Brevet FR2887695A1 — publié le 20061229

PROCEDE DE POMPAGE D'UN LASER IMPULSIONNEL PAR DIODES CONTINUES Le domaine de l'invention est celui du pompage optique d'un milieu amplificateur et s'applique notamment aux lasers impulsionnels à état solide pompés par diodes laser continues. C'est par exemple le cas des lasers sur base de matrices YAG (acronyme de l'expression anglo-saxonne Yttrium Aluminium Garnet ) ou YLF (acronyme de l'expression anglo-saxonne Yttrium Lithium Fluoride ) fonctionnant à des cadences de répétition de 100Hz à quelques kHz. Actuellement ces matériaux sont pompés optiquement par des assemblages de diodes continues (barrettes) de puissance unitaire de 20 W à 50 W. Dans les structures de pompage actuelles, on dispose autour d'un milieu amplificateur, généralement un milieu amplificateur solide en forme de barreau, un nombre important de sources lumineuses de pompage qui peuvent être par exemple des diodes laser, des barrettes de diodes laser ou des empilements de barrettes. Ces sources sont habituellement disposées radialement autour du barreau de telle sorte à assurer un pompage direct du barreau. La montée en énergie des lasers impulsionnels conduit à l'utilisation de puissances de pompe de plus en plus grandes. L'utilisation de diodes de plus en plus puissantes conduit à l'utilisation de dispositifs de refroidissement permettant l'évacuation de puissances calorifiques de plus en plus élevées, et basés par exemple sur la circulation d'un fluide. Ce fluide est couramment de l'eau, avec éventuellement des additifs chimiques. Un exemple de structure de pompage est représenté sur la figure 1. Le milieu amplificateur est un barreau 1 entouré d'un tube en verre 3 pour la circulation d'un fluide de refroidissement entre deux flasques 4 dont une seule est représentée. Dans cet exemple, la structure de pompage comprend cinq lignes de barrettes de diodes laser 2 (ici cinq barrettes par ligne). Chaque ligne porte des conduits cylindriques 5 qui permettent la circulation 3o d'un fluide à travers les embases des diodes afin d'assurer le refroidissement des diodes laser. Ces conduits sont reliés à une flasque d'entrée et une flasque de sortie (une seule de ces flasques notée 4 est visible sur la figure) auxquelles sont fixés deux connecteurs du fluide de refroidissement. Une barrette 2 de deux diodes est représentée figure 2. Un fluide de refroidissement circule dans le conduit 5 qui traverse les embases 6 des diodes. Cette circulation au plus prêt de la zone active 7 des diodes est conçue pour minimiser la résistance thermique entre la zone émissive de chaque diode et le fluide et évacuer au mieux la puissance dissipée dans la diode. Un isolant 8 électrique et thermique sépare les diodes entre elles. Lorsque la puissance dissipée dans les diodes augmente, les dispositifs de refroidissement souffrent des inconvénients suivants: problème de pression d'eau lié à l'augmentation des débits, nécessitant le durcissement des circuits, problème de cavitation et turbulence lié à la vitesse de circulation du fluide, qui peut aussi faire apparaître une érosion des tuyauteries lors de la circulation de fluides à des vitesses supérieures à 2m/s. De plus, les embases 6 étant polarisées, des effets de potentiel électrolytique apparaissent entre les embases portées à des potentiels V1, V2 différents, et imposent des contraintes fortes sur les matériaux des embases et sur la qualité du fluide de refroidissement. Un contrôle précis de la conductivité du fluide est souvent nécessaire pour garantir dans le temps la tenue des matériaux en contact avec le fluide. Un but important de l'invention est donc de pouvoir utiliser des diodes de plus en plus puissantes tout en relâchant les contraintes sur les dispositifs de refroidissement. Pour atteindre ce but, l'invention propose un procédé de pompage par diodes continues du milieu amplificateur d'un laser impulsionnel apte à fonctionner à une cadence tpulse, le milieu amplificateur présentant un temps de fluorescence tfluo. Il est principalement