Brevet FR3051511A1 — publié le 20171124

- 1 - Bougie laser pour moteur à combustion L'invention concerne une bougie laser conçue comme système d'allumage pour des moteurs à combustion interne ou des équipements thermiques qui fonctionnent avec un 5 quelconque type de mélange inflammable devant être allumé par une source d'énergie externe. L'invention concerne plus précisément des lasers à semi-conducteur. La bougie laser comprend : un milieu actif laser composite ; des fibres optiques qui fournissent des 10 faisceaux de pompage de diodes laser (ces diodes étant alimentées par une source électrique) assurant ainsi un pompage optique dans différentes régions du milieu actif ; des prismes optiques pour coupler les faisceaux de pompage dans le milieu actif ; des résonateurs 15 optiques obtenus en déposant des couches diélectriques fines directement sur la surface d'entrée du milieu actif et sur la surface de sortie d'un cristal à absorption saturable agissant comme un commutateur Q ; des lentilles de focalisation des faisceaux laser. 20 Un problème principal des lasers à semi-conducteur conçus pour l'allumage de moteurs est leur fiabilité, la capacité de reproduire l'allumage ou la résistance au vieillissement dans des conditions de particules de rayonnement ionisant. Une analyse de divers brevets 25 proposés pour des allumages laser multi-points de moteurs à combustion interne sera effectuée. Le document JP2006242038A décrit le changement de caractéristiques d'une lentille de focalisation par un élément piézoélectrique. Un faisceau laser est ainsi 30 focalisé en différents points dans le cylindre du moteur. Le document JP2007291965A décrit un système où plusieurs points d'allumage sont obtenus dans la chambre de combustion en focalisant un seul faisceau laser qui se réfléchit sur la paroi courbe du cylindre. Cette solution 35 n'est pas viable car la paroi du cylindre n'est pas assez propre pendant le fonctionnement du moteur. 3051511 - 2 - Le document JP2008002278A décrit l'introduction dans la chambre de combustion d'un miroir qui collecte le faisceau laser et le focalise en plusieurs points. Le document US20080257294A1 décrit une nouvelle conception de moteur dans laquelle la chambre de combustion comprend un système d'injection spécial et plusieurs dispositifs laser d'allumage, la solution étant assez chère. Le document US8863495B2 décrit un procédé qui utilise un 10 faisceau laser et des microondes pour l'allumage, la solution est complexe et le processus d'allumage n'a pas une bonne fiabilité. Le document US6802290B1 décrit une combinaison de lasers micro-disques et d'amplificateurs avec des fibres 15 optiques. Toutefois, le laser fonctionne à des températures élevées et possède une résilience aux vibrations, et l'efficacité du dispositif est faible tandis que le système dans son ensemble est complexe et cher. 20 Ainsi, l'objectif de la présente invention est de fournir un dispositif qui est simple, efficace et ne permet pas de changements dans la transmission initiale du milieu absorbeur saturable par le faisceau de pompe résiduel, ce qui est résolu par le fait que le milieu composite est 25 conçu de sorte que les faisceaux de pompage peuvent être introduits dans le milieu actif en utilisant de multiples fibres optiques ; le système entier est conçu avec très peu ou sans éléments ajustables qui peuvent être endommagés lorsque le système fonctionne dans des 30 conditions thermiques et de contraintes induites par des vibrations des moteurs ou autres équipements thermiques mentionnés dans cette invention. On utilise deux miroirs qui forment plus de résonateurs optiques générant un nombre adéquat de faisceaux laser. 35 Un objectif de la présente invention est de fournir une bougie laser pour un moteur à combustion. 