau laser 3 de lonrueur d'onde 10,6 microns, provenant d'un générateur laser à azote et gaz carbonique. A cet effet la face 2 de la plaque 1 a été préalablement revêtue d'une couche d'or de quelques microns. La plaque I est composée de trois lames métalliques 4, 5 et 6 superposées et assemblées entre elles par brasage par exemple. La lame 4, réalisée en molybdène, comporte la face avant 2 dont il a été question plus haut. La face de la lame 4 opposée à la face 2 est fixée par brasage à une face de la lame 5 réalisée en invar. De nombreux conduits tels que 7 et 8 permettant la circulation d'un fluide de refroidissement sont disposés sensiblement suivant la surface de contact X-X entre les lames 4 et 5. L'autre face de la lame 5 est brasée sur une face de la lame 6 réalisée en cuivre. Des canaux tels que 9 et 10 sont disposés dans l'épaisseur de la lame 6. Bien entendu les matériaux métalliques dont sont constitués les lames 4, 5 et 6 peuvent être différents de ceux cités ci-dessus, mais ces matériaux doivent être tels que les coefficients de dilatation des matériaux constituant les lames 4 et 6 soient supérieurs au coefficient de dilatation du matériau constituant la lame 5. De plus, les conductivités thermiques des matériaux constituant les lames 4et 6 doivent être supérieures à celles du matériau constituant la lame 5. Des moyens sont en outre prévus pour faire circuler un fluide de refroidis- sement, par exemple de l'eau, dans les conduits et canaux du miroir. L'eau circule d'abord dans les conduits 7, 8, puis est dirigée dans les canaux 9 et de la lame 6. A cet effet un réseau de canalisations Il et 12 relie les conduits aux canaux; l'eau de circulation pénètre dans le miroir par des entrées 13 et 14 et le quitte par des sorties 15 et 16. Ces moyens de circulation comprennent en outre un système de pompes non représenté. La figure 2 illustre un mode de réalisation des conduits. Les conduits 7, 3 2635231 8, 17, 18, 19 sont disposés suivant des cercles concentriques autour d'un point disposé sur la surface X-X. Le fluide de refroidissement entre notamment en un point 21 d'un conduit quelconque 7. Le flux de ce fluide se divise alors en deux parties 22 et 23 se propageant en sens inverse l'une de l'autre le long de ce conduit de part et d'autre du point 21, ce flux sortant dudit conduit en un point 24 opposé au point 21 sur le conduit circulaire 7. Dans ce cas, il est prévu de préférence que le fluide de refroidissement irrigant le conduit 8 adjacent au conduit 7 entre dans le conduit 8 en un point 25 de ce conduit, situé à proximité du point 24. Le flux correspondant se divise en deux parties 27 et 28 se propageant en sens inverse l'une de l'autre le long du conduit 8 et sortant de ce conduit en un point 29 situé à proximitt du point 21. La circulation du fluide dans les différents conduits est alors telle que les sens d'écoulement du fluide dans deux conduits adjacents quelconques sont opposés l'un par rapport à l'autre. La densité du réseau de conduits dans la lame 4 peut être variable d'un point à l'autre de cette lame en fonction de la distance au centre 20. C'est ainsi que corie représenté sur la figure 2 la densité des conduits dans la zone centrale proche du point 20 peut être supérieure à celle de la zone périphérique. De même, la section des différents conduits et le débit du fluide dans ces conduits peuvent être variables d'un conduit 3 l'autre. Pour réaliser facilement ces conduits, on peut creuser des rainures de section sensiblement rectangulaire dans la lame 4 ou dans la lame 5 suivant la surface de contact X-X entre ces deux lames. Dans le dispositif représenté sur les figures I et 2, ces rainures sont creusées dans la lame 4 et sont couvertes par des portions de la face de la lame 5 en contact avec la lame 4. La forme des canaux disposés dans la lame 6 peut 'être analogue à celle des conduits de la lame 4 décrite ci-dessus. Mais plus simplement, cormme représenté sur la figure 1, ces canaux peuvent être rectilignes, parallèles à la face I et répartis de façon homogène dans la masse de la lame 6. Grâce à la mince couche d'or déposée sur la face avant 2, le coefficient de réflexion du miroir est très élevé et voisin de 99 %. La face 2 absorbe donc et transforme en chaleur environ 1 Z de la lumière incidente. Grâce à la bonne conductivité thermique du matériau constituant la lame 4, cette chaleur est transmise rapidement vers les conduits et évacuée en grande partie par le fluide de refroidissement circulant dans ces conduits. Cependant la chaleur non évacuée