caractérisé en ce qu'il comprend une étape selon laquelle les diodes continues fonctionnent en régime quasi-continu, c'est-à-dire sont alimentées selon une cadence tpulse par un courant électrique Imax pendant un temps 'rp tel que tifluo Le procédé selon l'invention permet ainsi de réduire la puissance dissipée dans les diodes dans le rapport i n Cela permet ainsi de ï -p relâcher les contraintes sur le dispositif de refroidissement. Dans le cas d'un laser Nd:YLF avec tpU1Se égal à 1 KHz, ce rapport 5 est de 1/2 de la puissance nominale: la puissance dissipée par les diodes est donc réduite de moitié. La puissance déposée dans le matériau amplificateur du laser est réduite dans le même rapport. Bien sûr, la baisse de la température moyenne des diodes 10 contribue à réduire les défaillances liées à une température de fonctionnement élevée. Selon une caractéristique de l'invention, le courant électrique Imin est égal à 0 ou au courant de seuil de l'émission laser des diodes. Selon une autre caractéristique de l'invention, Imax est égal au courant nominal d'alimentation des diodes. De préférence, le courant d'alimentation présentant entre Imax et Imin des fronts de montée-descente ou descente-montée, le procédé comprend une étape de contrôle de ces fronts, en vue de limiter les contraintes thermomécaniques sur les diodes. L'invention concerne également un assemblage de diodes continues pourvu d'un élément de refroidissement par fluide, et destiné à équiper une tête de laser impulsionnel; il est caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur thermique comportant l'élément de refroidissement par fluide, un isolant électrique conducteur de chaleur disposé sur l'échangeur, les diodes étant reportées sur cet isolant. L'invention a également pour objet un laser impulsionnel équipé d'un assemblage de diodes continues tel que décrit précédemment. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront 30 à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 déjà décrite représente schématiquement un exemple de structure de pompage d'un laser impulsionnel par diodes continues, 2887695 4 la figure 2 déjà décrite représente schématiquement un exemple de barrette de diodes de pompage, équipée d'un dispositif de refroidissement selon l'état de la technique, les figures 3a, 3b, 3c représentent schématiquement des 5 exemples de courbes du rendement, de l'énergie stockée et du gain en fonction du temps, pour des lasers Nd-YAG et Nd-YLF, les figures 4a et 4b illustrent schématiquement la séquence temporelle de fonctionnement de diodes de pompage selon l'état de la technique et selon l'invention, les figures 5a, 5b et 5c représentent schématiquement des exemples de courbes de température des diodes en fonction du temps, avec pompage continu selon l'état de la technique et pompage quasi- continu selon l'invention, sans puis avec contrôle des fronts de montée- descente du courant d'alimentation des diodes, la figure 6 représente schématiquement un exemple de barrette de diodes de pompage selon l'invention. D'une figure à l'autre les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références. On rappelle le principe du pompage optique. L'équation qui gouverne l'évolution de la densité volumique de la population N2 du niveau excité de la transition laser est donné par: d N 2 = R p (t) - N2 (t) dt r Rp(t) étant le taux de pompage et Tfl o la durée de vie de fluorescence. On a donc -c t-t' N2 (t) R,, (t' )e rP dt' Il y a donc compétition entre le pompage Rp et la désexcitation par fluorescence tif, uo dans la population du niveau N2. Jluo 2887695 5 Si on considère un pompage Rp constant de durée Ti), on a: P T, N2 (rp) = h v7 P [ ZJlua 1-en- P vP étant le nombre de photons de pompe, ri le rendement de couplage, Pp la puissance de pompe, V le volume du milieu amplificateur pompé, et hvp l'énergie de chaque photon de pompe. D'où l'expression de l'énergie stockée dans le milieu après pompage: 1 /TP ESTOCK (îr) = i,P flua 1 eTJo On caractérise alors le rendement de pompage par T ZJluo