3051511 - 3 - La bougie laser comprend un milieu actif laser cylindrique, d'un côté, un premier miroir diélectrique et de l'autre côté, côté prévu pour être dans la chambre de combustion, un matériau cylindrique agissant comme un 5 commutateur Q passif et un second miroir diélectrique avec une transmission partielle à la longueur d'onde laser. La bougie laser comprend quelques diodes laser connectées aux fibres optiques, quelques premières lentilles connectées aux fibres optiques et à des prismes triangulaires, les faisceaux de pompage étant introduits dans le milieu actif laser via les prismes triangulaires. Les faisceaux de pompage sont perpendiculaires au miroir diélectrique et sont absorbés dans différentes zones du milieu actif laser. La bougie laser se termine, du côté prévu pour être dans la chambre de combustion, par au moins une seconde lentille 10 afin de focaliser les faisceaux laser. D'autres aspects de la présente invention peuvent être 20 les suivants : - les prismes sont mis en contact avec le milieu actif laser ; - la bougie laser comprend un nombre de secondes lentilles égal au nombre de faisceaux laser ; 25 - les surfaces des secondes lentilles sont taillées selon un certain angle ; - les secondes lentilles sont placées à des distances différentes du milieu laser composite ; - les secondes lentilles ont différentes longueurs 30 focales. D'autres objectifs et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit en conjonction avec les dessins d'accompagnement dans lesquels : 35 la figure 1 représente une bougie laser selon la présente invention ; 3051511 - 4 - la figure 2 représente un mode de réalisation spécifique des faisceaux de pompage ; la figure 3 représente une vue latérale d'un mode de réalisation de l'invention ; 5 la figure 4 représente un exemple, selon l'invention, de la focalisation d'un point d'allumage ; la figure 5 représente un premier mode de réalisation de multiples points d'allumage ; la figure 6 représente un second mode de réalisation de 10 multiples points d'allumage ; et la figure 7 représente certains exemples du mode de réalisation de l'invention. Dans la description qui suit, des composants identiques ou similaires sont indiqués par les mêmes références. 15 La description qui suit concerne une bougie laser conçue pour être disposée dans le boîtier d'un moteur à combustion (non représenté). Communément, une bougie ou une bougie laser comprend un côté prévu pour être placé dans la chambre de combustion afin d'allumer un mélange inflammable, et un autre côté opposé avec une connexion électronique. L'étincelle plasma ou l'étincelle d'allumage est produite au point focal des faisceaux de lumière laser dans la chambre de combustion. La figure la représente une vue d'un système de bougie laser. La bougie laser comprend un milieu actif laser cylindrique 1. Le milieu actif laser cylindrique 1 est dopé par des ions qui absorbent le rayonnement de pompage introduit dans celui-ci. Du côté prévu pour être dans la chambre de combustion, un matériau cylindrique 2 est fixé et agit comme un commutateur Q passif. On obtient ainsi une structure milieu actif laser composite - milieu de commutateur Q passif. Le milieu actif laser 1 peut être du Nd:YAG, du Yb:YAG ou Nd:YVO4, et le milieu de commutateur Q peut être du Cr4+:YAG (un matériau 3051511 - 5 - possédant une absorption saturable à la longueur d'onde laser). La bougie laser comprend de l'autre côté un premier miroir diélectrique 3 qui possède une transmission élevée 5 (plus de 95%) à la longueur d'onde de pompage, et une réflectivité élevée (plus de 99,9%) à la longueur d'onde laser. Sur le côté opposé, qui doit être dans la chambre de combustion, la bougie laser comprend un second miroir diélectrique 4 ayant une transmission partielle à la 10 longueur d'onde laser. La bougie laser comprend des diodes laser (non représentées) connectées à des fibres optiques 5a, 5b, 5c, 5d. L'énergie requise pour produire l'inversion de population dans le milieu actif laser est générée par les 15 diodes laser puis transmise par les fibres optiques 5a, 5b, 5c, 5d. La bougie laser comprend des premières lentilles 6a, 6b, 6c, 6d connectées aux fibres