Brevet FR3008555A1 — publié le 20150116

LASER CRISTALLIN COMPORTANT UN SYSTEME DE REFROIDISSEMENT DU CRISTAL PAR UN LIQUIDE DOMAINE DE L'INVENTION L'invention a trait aux lasers cristallins, et plus particulièrement au refroidissement du cristal de tels lasers. ETAT DE LA TECHNIQUE Comme cela est connu en soi, un laser cristallin comprend une cavité optique dans laquelle est logé un cristal dopé, usuellement sous la forme d'un barreau, servant de milieu amplificateur sous l'effet d'un pompage optique. 15 Un laser de forte puissance implique généralement un échauffement important du cristal en raison du faible rendement du pompage optique. Or, pour certaines applications, comme par exemple l'imagerie par rayon X, il est nécessaire de disposer d'une amplification la plus stable possible en température. En outre, on observe que le rendement du pompage optique est optimal lorsque la température du cristal est comprise 20 entre 90K et 200K, gamme de températures qu'il est difficile d'atteindre sans prendre de précaution particulière concernant la température de cristal. C'est pourquoi des systèmes de refroidissement du cristal d'un laser ont été envisagés. 25 Selon une première technique, le barreau de cristal est découpé en tranches et un gaz froid est mis en circulation entre les tranches du barreau. Une telle solution n'est envisageable que pour les très grands lasers en raison de la taille du système de refroidissement. 30 Selon une seconde technique, le cristal est maintenu au contact d'un support refroidi. Or, le maintien du cristal sur le support est réalisé à l'aide d'une colle, d'une graisse ou de l'indium, c'est-à-dire un matériau qui présente une grande différence de coefficient d'expansion thermique avec le cristal usuellement mis en oeuvre dans un laser. Sous l'effet de l'échauffement du cristal provoqué par le pompage optique, on observe de 35 grandes différences de dilatation entre le cristal et le matériau utilisé pour le maintenir, ces différences de dilation finissant par fragiliser le matériau de maintien et par provoquer la désolidarisation du cristal et du support, et donc par provoquer au final un dysfonctionnement du système de refroidissement. 10 EXPOSE DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de proposer un système de refroidissement d'un cristal de laser qui garantisse un contact entre le cristal et le support de refroidissement lors de la déformation du cristal sans dégradation du système de refroidissement. A cet effet, l'invention a pour objet un laser cristallin comprenant un cristal dopé, et un système de refroidissement du cristal. Selon l'invention, le système de refroidissement comporte : - un support comportant une première et une deuxième faces ; - un dispositif de fixation du barreau de cristal sur la première face du support de manière à aménager une cavité hermétique entre une première face du cristal et la première face du support ; - un circuit d'alimentation de la cavité hermétique avec un gaz liquéfié ; et - un dispositif de refroidissement de la seconde face du support. En d'autres termes, le contact entre le cristal et le support refroidi est réalisé au moyen d'une lame de liquide sous pression qui compense efficacement la dilatation du cristal sous l'effet de son échauffement. Notamment, le gaz liquéfié présente une pression importante qui garantit un contact permanent de la lame liquide avec le cristal et le support refroidi. Par ailleurs, la lame de liquide définissant un joint « élastique », elle ne subit pas de dégradation lors de la déformation du cristal, de sorte que le système reste efficace même en cas de déformations répétées de celui-ci. Selon un mode de réalisation, le dispositif de fixation comporte : - une pièce logeant le barreau de cristal à distance de la première face du support et encadrant une deuxième face du barreau de cristal; et - un joint souple logé entre la deuxième face du cristal et la pièce logeant celui-ci, le joint étant apte à se déformer sous l'effet d'une flexion du cristal selon la deuxième face du cristal. En d'autres termes, le joint souple, par exemple un joint « piston », laisse le cristal libre fléchir sous l'effet du pompage optique, ce qui limite la fatigue mécanique du barreau et limite les aberrations optiques du laser.35 Selon un mode de réalisation, la pression du gaz est choisie pour que le gaz liquéfié demeure liquide dans une gamme de températures comprise entre 70K et 200K, cette gamme de températures correspondant à la gamme privilégiée de fonctionnement d'un laser cristallin. De manière