Brevet FR2741208A1 — publié le 19970516

ASSEMBLAGE DE BARRETTES DE DIODES LASER REFROIDIES DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne le domaine des assemblages de barrettes de diodes laser et leurs systèmes de refroidissement. Les domaines d'application des assemblages de barrettes de diodes laser sont nombreux et peuvent être regroupés en deux grandes familles - les applications où le rayonnement laser des diodes est utilisé directement (faisceau mis en forme par des optiques ou véhiculé par des fibres) ; ces applications concernent essentiellement * le domaine médical * le domaine industriel (marquage), - les applications où le rayonnement laser des diodes est utilisé pour le pompage optique des milieux laser (milieux à stockage d'énergie ou milieux à effet non linéaire) ; il s'agit, par exemple * du pompage optique de matériaux cristallins, tels que les oxydes ou les fluorures dopés avec des ions de terres rares (Nd, Er, Tm, Ho, Yb, Pr, Ce,...) ou des ions Cr, Co,... etc, * du pompage optique de matériau laser, tels que des colorants, * de l'interaction avec des milieux à effets non linéaires (génération d'harmoniques, oscillateurs ou amplificateurs paramétriques). Etat de la technique Les barrettes de diodes laser et, de façon plus générale, les diodes laser, ont un rendement optique/électrique de l'ordre de 25 à 33%. Par conséquent, la puissance perdue par échauffement représente de 66 à 75% de la puissance électrique consommée. Dans une barrette continue de 20 watts, le volume actif (semi-conducteur) est en général très petit (dimensions micrométriques), typiquement de 0,5 à 1 mm3, et la densité de puissance thermique est comprise entre 60 et 160 kW/cm3. La barrette est en général soudée sur une embase (en laiton ou en cuivre) qui a plusieurs rôles - un rôle de support mécanique rigide, - un rôle de liaison électrique (anode), - un rôle thermique, du fait d'une conductivité thermique élevée. Dans toutes les barrettes de diodes laser commerciales, la conduction thermique se fait par le bas, par le substrat, l'embase anode en général. Cette embase doit être au contact d'une source froide afin d'évacuer la puissance thermique et de limiter l'élévation de température dans le semi-conducteur. La connexion en partie haute (cathode) ne peut en général pas assurer une conductivité thermique suffisante et l'échange thermique se fait par convection naturelle de l'air ambiant. Pour créer une source froide, on peut utiliser soit une boîte à eau en métal (laiton ou cuivre), soit un thermoélément à effet Peltier. Ces techniques supposent un bon contact entre l'embase de la barrette et la source froide, afin de minimiser la résistivité thermique de contact. La technologie à effet Peltier est très utilisée dans les applications à faible puissance, et lorsque le nombre de diodes est limité. Il n'y a pas d'exemple d'utilisation de cette technologie pour les barrettes continues de puissance (typiquement 20 Watts moyens). Une technologie dite "à microcanaux" est décrite dans les documents US-5 105 429 et US-5 105 430. Cette technologie repose sur l'assemblage de modules entre eux, pour former une structure émettrice à deux dimensions, chaque module comportant une barrette de diode disposée sur un substrat à refroidissement de microcanaux. Des améliorations ou variantes ont été réalisées, portant sur l'architecture interne de la structure, la constitution des empilements ou sur la façon de faire circuler le fluide de refroidissement. Le principe du refroidissement par structure à microcanaux reste le même : on bénéficie d'une grande surface d'échange (radiateur) en réalisant un réseau d'ailettes dans un matériau conducteur. Le matériau peut être le semi-conducteur lui-même ou un matériau ayant une bonne conduction thermique, tel le silicium, le cuivre ou le diamant. Le radiateur à microcanaux peut être intégré à chaque embase de barrette afin d'avoir un module autonome, ou bien être commun à des assemblages de barrettes (assemblage à deux dimensions ou surfacique). Le champ d'application de la technologie "à microcanaux" est celui des empilements de barrettes. Des empilements de barrettes de 1 cm de large, ou plus, permettent de réaliser des zones émissives de plusieurs centimètres carrés. C'est l'alternative la plus répandue aux réseaux de diodes à émission surfacique. Le développement de la technique à microcanaux est très délicat pour les raisons suivantes. Tout d'abord, cette technique à microcanaux n'est accessible que par des technologies de gravure très sophistiquées. Ensuite, la taille des canaux est en général de l'ordre de la centaine de microns, avec un espacement de 50 à 150 microns. Le