Brevet FR3088148A1 — publié le 20200508

TETE AMPLIFICATRICE LASER DE HAUTE PUISSANCE L'invention porte sur une tête amplificatrice laser à état solide, destinée à être utilisée à haute puissance (puissance moyenne de l'ordre de 1 kW ou plus, impulsions de l'ordre de 1 J ou plus). La tête laser de l'invention est particulièrement adaptée à la réalisation d'un amplificateur laser, mais peut également être placée à l'intérieur d'une cavité optique pour réaliser un oscillateur ou un amplificateur régénératif. Lors de la conception d'un laser à état solide, en particulier destiné à travailler à des puissances élevées, le refroidissement du milieu actif revêt une importance particulière. En effet, une température excessive affecte défavorablement la capacité d'amplification ainsi que la qualité optique du faisceau laser (effet de lentille thermique, déformations du milieu actif) et sa polarisation (biréfringence induite par le stress), et peut même provoquer la dégradation ou la rupture du milieu actif. Il est connu de façonner le milieu actif en forme de plaque ou disque, avec typiquement une épaisseur inférieure - voire très inférieure - à un dixième de ses dimensions latérales. Le refroidissement peut alors se faire de plusieurs façons : - Par la monture, reliée à un circuit de refroidissement interne. - Par la surface arrière, réfléchissante, ce qui impose des épaisseurs très faibles de milieu actif (300 micromètres typiquement), et donc un grand nombre (typiquement 12 ou plus) de passages. C'est la technologie dite de disque mince (« thin disk » en anglais) ou de « miroir actif » pour des épaisseurs plus importantes (« active mirror » en anglais). Voir par exemple [1 a], [1 b], [1c]. Par un fluide incident sur les surfaces principales du disque ; ce fluide est le plus souvent un gaz, mais il peut parfois s'agir d'un liquide. Par exemple, [2] décrit un oscillateur laser dont le milieu actif est formé de deux plaques minces de Nd:YAG inclinées à l'angle de Brewster par rapport au trajet optique du faisceau laser et formant un angle entre elles, immergées dans un écoulement de liquide de refroidissement. Les documents [3] et [4] décrivent des oscillateurs laser dont le milieu actif est formé par un empilement de disques d'une épaisseur de l'ordre du millimètre, un liquide de refroidissement (D20) circulant dans les espaces entre les disques. Il est également connu de mettre en rotation un milieu actif de 5 grandes dimensions par rapport au diamètre du faisceau laser, le faisceau laser étant excentré par rapport à l'axe de rotation. La chaleur est alors stockée dans un plus grand volume et échangée sur une plus grande surface, ce qui atténue fortement les effets techniques. Voir à ce propos [5], [6] et [7]. L'invention vise à procurer une tête amplificatrice laser 10 présentant un refroidissement plus efficace que selon l'art antérieur, permettant donc d'atteindre un niveau de puissance plus élevé, sans dégradation (voire avec une amélioration) de la qualité optique du faisceau laser. Conformément à l'invention, ce but est atteint par une tête 15 laser dont le milieu actif est constitué par un empilement de plaques minces en rotation autour d'un axe commun (ou, plus généralement, présentant un mouvement cyclique) et immergés dans un écoulement liquide. L'utilisation combinée d'une pluralité de plaques minces en mouvement et d'un refroidissement par liquide pose une difficulté particulière : 20 en effet, en l'absence de précautions particulières, l'écoulement liquide a tendance à devenir turbulent, ce qui dégrade fortement la qualité du faisceau laser (par exemple, l'article [8] illustre les effets de la turbulence dans le cas d'un oscillateur laser à disque mince sans parties en mouvement). L'invention résout ce problème par l'utilisation de plaques de guidage du liquide de 25 refroidissement agencées dans le prolongement des plaques de milieu actif laser, qui assurent un écoulement laminaire au passage du faisceau laser. Un autre aspect de l'invention consiste dans une évacuation efficace du rayonnement d'amplification stimulée, rendue possible par l'utilisation de plaques de guidage du liquide de refroidissement 30 transparentes, de préférence associées à des miroirs qui dévient le rayonnement vers une région absorbante et diffusante. 