a = [1_e]rfi- TP Les courbes suivantes sont calculées en fonction du temps de pompage dans le cas de deux matériaux laser. Courbes a: laser Nd -YAG avec tfluo=280 ps et courbes b: laser Nd-YLF avec tfluo = 480ps. Nd signifie Neodyme; il s'agit du dopant de la matrice YLF ou YAG. Les courbes de la figure 3a montrent l'évolution du rendement, celles de la figure 3b montrent la même évolution pour l'énergie stockée. L'analyse de ces courbes montre un optimum pour un temps de pompage continu tel que tp = Tfluo. Ce point correspond à une efficacité de pompage de 63%. Audelà, l'émission spontanée réduit l'efficacité du pompage. Les courbes de gain relatif de la figure 3c suivent la même tendance. On a représenté figure 4a la séquence de fonctionnement d'un laser impulsionnel pompé par des diodes laser continues, selon l'état de la technique. Les diodes de pompage fonctionnent en mode continu, c'est-àdire qu'elles sont alimentées continûment par un courant électrique!nominal; ttir est le temps de tir du laser. Selon l'invention, les diodes continues fonctionnent en mode quasicontinu, de manière à réaliser dans le matériau laser un dépôt énergétique optimum. L'analyse des courbes des figures 3 a montré que cet optimum est obtenu pour un temps de pompage continu tel que tp = tifluo. La séquence de fonctionnement correspondante est représentée figure 4b. Les diodes de pompage sont alors alimentées selon une cadence tpU1Se par des impulsions électriques, c'est-à-dire par un courant électrique Imax pendant un temps tp tel que tifluo Lorsque Imax ='nominal, les diodes de pompage fonctionnent alors à puissance nominale dans l'intervalle tfluo, à la puissance moyenne P_inuo t 1 Nominale pulse Le procédé selon l'invention permet ainsi de fonctionner avec une puissance dissipée dans les diodes réduite dans le rapport fuo z -p Dans le cas d'un laser Nd:YLF avec tpulse égal à 1 KHz, ce rapport 25 est de 1/2 de la puissance nominale: la puissance dissipée par les diodes est donc réduite de moitié. La puissance déposée dans le matériau amplificateur du laser est réduite dans le même rapport. Cela est avantageux car lorsque la température du matériau laser diminue, le temps de fluorescence donc de stockage augmente ainsi que le rendement du laser. De plus ce procédé contribue à éviter les effets de type Upconversion qui apparaissent lorsque la température du laser augmente et qui diminuent le rendement. On rappelle qu'un effet d'upconversion est un effet de perte d'efficacité du matériau laser. Bien sûr, la baisse de la température moyenne des diodes contribue à réduire les défaillances liées à une température de 5 fonctionnement élevée. Le dimensionnement, et donc le coût du dispositif de refroidissement sont en rapport. En effet, le dispositif de refroidissement est dimensionné pour évacuer une puissance calorifique P. Grâce à l'invention, seule la puissance P' La figure 5a montre un exemple de courbe de la température de l'embase diode lors d'une mise en route avec pompage continu selon l'état de la technique. La figure 5b montre un agrandissement de l'évolution de cette même courbe lors d'une mise en route avec pompage quasi-continu avec tp=1/2 tpu,Se. On note la présence d'un effet d'oscillation de la température due à l'effet de la pulsation du pompage. Cette courbe est basée sur des temps de montée/descente du courant d'alimentation, de 1/500 du temps de pompage. Le procédé décrit précédemment est basé sur des temps de montée/descente du courant d'alimentation des diodes, nuls ou quasi-nuls tels que ceux de la figure 5b. Contrôler précisément la forme des fronts de montée/descente du courant d'alimentation, c'est-à-dire leur pente, permet de limiter le stress thermomécanique dans les parties actives des diodes, sans affecter notablement les performances thermiques du système. Pour des fronts de l'ordre du 1/10 du temps de pompage, la fluctuation de température de la diode est amortie comme illustré sur la figure 5c. Cette réduction de la pente des fronts de montée-descente, se fait au prix