optiques 5a, 5b, 5c, 5d depuis un côté, et des prismes triangulaires 7a, 7b, 7c, 20 7d depuis l'autre côté. Les prismes triangulaires 7a, 7b, 7c, 7d sont faits d'un matériau non dopé. La focalisation des faisceaux de pompage se fait par les premières lentilles 6a, 6b, 6c, 6d, et les faisceaux de pompage sont introduits dans le milieu actif laser 1 via 25 les prismes triangulaires 7a, 7b, 7c, 7d. Ces prismes 7a, 7b, 7c, 7d sont disposés à une certaine distance du milieu actif laser 1 et permettent de changer chaque direction de faisceau de pompage de 90° par rapport aux fibres optiques 5a, 5b, 5c, 5d. En outre, les prismes 7a, 7b, 30 7c, 7d sont disposés symétriquement autour de l'axe du milieu actif laser 1. Dans ce mode de réalisation, et comme exemple, les prismes 7a, 7b, 7c, 7d sont disposés symétriquement dans l'axe du milieu actif laser 1 et à une distance aussi réduite que possible de celui-ci. La bougie laser comprend, à la suite des prismes 7a, 7b, 7c, 7d, des faisceaux 8a, 8b, 8c, 8d utilisés pour le pompage. Ces faisceaux 8a, 8b, 8c, 8d sont 3051511 - 6 - perpendiculaires au milieu actif laser 1 et au miroir diélectrique 3, et sont absorbés dans différentes zones du milieu actif laser 1. Les miroirs diélectriques 3, 4 forment deux surfaces parallèles permettant de réaliser 5 l'inversion de population dans différents volumes du milieu actif laser 1, volumes qui correspondent aux parties du milieu actif laser 1 qui sont pompées. Après avoir surmonté le niveau seuil requis pour l'émission laser, la saturation du milieu de commutateur 10 Q dans les régions qui correspondent aux volumes pompés permet l'émission de faisceaux laser pulsés 9a, 9b, 9c, 9d ayant une puissance pic élevée. La bougie laser génère, dans ce mode de réalisation, une pluralité de faisceaux laser 9a, 9b, 9c, 9d dont seuls quatre seront 15 décrits. Le schéma de pompage d'extrémité (ou technique de pompage longitudinal) proposé dans cette invention permet d'introduire les faisceaux laser 9a, 9b, 9c, 9d simultanément dans diverses parties du milieu actif laser 20 1, d'une manière simple et sans pertes. Le couplage de faisceau de pompage dans le milieu actif laser 1 peut se faire de différentes manières. Il est toutefois très avantageux de guider chaque faisceau de pompage avec des prismes 7a, 7b, 7c, 7d de manière à 25 obtenir un bon chevauchement entre le volume de milieu actif laser 1 qui est pompé et le faisceau laser. Un avantage de l'utilisation d'un milieu composite est d'obtenir un système laser simple et stable qui fournit de multiples faisceaux laser 9a, 9b, 9c, 9d. En outre, 30 étant donné que le pompage se fait avec de multiples diodes laser, les faisceaux laser 9a, 9b, 9c, 9d peuvent être émis dans un cadre temporel qui peut être commandé (comme une plage de 100 ns-100 ms). Ce mode de réalisation est effectué de manière simple en augmentant l'énergie 35 de pompage. La figure lb représente une vue latérale de la bougie laser depuis le système optique utilisé pour le pompage. 3051511 - 7 - On voit la disposition des fibres optiques 5a, 5b, 5c, 5d des premières lentilles 6a, 6b, 6c, 6d et des prismes 7a, 7b, 7c, 7d qui dirigent chaque faisceau de pompage 8a, 8b, 8c, 8d vers le miroir diélectrique 3 qui est 5 déposé sur la surface du milieu actif laser 1. La figure 2 représente un mode de réalisation où les prismes 7a, 7b, 7c, 7d sont mis en contact avec le milieu actif laser 1. Cette disposition se traduit par une bougie laser plus compacte que celle représentée dans la 10 figure la. La figure 3 représente une vue latérale de la bougie laser depuis le système optique utilisé pour le pompage. Dans ce mode de réalisation, les fibres optiques 5a, 5b, 5c, 5d, les premières lentilles 6a, 6b, 6c, 6d et les 15 prismes 7a, 7b, 7c, 7d sont tous orientés dans la même direction, donnant un système mécanique qui est plus compact que ceux représentés dans les figures 1 et 2. Les prismes 7a, 7b, 7c, 7d peuvent être disposés à une distance du milieu