3 Un objet de l'invention est donc une tête amplificatrice laser comprenant une pluralité de plaques d'un milieu actif laser à état solide disposées dans un carter, agencées parallèles les unes aux autres avec leurs surfaces principales en vis-à-vis, par exemple alignées selon une direction de 5 propagation d'un faisceau laser, le carter étant pourvu d'un port d'entrée et d'un port de sortie pour un liquide de refroidissement, ainsi que d'au moins une fenêtre permettant à un faisceau laser de traverser les plaques de milieu actif laser, caractérisé en ce qu'elle comprend également : - un dispositif de liaison mécanique permettant un 10 mouvement cyclique au moins des plaques de milieu actif laser par rapport au faisceau laser dans un plan perpendiculaire à la direction de leur épaisseur ; et - des plaques de guidage du liquide de refroidissement agencées dans le prolongement des plaques de milieu actif laser, entre ces 15 dernières et le port d'entrée dudit liquide. Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention : - Le dispositif de liaison mécanique peut être configuré pour mettre les plaques de milieu actif laser en rotation autour d'un axe commun, perpendiculaire à la direction de leur épaisseur, par rapport au carter. L'axe 20 commun peut notamment être parallèle à la direction de propagation du faisceau laser. En outre, la ou les fenêtres peuvent être agencées de telle sorte que le faisceau laser traverse une région desdites plaques de milieu actif laser comprise entre le port d'entrée du liquide de refroidissement et l'axe commun de rotation. 25 - Les plaques de guidage du liquide de refroidissement peuvent être transparentes dans une bande spectrale d'un rayonnement d'émission spontanée amplifiée des plaques de milieu actif laser, de manière à permettre l'évacuation dudit rayonnement. Dans ce cas, la tête amplificatrice peut comprendre également des miroirs pour dévier une portion dudit 30 rayonnement d'émission spontanée amplifiée évacuée à travers les plaques de guidage du liquide de refroidissement et initialement dirigée vers le port d'entrée du liquide de refroidissement. Par ailleurs, la tête amplificatrice peut 4 comprendre également, à l'intérieur dudit carter, au moins une structure optiquement absorbante et diffusante dans ladite bande spectrale du rayonnement d'émission spontanée amplifiée, ladite structure optiquement absorbante et diffusante entourant au moins en partie les plaques de milieu 5 actif laser dans un plan perpendiculaire à la direction de leur épaisseur et étant agencée de manière à être en contact avec ledit liquide de refroidissement. Ladite structure optiquement absorbante et diffusante comprend avantageusement un réseau de plots. En outre, la tête amplificatrice peut comprendre également au moins une paroi transparente 10 dans ladite bande spectrale du rayonnement d'émission spontanée amplifiée et séparant d'une part une région du volume interne au carter contenant les plaques de milieu actif laser, les plaques de guidage du liquide de refroidissement et le port d'entrée, et d'autre part ladite ou chaque dite structure optiquement absorbante et diffusante et le port de sortie. 15 - Les plaques de guidage du liquide de refroidissement peuvent présenter une largeur inférieure à celle des plaques du milieu actif laser. - Les plaques de milieu actif laser peuvent présenter une épaisseur comprise entre 300 pm et 1 cm et un espacement mutuel compris 20 entre 200 pm et 4 mm. - Les plaques de milieu actif laser peuvent être en forme de disque. - La tête amplificatrice peut comprendre également une pompe reliée fluidiquement au port d'entrée et au port de sortie et adaptée 25 pour provoquer dans le carter un écoulement du liquide de refroidissement, le dimensionnement et l'agencement de la pompe, du carter, des plaques de milieu actif laser et des plaques de guidage du liquide de refroidissement étant adaptés pour que l'écoulement soit laminaire dans une région traversée par le faisceau laser, puis effectue une transition vers un régime turbulent. 30 5 - La tête amplificatrice peut comprendre également un actionneur coopérant avec le dispositif de liaison mécanique pour provoquer ledit mouvement cyclique des plaques de milieu actif. - La tête amplificatrice peut comprendre également un 5 système de pompage optique longitudinal. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement : - La figure 1, une vue écorchée d'une tête amplificatrice 1 ci laser selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - Les figure 2A et 2B, respectivement, une vue en coupe et en plan d'une tête amplificatrice laser selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - Les figures 3A, 3B, 3C les écoulements du liquide de 15 refroidissement pour différentes valeurs de l'espacement et du décalage entre les plaques de guidage du liquide de refroidissement et les plaques de milieu actif laser ; - La figure 4, un schéma du transport de rayonnement d'émission spontanée amplifiée dans la tête laser de la figure 1 ; et 20 - La figure 5, un schéma d'un amplificateur laser mettant en oeuvre une tête amplificatrice selon l'invention. La vue écorchée de la figure 1 permet de comprendre la structure d'une tête amplificatrice laser selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le milieu actif laser est constitué de trois plaques, plus 25 précisément des disques, DA1, DA2, DA3 de grenat d'yttrium et aluminium (YAG) dopé avec de l'ytterbium (Yb :YAG), ayant une épaisseur de 3 mm et un diamètre de 70 mm, montés en série sur un arbre A passant par leur centre, avec un espacement entre deux disques adjacents de 500 [lm. L'arbre A permet d'actionner les disques en rotation, par exemple à une 30 vitesse comprise entre 1 et 10 tours par seconde. L'ensemble est placé à l'intérieur d'un carter C en forme de parallélépipède. On désigne par z la direction d'orientation de l'arbre A, et par x, y des axes perpendiculaires entre 6 eux et à l'axe z définissant un plan parallèle aux surfaces principales des disques. Le faisceau laser à amplifier et le faisceau laser de pompe, qui entrent et sortent du carter par des fenêtres ou hublot (voir la figure 5 pour 5 plus de détails), passent à travers les trois disques, de manière excentrée. La référence RA désigne l'empreinte des faisceaux lasers sur le disque DA1. Du fait de la rotation, la chaleur générée par le pompage est répartie dans une couronne (référence CO sur la figure 2A). En raison de l'inertie thermique des disques, l'élévation locale de température au passage du faisceau reste 10 limitée à quelques degrés. En outre, la chaleur est répartie sur une surface plus grande que celle du faisceau laser, la surface d'échange thermique avec le liquide de refroidissement augmente et la température du disque s'en trouve diminuée. Avantageusement, les disques présentent des dopages 15 différents, calculés de sorte qu'ils subissent la même charge thermique. Le liquide de refroidissement - par exemple de l'eau lourde, D20, qui est moins absorbante que l'eau ordinaire (H20) à la longueur d'onde d'émission du Yb :YAG (1.030 nm) - rentre dans le carter par un port d'entrée PEL, s'écoule en direction des disques de matériau actif, guidé 20 latéralement par deux parois séparatrices PSE1, PSE2 définissant un canal central. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le canal présente initialement une largeur supérieure au diamètre des disques DA1 - DA3, puis les parois PSE1, PSE2 se rapprochent jusqu'à presque toucher les disques, ce qui a par effet d'accélérer l'écoulement. Après avoir passé la région 25 contenant les disques, le liquide - qui rentre à 10°C puis sort chauffé de quelques degrés - remonte par deux canaux latéraux situés sur les côtés du carter et séparés du canal central par les parois PSE1, PSE2. Les canaux latéraux contiennent des réseaux de plots métalliques SAD1, SAD2, dont la fonction sera expliquée plus loin, et débouchent dans un ou plusieurs ports de 30 sortie du liquide PSL. Des radiateurs métalliques RAD1, RAD2, formant les parois latérales du carter, permettent l'évacuation d'une partie de la chaleur transportée par le liquide. 7 Trois plaques de guidage du liquide, PGL1, PGL2, PGL3, sont disposées dans la partie médiane du canal central. Chaque plaque de guidage du liquide présente la même épaisseur qu'un disque de matériau actif laser et se trouve dans son prolongement. L'interstice entre une plaque de 5 guidage du liquide et le disque correspondant est de préférence inférieur ou égal à 500 pm et le décalage dans la direction de l'épaisseur des plaques (z) inférieur ou égal à 50 pm (voir les figures 3A - 3C et la discussion correspondante, ci-après). La fonction des plaques PGL1, PGL2, PGL3 est d'assurer que 10 l'écoulement du liquide de refroidissement soit laminaire dans la région traversée par le faisceau laser. Comme illustré sur la figure 1, l'écoulement est laminaire (EL) entre les plaques PGL1, PGL2, PGL3, et turbulent (ETu) sur les côtés du canal central. L'écoulement reste laminaire au cours des premiers centimètres qu'il parcourt entre les disques de milieu actif, et 15 notamment en correspondance de la région RA, puis il effectue une transition vers un régime turbulent (la référence ETr désigne l'écoulement à la transition laminaire - turbulent), ce qui présente l'avantage d'augmenter le coefficient d'échange thermique. L'écoulement est turbulent en aval des disques de milieu actif, et notamment dans les canaux latéraux. 