d'une augmentation de la puissance dissipée, de l'ordre de 10% : l'accroissement de la température de fonctionnement de la diode est inférieur à 0.5 C. Pour des fronts de l'ordre de 20% du temps de pompage, soit 20% de puissance dissipée en plus, l'effet de lissage est plus marqué au prix d'un accroissement supérieur de la puissance dissipée qui reste inférieur à 20%. Le procédé selon l'invention permet, en diminuant la puissance moyenne des diodes de revenir à un procédé de refroidissement des diodes par conduction et d'éviter la formation du potentiel V2-V1 dans le fluide. Une barrette 2' de diodes selon l'invention est représenté figure 6. Les diodes peuvent alors être reportées sur un échangeur thermique 9, luimême refroidi par circulation d'un fluide. Le fluide circule dans un élément de refroidissement 5. Un isolant électrique conducteur de chaleur 8' est disposé entre les diodes et l'échangeur thermique. On a établi les comparaisons suivantes dans le cas d'une diode ayant une puissance nominale de 30 W avec un liquide (en l'occurrence de l'eau) circulant à une vitesse de 11/mn. Dans le cas de l'état de la technique, on obtient une résistance thermique entre la jonction et l'eau d'environ 1 K / W. La température de jonction de la diode, pour un rendement électro-optique qp de 45%, s'établit alors à T=53 C pour une température d'eau à 25 C. On considère ensuite un cas selon l'invention, de refroidissement par conduction suivi d'un transfert dans le même liquide. On obtient une résistance thermique entre la jonction et l'eau d'environ 2 K / W. Pour le même rendement électro-optique et un pompage pendant Tp = tfluo =1/2 tpulse, la température s'établit à T= 54 C. Le système est en fait dans un régime tel que le produit de la résistance thermique par la puissance moyenne dissipée est constant, ce qui contribue à obtenir la même température de fonctionnement. Le ratio des résistances thermiques est en rapport avec le ratio du temps de fluorescence sur la cadence des impulsions du laser. Dans un exemple avec Tp =tifluo =1/4 tp1J1Se, on peut soit utiliser des diodes plus puissantes et travailler à même température, soit réduire fortement la température des diodes et améliorer leur fiabilité car T s'établit à 39 C. REVENDICATIONS 1. Procédé de pompage par diodes continues du milieu amplificateur d'un laser impulsionnel apte à fonctionner à une cadence tpulse, le milieu amplificateur présentant un temps de fluorescence tfluo, caractérisé en ce qu'il comprend une étape selon laquelle les diodes continues fonctionnent en régime quasi-continu, c'est-à-dire sont alimentées selon une cadence tpulSe par un courant électrique Imax pendant un temps ta tel que tifluo 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le courant électrique Imin est égal à 0 ou au courant de seuil de l'émission laser des diodes. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que Imax est égal au courant nominal d'alimentation des diodes. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant d'alimentation présentant entre Imax et Imin des fronts de montée-descente ou descente-montée en fonction du temps, il comprend une étape de contrôle de ces fronts, en vue de limiter les contraintes thermomécaniques sur les diodes. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le laser impulsionnel est un laser Nd-YAG ou Nd-YLF. 6. Assemblage (2') de diodes continues pourvu d'un élément (5) de refroidissement par fluide, et destiné à équiper une tête de laser impulsionnel, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur thermique (9) comportant l'élément de refroidissement par fluide, un isolant (8') électrique conducteur de chaleur disposé sur l'échangeur, les diodes étant reportées sur cet isolant. 7. Assemblage de diodes selon la revendication précédente, 5 caractérisé en ce que le fluide est de l'eau. 8. Laser impulsionnel équipé d'un assemblage de diodes continues selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7. 9. Laser impulsionnel Nd-YAG ou Nd-YLF selon la revendication précédente.