tend à échauffer la lame 4 et à la dilater. Cone le coefficient de dilatation de la lame 5 est inférieur à celui de la lame 4, la dilatation de la lame 4 engendre une contrainte mécanique s'exerçant sur la lame 5 qui tendrait, si la lame 6 n'existait pas, à provoquer une courbure de la face avant 2 de façon à rendre le miroir convexe. Or on sait qu'il suffit que le miroir prenne une faible convexité pour que le rendement laser baisse considérablement. Le fluide de refroidissement qui s'est échauffé par passage dans les conduits de la lame 4 vient ensuite réchauffer la lame 6 par circulation dans les canaux de cette lame. En général l'élévation de température de la lame 6 est inférieure h celle de la lame 4. Etant donné que le coefficient de dilata- tion du matériau de la lame 6 est supérieur à celui de la lame 4, il en résulte pour la lame 6 une dilatation h peu près équivalente h celle de la lame 4. La dilatation de la lame 6 engendre une contrainte mécanique s'exercant sur la lame 5, sensiblement égale et de sens opposé h celle qu'exerce la lame 4. Les deux contraintes mécaniques s'exerçant sur la lame 5 se compensent donc sen- siblement. La courbure résultante de la face avant 2 du miroir est alors beaucoup plus faible que celle d'un miroir selon le brevet principal réalisé en un matériau unique. Cette diminution de courbure de la face avant rend possible pratiquement l'utilisation des miroirs perfectionnés selon l'invention pour des puissances laser nettement plus élevées que la puissance maximale autorisée par les miroirs réalisés en un matériau unique. L'homme de l'art pourra prédéterminer, par un calcul de résistance des matériaux, les valeurs optimales à donner h l'épaisseur des lames 4, 5 et 6 et les caractéristiques du système de refroidissement en fonction des matériaux choisis pour les lames et de la densité de puissance du faisceau laser. A titre indicatif un miroir de 10 centirmtres de diamètre constitué d'une lame 4 en molybdène d'épaisseur 0,2 cmri, d'une lame 5 en invar d'épaisseur 1,8 cri et d'une lame 6 en cuivre d'épaisseur 2,3 cm permet d'obtenir un fonction- nement laser satisfaisant pour une densité moyenne de puissance du faisceau laser de 10 KW/cm2 si l'on prévoit un système de refroidissement capable d'assurer une densité moyenne de débit d'eau dans les conduits de la lame 4 égale h 10 grammes par seconde par centimètre carré de surface utile de la face avant, la section de ces conduits étant définie par une largeur de 0, 1 centi- mètre et une profondeur de 0,15 centimètre, la distance entre les axes de deux conduits consécutifs étant de l'ordre de 0,25 centimètre. La forme et la disposition des conduits décrite ci-dessus et illustrée par la figure 2 permet de compenser une répartition spatiale inhomogène de l'énergie laser qui vient frapper la lame 4 et la diminution de l'efficacité du refroidis- sement au fur et h mesure de la propagation du liquide dans chaque conduit de la lame 4. On sait en effet qu'un faisceau laser présente rarement une répartition transversale homogène de sa puissance. Le plus souvent cette répartition est de type gaussien.. c'est-à-dire que la densité axiale de puissance est beaucoup 2635231 plus forte que la densité périphérique. Dans ce cas, la lame 4 qui recoit l'énergie laser sur la face 2 tend à se déforner de manière e produire une convexité de la face 2, cette déformation venant augmenter celle provoquée par l'échauffement global de la lamne 4. Il est connu de plus que les échanges thermiques au niveau de la paroi d'un conduit dans lequel s'écoule un fluide de refroidissement se dégradent au fur et à mesure que le fluide progresse dans le conduit et que sa température augmente. La forme circulaire des conduits illustrée par la figure 2 est utilisée lorsque la répartition de l'énergie du faisceau reçu sur le miroir est sensi- blement de révolution autour de l'axe du faisceau, le centre 20 des cercles concentriques étant placé sur cet axe. La variation de densité du réseau de conduits dans la lame 4 est destinée à compenser l'effet thermique provoqué par la variation de densité d'énergie dans une section transversale du faisceau. C'est ainsi que lorsque la répartitior énergétique est du type gaussien, la densité du réseau de conduit est plus forte dans la zone axiale que dans la zone périphérique (voir figure 2). Bien entendu cette compensation de l'effet thermique provoqué par la variation de densité d'énergie du faisceau peut aussi être obtenue par une variation corres- pondante de la section de ces conduits ou du débit du fluide de refroidissement dans ces conduits. L'alternance du sens de circulation dans les conduits successifs est destinée à compenser la diminution de l'efficacité du refroidissement au fur et à mesure que le liquide se propage dans les conduits, et à rendre ainsi plus homogène le refroidissement de la lame 4. Les miroirs selon la présente invention peuvent être appliqués à la réalisation de cavités optiques résonnantes de générateurs laser de grande puissance, notamment de générateurs du type à gaz carbonique et azote. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier on peut, sans sortir du cadre de l'invention, changer certaines dispositions et remplacer certains moyens par des moyens équivalents. 6 Z 2635231 REVENDICATIONS 1/ Miroir pour laser de puissance, selon la revendication 1 du brevet principal, comportant: - une plaque épaisse dont une face avant est polie de manière à réfléchir une forte proportion de la lumière laser incidente, - des conduits disposés dans une fraction de l'épaisseur de ladite plaque au voisinage de ladite face avant, - et des moyens pour faire circuler un fluide dans lesdits conduits en vue de refroidir ladite plaque caractérisé par le fait que ladite plaque (1) est composée de trois lames (4, et 6) superposées - une première lame (4) comportant ladite face avant (2) et constituée essentiel- lement d'un premier matériau métallique, - une deuxième lame (5) dont une face est fixée sur l'autre face de ladite première lame (4), cette deuxième lame (5) étant constituée d'un deuxième matériau métallique, lesdits conduits (7, 8) étant disposés sensiblement suivant la surface de contact (X-X) entre lesdites première et seconde lames (4, 5), - une troisième lane (6) dont une face est fixée sur l'autre face de ladite deuxième lame (5), cette troisième lame (6) étant constituée d'un troisième matériau métallique, des canaux (9, 10) étant disposés dans l'épaisseur de cette troisième lame (6), les coefficients de dilatation desdits premier et troisième matériaux étant supérieurs à celui dudit deuxième matériau, les conductivités thermiques desdits premier et troisième matériaux étant supérieures à celles dudit deuxième matériau, et que lesdits moyens pour faire circuler un fluide dans lesdits conduits (7, 8) font en outre passer dans lesdits canaux (9, 10) le fluide sortant desdits conduits (7, 8) afin de réchauffer ladite troisième lame (6). 2/ Miroir selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits conduits (7, 8) sont disposés suivant des cercles concentriques. 3/ Miroir selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit premier matériau est du molybdène, ledit second matériau est de l'invar et ledit troi- sinème matériau du cuivre. 4/ Miroir selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites lames (4, 5, 6) sont fixées les unes aux autres par brasage.- 5/ Miroir selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour faire circuler un fluide dans lesdits conduits donnent à ce fluide des sens de circulation opposés (22, 28) dans deux conduits adjacents quelconques (7, 8). 6/ Miroir selon la revendication 5, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour faire circuler un fluide dans lesdits conduits sont tels que le flux dudit fluide entre dans chaque conduit (7) en un point (21) du cercle correspondant puis se divise en deux parties (22, 23) de façon à parcourir ce conduit en sens inverse de part et d'autre de ce point (21), le flux dudit fluide sortant dudit conduit (7) en un point (24) opposé de ce cercle par rapport au point d'entrée (21). 7/ Miroir selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la densité desdits conduits (7, 8, 17, 18, 19) sur la surface dudit plan varie en fonction de la distance desdits conduits au centre (20) desdits cercles concentriques. 8/ Miroir selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la densité desdits conduits sur la surface dudit plan est plus forte dans la zone centrale desdits cercles concentriques que dans la périphérie. 9/ Miroir selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la section des différents conduits est variable d'un conduit à l'autre. / Miroir selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le débit dudit fluide dans les différents conduits est variable d'un conduit à l'autre. 11/ Miroir selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits conduits sont constitués par les rainures (7, 8) creusées dans une desdites première et deuxième lames (4, 5) suivant la surface de contact (X-X) entre ces lames.