20 Si on considère un espace inter-disque de 500 pm et une vitesse du liquide de 2 m/s, le nombre de Reynolds local est de 2000. Or, la littérature montre que dans cette géométrie l'écoulement est laminaire jusqu'à un nombre de Reynolds de 2500 environ. La longueur de transition turbulent-laminaire est d'environ 68 mm ; on choisira donc des plaques PGL1, PGL2, 25 PGL3 d'une longueur supérieure à cette valeur, par exemple 80 mm. Les figures 2A et 2B illustrent un deuxième mode de réalisation dans lequel les parois PSE1, PSE2 sont rectilignes et parallèles, de telle sorte que la largeur du canal central est partout à peine supérieure au diamètre des disques. On peut également noter, dans la partie « basse » 30 (opposée aux ports d'entrée et de sortie du liquide) une rainure RF avec des bords arrondis formant un creux qui crée une zone dans laquelle le flux peut s'étendre, donc ralentit, ce qui rend plus facile sa remontée par les côtés. 8 Les plaques PGL1 - PGL3 qui permettent de mettre en forme le flux d'eau laminaire en amont des disques sont fixes, alors que ces derniers sont en rotation. Il existe donc forcément un interstice entre ces deux types de pièces. En outre, en raison des inévitables tolérances mécaniques, il existera 5 généralement un décalage dans la direction z entre chaque plaque de guidage de liquide et le disque correspondant. Des simulations 2D des écoulements ont été effectuées pour trois cas de figure, illustrés par les figures 3A, 3B et 3C : Figure 3A : interstice de 500 pm et décalage de 200 pm ; 10 Figure 3B: interstice de 1 mm et décalage nul ; Figure 3C : interstice de 550pm et décalage de 50pm. On peut remarquer que l'écoulement est confiné dans l'espace entre la surface principale supérieure (non représentée) du premier disque et la paroi supérieure du carter (non représentée) ; entre la surface 15 principale inférieure S12 du premier disque et la surface principale supérieure 521 du deuxième disque ; entre la surface principale inférieure 522 du deuxième disque et la surface principale supérieure S31 du troisième disque ; et entre la surface principale inférieure 532 du troisième disque et la paroi inférieure du carter. 20 Il est important d'avoir à l'esprit la différence entre recirculations de fluide et turbulences. Une recirculation de fluide est stationnaire ou quasi stationnaire ; elle peut être laminaire ou turbulente. Une turbulence varie rapidement dans le temps, sa dimension est le plus souvent bien inférieure à la taille d'une recirculation. Le plus souvent, les recirculations 25 rapides s'accompagnent de turbulences. Dans le cas de la figure 3A, le rétrécissement du second canal en partant du haut entraine un ralentissement du fluide dû aux forces de friction qui deviennent importantes. Les lignes de flux sont perturbées dans le canal central soumis à un décalage de 200pm. Des effets de recirculation sont 30 générés juste après l'interstice, à une vitesse importante. Des turbulences (non visibles par la simulation) peuvent apparaître à cet endroit. A l'évidence, un décalage de 200 pm est trop important pour un écoulement optimal. 9 Dans le cas de la figure 3B, on observe des recirculations importantes dans l'interstice, mais qui ne perturbent pas le flux principal, parce qu'elles s'effectuent à faible vitesse. Dans le cas de la figure 3C, correspondant à un décalage de 5 50 pm, les perturbations du flux principal demeurent acceptables ; surtout, elles relaxent en l'espace de quelques millimètres, de telle sorte que l'écoulement redevient laminaire avant d'atteindre le bord du faisceau laser. On peut donc prendre une tolérance de l'ordre de 50 pm pour l'alignement des plaques et des disques. 10 En plus de la maîtrise de la laminarité de l'écoulement du liquide de refroidissement, la gestion du rayonnement parasite d'émission spontanée amplifiée (ASE, de l'anglais c REVENDICATIONS1. Tête amplificatrice laser (TL) comprenant une pluralité de plaques (DA1 , DA2, DA3) d'un milieu actif laser à état solide disposées dans 5 un carter (C), agencées parallèles les unes aux autres avec leurs surfaces principales (S12, S21, 522, S31) en vis-à-vis , le carter étant pourvu d'un port d'entrée (PEL) et d'un port de sortie (PSL) pour un liquide de refroidissement, ainsi que d'au moins une fenêtre (FE-I, FE2) permettant à un faisceau laser (FLS) de traverser les plaques de milieu actif laser, caractérisé en ce qu'elle 10 comprend également : un dispositif de liaison mécanique (A) permettant un mouvement cyclique au moins des plaques de milieu actif laser par rapport au faisceau laser dans un plan (xy) perpendiculaire à la direction (z) de leur épaisseur ; et 15 des plaques (PGL1, PGL2, P0L3) de guidage du liquide de refroidissement agencées dans le prolongement des plaques de milieu actif laser, entre ces dernières et le port d'entrée dudit liquide. 