[0001] Les lasers à semi-conducteurs (diodes lasers) permettent de transformer directement le courant électrique en lumière cohérente avec un bon rendement. Les diodes lasers se présentent généralement sous forme d'un parallélépipède rectangle dont les dimensions sont de l'ordre d'une fraction de millimètre pour les côtés et de l'ordre du micron pour la face émissive. (fig. 1). La lumière est émise par une des faces minces, tandis que le courant électrique passe par les deux surfaces larges. La puissance laser de ces composants peut atteindre le watt ou plus. Pour obtenir des puissances plus élevées, par exemple 100 W, ces composants sont empilés pour former des barres dont la longueur est par exemple de 10mm. (fig. 2). Les diodes laser ont un rendement de l'ordre de 40%, ce qui fait que, pour 100 W de lumière émise, 150 W sont dissipés en chaleur.
Or les diodes lasers sont très sensibles à la température qui doit être maintenue à 25 deg. C au plus. Le refroidissement se fait habituellement par circulation d'eau, ce qui présente une servitude inacceptable pour certaines applications. En outre le pouvoir de refroidissement d'un dispositif basé sur réchauffement de l'eau est limité par les caractéristiques thermiques de l'eau, ce qui fait que les diodes lasers doivent être espacées dans la barre. Cette disposition limite la possibilité de concentration de la lumière au moyen d'optiques.
[0002] La présente invention a pour objet un dispositif permettant de refroidir les barres de diodes laser de façon beaucoup plus efficace et de transférer la chaleur dans l'air ambiant et donc de supprimer les défauts mentionnés plus haut.
La difficulté de réaliser un tel dispositif provient du fait que le flux thermique [W/m<2>] au niveau de la diode laser est très élevé et que l'air est très peu conducteur de la chaleur.
[0003] Dans le présent dispositif l'évacuation de la chaleur de la barre de diodes laser se fait par l'évaporation d'un liquide à haute chaleur latente d'évaporation. La vapeur est ensuite refroidie, par exemple par des éléments à effet Peltier, dont la face chaude est elle même refroidie par exemple par un flux d'air. La vapeur se condense sur la face froide de l'élément Peltier et le liquide retombe par gravitation sur la partie chaude du dispositif. Un autre avantage de ce dispositif provient du fait que la température d'évaporation est constante à pression constante.
La stabilisation de la température de la diode laser peut être obtenue simplement en asservissant la puissance de refroidissement des éléments Peltier à la pression de la vapeur à l'intérieur du dispositif.
[0004] Il est aussi possible d'obtenir le retour du liquide des faces froides vers la surface chaude en tapissant l'intérieur du refroidisseur d'une matière poreuse. Le retour du liquide se fait alors par capillarité. L'efficacité est moins bonne, mais le dispositif peut fonctionner dans n'importe quelle position.
[0005] Une forme d'exécution du dispositif, selon l'invention, est expliquée ci-dessous plus en détail et à titre d'exemple, à l'aide de dessins dans lesquels:
<tb>La fig. 1<sep>représente schématiquement une diode laser 1, l'émission laser 2 et l'alimentation électrique 3 & 4.
<tb>La fig. 2<sep>montre la partie inférieure du dispositif de refroidissement vu de dessous. La barre de diodes 5 est prise entre deux blocs de métal 6 & 7. Ces blocs servent à la fois de conducteurs de la chaleur et d'électrode pour l'amenée du courant électrique. Ils sont eux mêmes fixés sur la plaquette électriquement isolante 8. Le tube contenant le liquide de refroidissement est représenté partiellement en 9. Le capteur de pression est représenté en 10.
<tb>La fig. 3<sep>montre une coupe du refroidisseur. Le liquide 13 contenu dans le récipient étanche 12 s'évapore au contact de la surface chaude 11 supportant la barre de diodes. La vapeur ainsi produite se condense sur les surfaces froides 14 du récipient et retombe au fond du récipient. Les surfaces 14 sont refroidies par les éléments Peltier 15 et 16 dont les côtés chauds sont refroidis par l'air, par l'intermédiaire des ailettes 17 et 18. Le refroidissement est accéléré par un ventilateur non représenté ici.
<tb>La fig. 4<sep>représente le refroidisseur vu de face.
<tb>La fig. 5<sep>représente le schéma électronique du régulateur de température de la barre de diodes laser. Sachant qu'en première approximation la température d'ébullition d'un liquide est proportionnelle à la pression, la tension de sortie du capteur de pression 20 est appliquée à l'entrée + de l'amplificateur opérationnel 24 par l'intermédiaire de la résistance 22. La tension est comparée à la tension de référence réglable 21 qui est appliquée à l'entrée - de l'amplificateur opérationnel 24 par l'intermédiaire de la résistance 23. Le gain de cette partie du système de régulation est donné par le rapport entre la résistance ajustable 25, connectée entre la sortie de l'amplificateur opérationnel 24 et son entrée - et la résistance 23.
La valeur de la résistance 23 est identique à celle de la résistance 22 qui sert de compensation du courant de fuite de l'amplificateur opérationnel 24. La sortie de l'amplificateur opérationnel 24 attaque directement la grille G du transistor 26. La résistance 28 sert à la fois de contre-réaction destinée à stabiliser le fonctionnement du transistor 26 et à limiter le courant maximum en cas d'emballement. Le condensateur 29 introduit une constante de temps destinée à éviter les oscillations du système causée par le retard introduit dans la boucle de régulation par l'inertie thermique du refroidisseur.