avantageuse, le gaz liquéfié est choisi pour rester liquide sur une large gamme de températures, avantageusement sur plus de 100K, notamment la gamme 90K -200K. En étant liquide sur une large gamme de températures, il est possible d'ajuster la température du cristal par refroidissement sans qu'il soit nécessaire de modifier les propriétés du gaz liquéfié. Selon un mode de réalisation, le gaz compris dans le gaz liquéfié est en sous saturation. Notamment, le circuit d'alimentation de la cavité est apte à commander la pression du gaz de manière à définir une température de saturation dudit gaz supérieure d'au moins 50K à la température du gaz liquéfié. On observe en effet que le le liquide en sous saturation permet de transporter de manière efficace la chaleur qu'il reçoit. Ainsi pour une différence de 55K entre la température de refroidissement du support, et donc à l'équilibre avec la température du cristal, et la température de saturation du gaz liquéfié, il est possible d'évacuer des flux thermiques d'une puissance de 50W/cm2. Selon un mode de réalisation, le gaz liquéfié est du dioxygène, de l'éthane ou du propane, ces gaz présentant des températures de saturation très basses pour des pressions n'exerçant pas de contrainte excessive sur le cristal. Selon un mode de réalisation, le circuit d'alimentation comporte un réservoir de stockage du gaz, un conduit débouchant dans la cavité hermétique et dans le réservoir, et une vanne agencée dans le conduit pour commander l'alimentation en gaz de la cavité. Le gaz peut ainsi être stocké sous sa forme gazeuse pour des conditions de pression et de température souhaitées, avantageusement à température ambiante, par exemple à 300 K, l'alimentation de la cavité se faisant par simple ouverture de la vanne. Selon un mode de réalisation, le dispositif de refroidissement comporte : - une cavité hermétique, la deuxième face du support formant une face de ladite cavité ; et - un circuit d'alimentation de la cavité avec un fluide de température comprise entre 70 K et 200K, notamment du diazote liquide. Un tel agencement est compact et présente un nombre réduit d'interfaces entre le cristal et la source froide. Selon un mode de réalisation, une troisième face du cristal est libre et le laser comprend en outre : - une enceinte hermétique, dans laquelle sont logés le cristal, le support et le dispositif de fixation ; - un circuit de pompage de l'enceinte ; et - une fenêtre transparente à un rayonnement utilisé pour le pompage optique, formée dans une paroi de l'enceinte en regard de la troisième face du cristal. L'enceinte hermétique sous pression réduite, ou « cryostat », permet ainsi d'éviter de la condensation sur le cristal, tout en permettant le pompage optique du barreau au travers de la fenêtre prévue à cet effet en face du cristal. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur de la cavité hermétique entre le cristal non fléchi et le support est inférieure au millimètre, et de préférence inférieure à 15 micromètres. Plus particulièrement, l'épaisseur de la cavité, et donc la distance la première face du cristal et la première face du support est choisie faible de manière à réduire les gradients thermiques dans la cavité et donc réduire la température absolue du cristal. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un cristal de laser et de son système de refroidissement associé selon l'invention ; et - les figures 2 à 4 illustrent respectivement les diagrammes de phase du propane, de l'éthane et du dioxygène. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Sur la figure 1, une rondelle de cristal dopé 10 de laser cristallin est représentée avec son système de refroidissement 12. La rondelle 10 prend notamment la forme d'un cylindre plat, par exemple de section circulaire d'un diamètre de 5 cm, ayant une première et une seconde faces principales 14, 16 délimitées par une face latérale 18. Le système de refroidissement 12 comporte un support 20 formant une paroi d'une cavité hermétique 22, dont le volume interne 24 est en communication avec deux conduits 26, 28. Le conduit 26 est connecté à un circuit d'alimentation en fluide de refroidissement (non représenté), par exemple de l'azote liquide, pour refroidir le support 20 dans une gamme de températures prédéterminée, avantageusement la gamme de température 70 K-200K pour laquelle l'efficacité du pompage optique est élevée, et l'autre conduit 28 est connecté à un circuit de pompage (non représenté) pour évacuer le fluide réchauffé par son contact avec le support 20. De manière avantageuse, la face