liquide de refroidissement doit donc être filtré avec soin pour éviter de boucher le réseau de microcanaux. Il en résulte une perte de charge élevée qui, pour des débits de fluides raisonnables, de l'ordre du litre par minute, supposent des pressions élevées (supérieures à 4 bars). Enfin, dans le cas du pompage optique, les empilements connus de barrettes à microcanaux ne permettent pas de pomper des milieux ayant par exemple une forme cylindrique. Une technologie plus classique consiste à monter des barrettes en empilement, et à les refroidir par l'arrière au contact d'une boîte à eau. Cette technologie n'est envisageable que pour des barrettes à émission quasi-continue, c'est-à-dire pour des puissances moyennes, par barrettes, de 1 à 4 Watts, et reste la solution proposée sur les produits commerciaux. Exposé de l'invention L'objet de l'invention est de proposer un montage linéaire modulaire de barrettes de diode laser intégrant le système de refroidissement, nécessaire d'une part à l'évacuation de la puissance thermique dissipée par les barrettes, et d'autre part à la thermostatation des émetteurs, c'est-à-dire à la stabilité de la longueur d'onde d'émission des diodes. A cette fin, l'invention a pour objet un assemblage de N barrettes de diodes laser, caractérisé en ce que chaque diode est montée à l'extrémité d'une embase formant anode, traversée par un trou, l'ensemble des trous définissant un canal de circulation d'un fluide de refroidissement de l'assemblage linéaire de barrettes de diodes, chaque module, constitué d'une barrette, de l'embase et d'une cathode correspondantes, étant séparé de chaque module immédiatement voisin par un joint plat. Selon l'invention, on peut donc assurer un assemblage en ligne de diodes laser et, simultanément, un refroidissement direct de l'embase permettant de diminuer la résistance thermique du montage. Le refroidissement permet, d'une part, d'évacuer la puissance thermique dissipée par les barrettes et, d'autre part, de stabiliser la longueur d'onde d'émission des diodes. La présence d'un joint plat entre deux modules immédiatement voisins permet d'assurer l'étanchéité au fluide de refroidissement, mais aussi l'indépendance électrique des modules entre eux. Un tel dispositif ou assemblage linéaire permet le pompage de milieux lasers ayant une forme allongée ou cylindrique. Selon un autre aspect, chaque embase est munie d'un second trou, l'ensemble des seconds trous étant aligné lorsque les barrettes sont disposées côte à côte en position de fonctionnement. Ainsi, des moyens de fixation peuvent facilement assurer la tenue mécanique de l'ensemble. Deux brides de maintien peuvent être disposées aux extrémités de l'assemblage linéaire de barrettes. Une vis permet alors de serrer les brides. Cette vis traverse l'assemblage et est recouverte, à sa périphérie, d'une gaine isolante. Des moyens de connexion électrique peuvent être prévus pour l'alimentation des barrettes de diode. Une alimentation de type série peut par exemple être prévue, dans laquelle l'anode associée à chaque barrette est reliée à la cathode d'une barrette voisine. Brève description des figures De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à la figure unique annexée, qui représente un assemblage de barrettes de diodes selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La figure unique illustre une réalisation d'un montage linéaire modulaire de barrettes de diodes laser, intégrant le système de refroidissement. L'ensemble est réalisé à partir de pièces identiques (module unitaire), assemblées côte à côte (assemblage linéaire). Chaque barrette 4 de diodes laser (de dimensions typiques : largeur de 1 cm, profondeur de 0,5 à 0,6 mm, hauteur de 0,1 à 0,2 mm) est montée soudée sur une embase 6, qui est en fait ici une embase-anode, dont la largeur est légèrement supérieure à celle de la barrette. L'embase est en métal, par exemple en cuivre ou en laiton, éventuellement recouvert, par dépôt électrolytique, d'un revêtement d'or et de nickel permettant un soudage par brasage. L'émission à partir de chaque barrette se fait au niveau des jonctions (entre semi-conducteurs) 5, rassemblées par paquets et dont les dimensions sont de l'ordre de quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres. La barrette 4 est montée à une des extrémités 8 de l'embase 6. Cette dernière est munie de deux trous 10, 12 la traversant de part en part suivant sa largeur. Le premier trou 10 est situé le plus près possible de l'emplacement de la barrette 4. Il sert à la circulation du fluide de refroidissement. Ce premier trou 10 a, par exemple, un diamètre de 2 mm, en étant situé à moins de 2,5 mm de