2. Tête amplificatrice laser selon la revendication 1 dans 20 laquelle le dispositif de liaison mécanique (A) est configuré pour mettre les plaques de milieu actif laser en rotation autour d'un axe commun, perpendiculaire à la direction de leur épaisseur, par rapport au carter. 3. Tête amplificatrice laser selon la revendication 2 dans 25 laquelle ledit axe commun (z) est parallèle à la direction de propagation du faisceau laser. 4. Tête amplificatrice laser selon l'une des revendications 2 et 3 dans laquelle la ou les fenêtres sont agencée de telle sorte que le 30 faisceau laser traverse une région (RA) desdites plaques de milieu actif laser comprise entre le port d'entrée du liquide de refroidissement et l'axe commun de rotation. 19 5. Tête amplificatrice laser selon l'une des revendications précédentes dans laquelle les plaques de guidage du liquide de refroidissement sont transparentes dans une bande spectrale d'un rayonnement d'émission spontanée amplifiée (ASE) des plaques de milieu actif laser, de manière à permettre l'évacuation dudit rayonnement. 6. Tête amplificatrice laser selon la revendication 5 comprenant également des miroirs (MDA) pour dévier une portion dudit rayonnement d'émission spontanée amplifiée évacuée à travers les plaques de guidage du liquide de refroidissement et initialement dirigée vers le port d'entrée du liquide de refroidissement. 7. Tête amplificatrice laser selon l'une des revendications 5 ou 6 comprenant également, à l'intérieur dudit carter, au moins une structure optiquement absorbante et diffusante (SAD1, SAD2) dans ladite bande spectrale du rayonnement d'émission spontanée amplifiée, ladite structure optiquement absorbante et diffusante entourant au moins en partie les plaques de milieu actif laser dans un plan perpendiculaire à la direction de leur épaisseur et étant agencée de manière à être en contact avec ledit liquide de refroidissement. 8. Tête amplificatrice laser selon la revendication 7 dans laquelle ladite structure optiquement absorbante et diffusante (SAD1, SAD2) 25 comprend un réseau de plots. 9. Tête amplificatrice laser selon l'une des revendications 7 et 8, comprenant également au moins une paroi transparente (PSE1, PES2) dans ladite bande spectrale du rayonnement d'émission spontanée amplifiée 30 et séparant d'une part une région du volume interne au carter contenant les plaques de milieu actif laser, les plaques de guidage du liquide de 20 refroidissement et le port d'entrée, et d'autre part ladite ou chaque dite structure optiquement absorbante et diffusante et le port de sortie. 10. Tête amplificatrice laser selon l'une des revendications 5 précédentes dans laquelle les plaques de guidage du liquide de refroidissement présentent une largeur inférieure à celle des plaques du milieu actif laser. 11. Tête amplificatrice laser selon l'une des revendications 10 précédentes dans laquelle les plaques de milieu actif laser présentent une épaisseur comprise entre 300 pm et 1 cm et un espacement mutuel compris entre 200 pm et 4 mm. 12. Tête amplificatrice laser selon l'une des revendications 15 précédentes dans laquelle les plaques de milieu actif laser sont en forme de disque. 13. Tête amplificatrice laser selon l'une des revendications précédentes comprenant également une pompe (PUR) reliée fluidiquement au 20 port d'entrée et au port de sortie et adaptée pour provoquer dans le carter un écoulement du liquide de refroidissement, le dimensionnement et l'agencement de la pompe, du carter, des plaques de milieu actif laser et des plaques de guidage du liquide de refroidissement étant adaptés pour que l'écoulement soit laminaire (EL) dans une région traversée par le faisceau laser, puis effectue une transition (ETr) vers un régime turbulent (ETu). 14. Tête amplificatrice laser selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un actionneur (M) coopérant avec le dispositif de liaison mécanique pour provoquer ledit mouvement cyclique des plaques de milieu actif. 21 15. Tête amplificatrice laser selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un système de pompage optique longitudinal (LAP).