interne à la cavité 24 du support 20 est munie d'ailettes 29 de manière à augmenter la surface d'échange thermique avec le fluide présent dans la cavité 22. Le système 12 comporte également une couronne 30 logeant le cristal 10 de manière à laisser une portion 38 la première face principale 14 libre, fixée de manière hermétique à la face externe 32 du support 20 au moyen d'un ou plusieurs joints d'étanchéité 34, par exemple un joint torique. Le cristal 10 est par ailleurs maintenu dans la couronne 30 à une distance prédéterminée de la face 32 du support 20 au moyen d'un ou plusieurs joints souples 40 aménagés entre la face latérale 18 du cristal 10 et la portion de la couronne encadrant ladite face, et autorisant la flexion du cristal 10 selon son plan principal, comme par exemple un ou plusieurs joints toriques. Un ou plusieurs joints d'étanchéité 44 sont par ailleurs aménagés, notamment entre la face principale 14 du cristal 10 et la couronne 30, pour rendre hermétique la cavité 50 formée entre la deuxième face 16 du cristal 10 et la face 32 du support 20. Les joints 40, 44, sont avantageusement constitués de polytétrafluoroéthylène (Téflone), ce qui permet de limiter sensiblement les efforts sur le cristal 10. La cavité 50 présente une épaisseur suffisante pour que le cristal 10 ne rentre pas au contact du support 20 lors de sa flexion sous l'effet du pompage optique. On sait par exemple qu'un cristal de 5 centimètres de diamètre subit usuellement une flexion maximale comprise entre 5 micromètres et 10 micromètres. La distance séparant le barreau 10 lorsqu'il est non fléchi et le support 20 est ainsi avantageusement choisie un peu supérieure à la flexion maximale du barreau 10, par exemple égale à 10 micromètres, afin que le gaz liquéfié prennent la forme d'une lame de liquide d'épaisseur réduite afin de réduire un gradient thermique dans l'épaisseur du liquide, et donc augmenter l'efficacité du refroidissement du cristal 10, et corolairement réduire la température absolue du cristal 10. Le volume de la cavité 50 est par exemple choisi de l'ordre du millimètre cube, notamment compris entre 1 millimètre cube et 10 millimètre cube. Un circuit d'alimentation de la cavité 50 avec un gaz de refroidissement sous pression est en outre prévu. Le circuit d'alimentation de la cavité 50 comporte par exemple un conduit 52 débouchant sur celle-ci, et un réservoir de stockage du gaz de refroidissement 54 connecté au conduit 52 au travers d'une vanne 56 commandant la distribution du gaz dans la cavité 50 depuis le réservoir 54. Le réservoir est par exemple amovible pour pouvoir être remplacé et/ou est connecté à un circuit de distribution (non représenté) ou un réservoir de plus grand volume au travers d'une vanne 57 pour pouvoir être rechargé. Le gaz de refroidissement est avantageusement du dioxygène (02), du propane (C3E18) ou de l'éthane (C2H6), dont la pression dans la cavité 50 est choisie de manière à ce que le gaz refroidi liquide demeure sous une forme liquide sur une large gamme de températures de fonctionnement du cristal 10 et reste ainsi en contact permanent avec le cristal 10 et le support 20, quelle que soit la forme que prend le cristal dans ladite gamme de températures. De manière avantageuse, la pression de stockage du gaz dans le réservoir 54 est également choisie de manière à ce que celui-ci présente un régime de sous saturation important, comme cela sera expliqué plus en détail par la suite. On notera que le gaz reste à l'état gazeux dans le réservoir 54 en fonction de la pression et de la température de celui-ci. De manière avantageuse, le cristal 10, la cavité 22 et les éléments de maintien du barreau 10 sur le support 20, et optionnellement le réservoir 54 et la vanne 56, sont agencés dans une enceinte hermétique 58 associée à un circuit de pompage 60 de son volume interne, ou « cryostat », afin d'éviter des phénomènes de condensation sur le cristal 10. Une fenêtre transparente 62 est alors aménagée dans une paroi de l'enceinte 58 en regard de la face libre 14 du cristal 10 de manière à pouvoir illuminer le cristal 10 afin de mettre en oeuvre un pompage optique. Un exemple de fonctionnement d'un laser équipé des éléments venant d'être décrits est le suivant. Dans une première étape, lorsque le pompage optique du laser n'est pas activé, l'enceinte 58 est mise sous vide. Une fois le régime d'équilibre atteint dans l'enceinte 58, dans une deuxième étape, le liquide de refroidissement du support 20 est mis en circulation dans la cavité 22 de manière à régler la température du support 20 