la barrette 4. Ceci assure un bon échange thermique entre la barrette et le fluide de refroidissement. L'échange thermique sera donc du type convection forcée, par fluide en mode turbulent. Le second trou 12, par exemple de diamètre 5,2 mm, en position centrale, permet le passage d'une vis assurant le maintien des modules entre eux. A chaque anode 6 correspond une cathode 14 et un isolant 16, situé entre cathode et anode. Sur la figure des modules unitaires identiques 20, 22, 24, 26 sont disposés linéairement, côte à côte. Chaque module est séparé de chaque module voisin par un joint 32, 34, 36, 38. Dans chaque joint, des trous correspondant aux trous 10, 12, pratiqués dans chaque embase, permettent de laisser le passage libre pour la circulation d'un fluide de refroidissement, et pour des moyens de fixation 42, qui permettent d'assurer le maintien de l'ensemble. L'isolation électrique entre cathodes voisines est réalisée par le fait que les cathodes sont plus étroites que les anodes. Les joints assurent d'une part l'isolation électrique des barrettes entre elles et, d'autre part, l'étanchéité du montage vis-à-vis du fluide de refroidissement, dont la circulation est désignée, sur la figure, par la flèche portant la référence 44. Le fluide traverse tous les modules unitaires de la même manière, le montage assurant automatiquement la circulation du fluide à travers la succession d'embases et de joints. L'ensemble est maintenu par ses extrémités grâce à deux brides 46, 48 qui servent de connexion d'entrée et de sortie au fluide de refroidissement. Ces deux brides sont maintenues solidaires de l'ensemble par les mêmes moyens de fixation 42 qui assurent le maintien des modules entre eux. Dans l'exemple donné, les brides sont serrées par une vis 42 qui traverse le montage. Cette vis est, à sa périphérie, recouverte d'une gaine isolante afin d'assurer l'isolation électrique des modules entre eux. Dans le montage linéaire selon l'invention, les barrettes de diode peuvent être alimentées électriquement indépendamment l'une de l'autre. Différents types de connexion électriques sont donc envisageables, en particulier une alimentation de type tout série où l'anode de chaque barrette (l'embase) est reliée à la cathode de sa voisine. Quelle que soit la solution retenue, elle peut être mise en oeuvre par l'intermédiaire d'un connecteur 50 monté en face arrière de l'assemblage. Ce connecteur peut être constitué d'un matériau isolant (par exemple Delrin ou Lucoflex), sur lequel sont rapportés des connecteurs métalliques de dimension et forme adaptées au montage désiré et au courant véhiculé. La connexion électrique se fait par l'intermédiaire de vis métallique 52 dans les parties anode et cathode, au travers du bloc isolant. Le dispositif décrit assure le refroidissement efficace des barrettes de puissance continue, grâce à une résistivité thermique faible, par exemple de l'ordre de 0,7"C/W pour un débit d'eau de l'ordre de 1 I/mn. Par ailleurs, il est autonome puisqu'il assure le montage mécanique des barrettes entre elles sans la nécessité d'un support supplémentaire. Enfin, ce dispositif présente l'avantage d'être modulaire, et il permet le montage d'un nombre de modules unitaires compris par exemple entre un et une dizaine. REVENDICATIONS 1. Assemblage de N barrettes de diodes laser (4), caractérisé en ce que chaque diode est montée à l'extrémité d'une embase (6) formant anode, traversée par un trou (10), l'ensemble des trous définissant un canal de circulation d'un fluide de refroidissement de l'assemblage linéaire de barrettes de diodes, chaque module (20, 22, 24, 26), constitué d'une barrette (4), de l'embase (6) et d'une cathode (14) correspondantes, étant séparé de chaque module immédiatement voisin par un joint plat (32, 34, 36, 38). 2. Assemblage linéaire selon la revendication 1, chaque embase étant munie d'un second trou (12), l'ensemble des seconds trous étant aligné lorsque les barrettes sont disposées côte à côte en position de fonctionnement. 3. Assemblage selon l'une des revendications 1 ou 2, deux brides (46, 48) de maintien étant disposées aux extrémités de l'assemblage linéaire de barrettes. 4. Assemblage selon la revendication 3, les brides étant serrées par une vis (42) qui traverse l'assemblage. 5. Assemblage selon la revendication 4, la vis étant, à sa périphérie, recouverte d'une gaine isolante. 6. Assemblage selon l'une des revendications 1 à 5, comportant des moyens (50) de connexion électrique pour l'alimentation des barrettes de diode. 7. Assemblage selon l'une des revendications 1 à 6, l'anode (6) associée à chaque barrette (4) étant reliée à la cathode (14) d'une barrette voisine.