actif laser 1 ou être en contact avec 20 le milieu actif laser 1. La figure 4 représente un exemple de la focalisation des faisceaux laser 9a, 9b, 9c, 9d dans la chambre de combustion. Dans ce mode de réalisation, la bougie laser se termine du côté prévu pour être dans la chambre de 25 combustion par une lentille unique 10. Dans ce système, tous les faisceaux laser 9a, 9b, 9c, 9d sont focalisés au même point 11. L'énergie totale concentrée au point d'allumage 11 est supérieure à celle correspondant à un faisceau laser unique. Cette énergie totale peut être 30 proportionnelle au nombre de faisceaux laser 9a, 9b, 9c, 9d qui sont focalisés.. La figure 5 représente d'autres variantes de la focalisation dans la chambre de combustion. Dans la figure 5a, dans cette variante, les faisceaux laser 9a, 35 9b, 9c, 9d sont focalisés par des secondes lentilles 12a, 12b, 12c, 12d. Les secondes lentilles 12a, 12b, 12c, 12d sont identiques et sont disposées à la même distance du 3051511 - 8 - miroir de couplage sortant 4. La focalisation se fait sur l'axe des faisceaux laser 9a, 9b, 9c, 9d correspondants, et les points de focalisation où l'étincelle plasma se produit 13a, 13b, 13c, 13d sont situés à la même distance 5 du miroir de couplage sortant. La figure 5b représente un système dans lequel des secondes lentilles 12a, 12b, 12c, 12d identiques sont disposées à des distances différentes du miroir de couplage sortant 4. Dans ce mode de réalisation, les 10 points où l'étincelle plasma se produit 13a, 13b, 13c, 13d sont situés à des distances différentes du miroir de couplage sortant 4. La figure 5c représente un autre système dans lequel la focalisation est obtenue 'sur chaque axe d'un faisceau 15 laser en utilisant des secondes lentilles 14, 15, 16, 17 de différente longueur focale. Les secondes lentilles 14, 15, 16, 17 sont disposées à la même distance du miroir de couplage sortant 4, et l'étincelle plasma est produite aux points 13a, 13b, 13c, 13d situés à des distances 20 différentes du miroir de couplage sortant. Les secondes lentilles 14, 15, 16, 17 peuvent en outre être disposées à des distances différentes du miroir de couplage sortant. Tous ces modes de réalisation, dans cette variante, sont 25 valides pour un nombre de secondes lentilles 12, 13, 14, 15, 16, 17 égal au nombre de faisceaux laser 9a, 9b, 9c, 9d. Cette variante permet l'allumage d'un mélange inflammable en différents points proches les uns des autres, assurant 30 ainsi une propagation rapide du front de flamme. On obtient ainsi un procédé d'allumage de mélanges se propageant à de très grandes vitesses. En outre, par comparaison avec l'allumage en un point unique d'un moteur, l'allumage multi-points se traduit par un temps 35 moindre pour que le front de flamme couvre un plus grand volume de la chambre de combustion. 3051511 - 9 - La figure 6 représente une variante des points d'allumage multiples. Dans cette variante, les points d'allumage ne sont pas dans l'axe des faisceaux laser 9a, 9b, 9c, 9d, mais présentent un certain angle. 5 La figure 6a représente un système comprenant des secondes lentilles 18a, 18b, 18c, 18d dont les surfaces sont taillées à un certain angle. Les faisceaux laser 9a, 9b, 9c, 9d sont focalisés de sorte que l'allumage se fasse aux points 13a, 13b, 13c, 13d situés hors de l'axe 10 de propagation de chaque faisceau laser. Dans ce système, les secondes lentilles 18a, 18b, 18c, 18d sont disposées de manière à diviser chacun des points d'allumage 13a, 13b, 13c, 13d hors de l'axe de propagation de chacun des faisceaux laser 9a, 9b, 9c, 9d. 15 Le mode de réalisation de la figure 6b est proche du mode de réalisation décrit précédemment. Dans ce système, les secondes lentilles 18a, 18b, 18c, 18d sont disposées de manière à diviser chacun des points d'allumage 13a, 13b, 13c, 13d dans l'axe de propagation de chacun des 20 faisceaux laser 9a, 9b, 9c, 9d. Dans cette variante de la figure 6 les points d'allumage 13a, 13b, 13c, 13d peuvent se situer