sur une température de fonctionnement prédéterminée de la gamme de températures de fonctionnement du laser, et notamment une température comprise entre 70K et 200K. Dans une troisième étape, mise en oeuvre par exemple une fois que la température du support 20 est stabilisée, la vanne 56 est ouverte de manière à remplir la cavité 50 avec le gaz stocké dans le réservoir 54. Ce dernier se liquéfie sous l'effet de la température régnant dans la cavité 50. Une fois la cavité 50 remplie de gaz liquéfié et la température de celui-ci stabilisée, dans une quatrième étape, le pompage optique du cristal 10 au travers de la fenêtre 62 est mis en oeuvre. La chaleur produite par le cristal 10 sous l'effet du pompage est alors évacuée par le gaz liquéfié de la cavité 50 vers le support 20 refroidi, puis est transférée au fluide de refroidissement circulant dans la cavité 22. Par ailleurs, la cavité 50 étant reliée au réservoir au travers de la vanne 56 restée ouverte, la pression du gaz liquéfié dans la cavité demeure sensiblement constante. La température du cristal est ainsi régulée autour de la température de fonctionnement souhaitée. Enfin, dans une cinquième étape mise en oeuvre une fois le laser désactivé, l'enceinte 58 est réchauffée et le vide cassé, la vanne 56 est fermée, et le réservoir changé ou rechargé via la vanne 57. Il va à présent être décrit le choix des caractéristiques du gaz liquéfié de la cavité 50. La pression du gaz liquéfié dans la cavité 50 est choisie de manière à garantir que le gaz liquéfié reste sous forme liquide dans une gamme de températures de fonctionnement du cristal 10, par exemple une gamme d'au moins 10K autour de la température de fonctionnement souhaitée pour le cristal 10, et que le gaz liquéfié soit en contact permanent avec le barreau 10 et le support 20. De manière avantageuse, la pression est également choisie inférieure ou égale à 2 ou 3 bars afin de ne pas appliquer une contrainte mécanique susceptible d'endommager le barreau de cristal 10. La pression du gaz liquéfié est également choisie pour que ce dernier présente une sous saturation en gaz. Comme cela est connu en soi, le flux thermique transféré par un liquide augmente avec sa sous saturation. En outre, lorsque le liquide n'est pas en présence de son gaz, la sous saturation dépend de la différence entre la température du liquide et la température de saturation du liquide, et la température de saturation dépend de la pression du liquide. Ainsi, lorsque la température du liquide est inférieure à la température de saturation, le liquide est en sous saturation, sous-saturation qui augmente à mesure que la température du liquide s'éloigne de la température de saturation, et donc que la pression augmente. De préférence, la pression du gaz liquéfié dans la cavité 50 est choisie pour qu'en régime permanent, la température du gaz liquéfié, et donc la température du support 20 et du barreau 10, soit inférieure d'au moins 30 K à la température de saturation, et de préférence inférieure à 50K. Notamment, une différence de 55 K permet d'évacuer efficacement avec de l'éthane des flux thermiques de 50W/cm2. Le choix de cette différence de température est notamment dicté par la quantité de chaleur à évacuer. La température de saturation étant liée à la pression du liquide, comme l'illustre par exemple les diagrammes de phase des figures 2, 3 et 4 respectivement du propane, de l'éthane et du dioxygène, il est aisée de déduire la pression appropriée en fonction de la différence de température souhaitée. Par exemple, pour l'éthane, s'il est souhaité une différence entre la température de fonctionnement, et donc de l'éthane liquéfié, et la température de saturation de celui-ci égale à 35K, il est possible de choisir une température de fonctionnement égale à 95 K et une pression de 1000 Pa, ce qui correspond à une température de saturation de 130 K. De même si une différence de 55 K est souhaitée, il est possible de choisir une température de fonctionnement de 95 K et une pression de 10000 Pa, ce qui correspond à une température de saturation de l'éthane de 150K. L'oxygène est préférentiellement utilisé pour des températures de fonctionnement du cristal 10 comprises entre 70K et 80 K. L'éthane et le propane sont préférés pour des températures de fonctionnement du cristal 10 supérieures à 90 K, et de préférence 95K, ces gaz liquéfiés présentant une forte sous saturation jusqu'à 200K pour une pression de 10000 Pa pour l'éthane et une pression de 100000 Pa pour le propane. Le choix de l'un ou l'autre de ces gaz peut être réalisé