[0006] Lorsque la température de la barre de diodes augmente, l'évaporation du liquide augmente, ce qui augmente la pression à l'intérieur du récipient.
Alors la tension de sortie du capteur de pression 20 augmente, la tension sur la grille G du transistor 26 s'élève et le courant passant par les éléments Peltier 27 augmente, assurant un plus grand refroidissement. Davantage de vapeur se condense, ce qui diminue la pression à l'intérieur du refroidisseur et ramène la température d'ébullition à la valeur de consigne définie par la valeur de la tension de référence 21.
[0007] Pour de faibles puissances, le récipient étanche 12 peut être remplacé, selon la fig. 6 par une plaque d'égalisation de la température 30 et le capteur de pression 10 par un capteur de température 31.
[0001] Semiconductor lasers (laser diodes) make it possible to directly transform the electric current into coherent light with good efficiency. The laser diodes are generally in the form of a rectangular parallelepiped whose dimensions are of the order of a fraction of a millimeter for the sides and of the order of one micron for the emissive face. (Fig. 1) The light is emitted by one of the thin faces, while the electric current passes through the two large surfaces. The laser power of these components can reach the watt or more. To obtain higher powers, for example 100 W, these components are stacked to form bars whose length is for example 10mm. (Fig 2). The laser diodes have a yield of the order of 40%, so that, for 100 W of light emitted, 150 W are dissipated in heat.
However, the laser diodes are very sensitive to the temperature which must be maintained at 25 deg. C at most. Cooling is usually done by circulating water, which presents an unacceptable servitude for certain applications. In addition the cooling power of a device based on water heating is limited by the thermal characteristics of the water, so that the laser diodes must be spaced in the bar. This arrangement limits the possibility of concentrating the light by means of optics.
The present invention relates to a device for cooling the laser diode bars much more efficiently and to transfer the heat into the ambient air and thus to eliminate the defects mentioned above.
The difficulty of producing such a device stems from the fact that the heat flux [W / m <2>] at the laser diode is very high and that the air is very little heat conductor.
In the present device the evacuation of the heat of the laser diode bar is by the evaporation of a liquid with high latent heat of evaporation. The steam is then cooled, for example by Peltier effect elements, whose hot face is itself cooled for example by a stream of air. The vapor condenses on the cold face of the Peltier element and the liquid falls by gravitation on the hot part of the device. Another advantage of this device is that the evaporation temperature is constant at constant pressure.
The stabilization of the temperature of the laser diode can be achieved simply by controlling the cooling power of the Peltier elements to the pressure of the vapor inside the device.
It is also possible to obtain the return of the liquid cold faces to the hot surface by lining the inside of the cooler of a porous material. The return of the liquid is then by capillarity. The efficiency is less good, but the device can work in any position.
An embodiment of the device according to the invention is explained below in more detail and by way of example, with the aid of drawings in which:
<tb> Fig. 1 <sep> schematically represents a laser diode 1, the laser emission 2 and the power supply 3 & 4.
<tb> Fig. 2 <sep> shows the lower part of the cooling device seen from below. The diode bar 5 is sandwiched between two metal blocks 6 & 7. These blocks serve both as heat conductors and as electrodes for the supply of electric current. They are themselves fixed on the electrically insulating plate 8. The tube containing the coolant is partially represented at 9. The pressure sensor is represented at 10.
<tb> Fig. 3 <sep> shows a cut of the cooler. The liquid 13 contained in the sealed container 12 evaporates in contact with the hot surface 11 supporting the diode bar. The vapor thus produced condenses on the cold surfaces 14 of the container and falls to the bottom of the container. The surfaces 14 are cooled by the Peltier elements 15 and 16 whose hot sides are cooled by air, through the fins 17 and 18. The cooling is accelerated by a fan not shown here.
<tb> Fig. 4 <sep> represents the chiller seen from the front.
<tb> Fig. <Sep> represents the electronic diagram of the temperature controller of the laser diode bar. Knowing that, as a first approximation, the boiling temperature of a liquid is proportional to the pressure, the output voltage of the pressure sensor 20 is applied to the input + of the operational amplifier 24 via the resistor 22. The voltage is compared with the adjustable reference voltage 21 which is applied to the input - of the operational amplifier 24 via the resistor 23. The gain of this part of the regulation system is given by the ratio between the adjustable resistor 25, connected between the output of the operational amplifier 24 and its input - and the resistor 23.
The value of the resistor 23 is identical to that of the resistor 22 which serves to compensate for the leakage current of the operational amplifier 24. The output of the operational amplifier 24 directly drives the gate G of the transistor 26. The resistor 28 serves both of feedback to stabilize the operation of the transistor 26 and to limit the maximum current in case of runaway. The capacitor 29 introduces a time constant intended to avoid the oscillations of the system caused by the delay introduced into the control loop by the thermal inertia of the cooler.
When the temperature of the diode bar increases, the evaporation of the liquid increases, which increases the pressure inside the container.
Then the output voltage of the pressure sensor 20 increases, the voltage on the gate G of the transistor 26 rises and the current flowing through the Peltier elements 27 increases, ensuring greater cooling. More vapor condenses, which decreases the pressure inside the cooler and returns the boiling temperature to the set value defined by the value of the reference voltage 21.
For low power, the sealed container 12 can be replaced, according to FIG. 6 by a temperature equalization plate 30 and the pressure sensor 10 by a temperature sensor 31.