à des distances égales du milieu laser composite, ou à des distances diverses du milieu laser composite : 25 en plaçant ces secondes lentilles avec des longueurs focales identiques à des distances égales ou des distances différentes du milieu laser composite 1 ; ou en plaçant ces secondes lentilles avec des longueurs 30 focales différentes à des distances égales ou différentes du milieu laser composite 1. Tous ces modes de réalisation, dans cette variante, sont valides pour un nombre de secondes lentilles 18a, 18b, 18c, 18d égal au nombre de faisceaux laser 9a, 9b, 9c, 35 9d. 3051511 - 10 - L'invention permet de focaliser les faisceaux laser 9a, 9b, 9c, 9d à des angles différents dans la chambre de combustion aux points 13a, 13b, 13c, 13d qui ne sont pas colinéaires avec les faisceaux laser 9a, 9b, 9c, 9d. Ce 5 procédé permet à l'allumage d'accéder à un plus grand volume de mélange inflammable dans la chambre de combustion. La figure 7a représente un autre système dans lequel, outre l'introduction des fibres optiques 5a, 5b, 5c, 5d 10 dans le milieu actif laser 1 via les prismes 7a, 7b, 7c, 7d, une autre fibre optique supplémentaire 5e et une autre première lentille supplémentaire 6e sont utilisées pour le pompage. Ces nouveaux éléments sont disposés sur l'axe du milieu laser composite 1 dans l'espace entre les 15 prismes 7a, 7b, 7c, 7d. Ce système fournit un autre faisceau de pompage 8e, et donne ainsi un faisceau laser supplémentaire 9e. La figure 7b est une vue latérale de la bougie laser (vue depuis le système de pompage), le milieu laser composite 1 ayant une forme cylindrique. 20 Le milieu laser composite 19 peut également avoir une forme de parallélépipède comme le montre la figure 7c (vue depuis le système de pompage) où le milieu laser composite 19 possède une surface quadratique tandis que les prismes 7a, 7b, 7c, 7d sont disposés en parallèle aux 25 bords du milieu laser composite 19. REVENDICATIONS1. Bougie laser pour un moteur à combustion, comprenant : - un milieu actif laser cylindrique (1) ; - d'un côté, un premier miroir diélectrique (3) et de l'autre côté, prévu pour être dans la chambre de combustion, un matériau cylindrique (2) agissant comme un commutateur Q passif et un second miroir diélectrique (4) avec une transmission partielle à la longueur d'onde laser ; - des diodes laser connectées à des fibres optiques (5a, 5b, 5c, 5d) ; - des premières lentilles (6a, 6b, 6c, 6d) connectées aux fibres optiques (5a, 5b, 5c, 5d) et à des prismes triangulaires (7a, 7b, 7c, 7d) ; - des faisceaux de pompage (8a, 8b, 8c, 8d) introduits dans le milieu actif laser (1) via les prismes triangulaires (7a, 7b, 7c, 7d), les faisceaux (8a, 8b, 8c, 8d) étant perpendiculaires au miroir diélectrique (3) et étant absorbés dans différentes zones du milieu actif laser (1) ; - la bougie laser se terminant, du côté prévu pour être dans la chambre de combustion, par au moins une seconde lentille (10) afin de focaliser des faisceaux laser (9a, 9b, 9c, 9d). 2. Bougie laser selon la revendication 1, dans laquelle les prismes (7a, 7b, 7c, 7d) sont mis en contact avec le milieu actif laser (1). 3. Bougie laser selon les revendications 1 ou 2, laquelle bougie laser comprend un nombre de secondes lentilles (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) égal au nombre de faisceaux laser (9a, 9b, 9c, 9d). 3051511 - 12 - 4. Bougie laser selon la revendication 3, dans laquelle les surfaces des secondes lentilles (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) sont taillées à un certain angle. 5 5. Bougie laser selon les revendications 3 ou 4, dans laquelle les secondes lentilles (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) sont disposées à des distances différentes du milieu actif laser cylindrique (1). 10 6. Bougie laser selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans laquelle les secondes lentilles (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) ont des longueurs focales différentes.