en fonction de l'encombrement du réservoir et/ou de la contrainte appliquée par le gaz liquéfié sur le barreau de cristal, notamment la déformation que peut subir le barreau du fait de la pression exercée. Le réservoir de stockage 54 est logé hors du système de refroidissement, et donc à température ambiante, par exemple de 300K. La pression dans le réservoir est choisie pour être celle souhaité dans la cavité 50. Par contre, en raison de la température plus élevée, le réservoir 54 présente donc un volume plus élevé qui est choisi pour qu'il soit certain que le gaz liquéfié remplisse totalement la cavité 50. De manière avantageuse, le réservoir comprend, par mesure de sécurité, plus de gaz qu'il est nécessaire pour remplir la cavité 50 et présente ainsi un volume de sécurité supplémentaire. Avantageusement, le volume du réservoir correspond à deux fois la quantité de gaz liquéfié dans la cavité 50. Par exemple, un volume de réservoir de 200 cm3 de propane à 300 K permet d'obtenir 75 cm3 de propane liquide à 5000 Pa. Il a été décrit un cristal sous forme de rondelle. Bien entendu, d'autres formes de cristal sont possibles, comme par exemple un barreau. REVENDICATIONS1. Laser cristallin comportant un cristal dopé (10), et un système de refroidissement du cristal (10), caractérisé en ce que le système de refroidissement comporte : - un support (20) comportant une première et une deuxième faces (29, 32) ; - un dispositif de fixation (30, 40, 44) du cristal (10) sur la première face (32) du support (20) de manière à aménager une cavité hermétique (50) entre une première face (16) du cristal (10) et la première face (32) du support (20); - un circuit d'alimentation (52, 54, 56) de la cavité hermétique (50) avec un gaz liquéfié; et - un dispositif de refroidissement (22, 26, 28) de la seconde face (29) du support (20). 2. Laser cristallin selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de fixation (30, 40, 44) comporte : - une pièce (30) logeant le cristal (10) à distance de la première face (32) du support (20) et encadrant une deuxième face (18) du cristal (10); et - un joint souple (40) logé entre la deuxième face (18) du cristal (10) et la pièce (30) logeant celui-ci, le joint étant apte à se déformer sous l'effet d'une flexion du cristal selon la première face (16) du cristal (10). 3. Laser cristallin selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pression du gaz liquéfié est choisie pour que le gaz liquéfié demeure liquide dans une gamme de température telle que la pression de saturation soit inférieure à 2 bars. 4. Laser cristallin selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le gaz compris dans le gaz liquéfié est en sous saturation. 5. Laser cristallin selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit d'alimentation (52, 54, 56) de la cavité (50) est apte à commander la pression du gaz liquéfié de manière à définir une température de saturation dudit gaz supérieure d'au moins 50K à la température du gaz liquéfié. 6. Laser cristallin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz liquéfié est du dioxygène, de l'éthane ou du propane. 7. Laser cristallin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit d'alimentation (52, 54, 56) comporte un réservoir (54) de stockage du gaz, un conduit (52) débouchant dans la cavité hermétique (50) et dans le réservoir (54), et une vanne (56) agencée dans le conduit (52) pour commander l'alimentation en gaz de la cavité (50). 8. Laser cristallin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement (22, 26, 28) comporte : - une cavité hermétique (22), la deuxième face (29) du support (20) formant une face de ladite cavité (22); et - un circuit d'alimentation (26, 28) de la cavité (22) avec un fluide de température comprise entre 70 K et 200K. 9. Laser cristallin selon la revendication 8, caractérisé en ce que le fluide est du diazote liquide. 10. Laser cristallin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une troisième face du cristal est libre, et en ce que le laser comprend en outre : - une enceinte hermétique (58), dans laquelle sont logés le cristal, le support et le dispositif de fixation ; - un circuit de pompage (60) de l'enceinte (58); et - une fenêtre (62) transparente à un rayonnement utilisé pour le pompage optique, formée dans une paroi de l'enceinte en regard de la troisième face du cristal. 11. Laser cristallin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la cavité hermétique entre le cristal et le support est inférieure au millimètre, et de préférence inférieure à 15 micromètres.30