EP3129830A1 - Dispositif optique a retournement de photons - Google Patents

Dispositif optique a retournement de photons

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EP3129830A1
EP3129830A1 EP15714826.3A EP15714826A EP3129830A1 EP 3129830 A1 EP3129830 A1 EP 3129830A1 EP 15714826 A EP15714826 A EP 15714826A EP 3129830 A1 EP3129830 A1 EP 3129830A1
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EP
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photon
spectral band
dye
core
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Withdrawn
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EP15714826.3A
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Olivier BESIDA
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the technical field of the invention is that of optical devices with photon flipping.
  • One aspect of the present invention relates to a photon flipping optical device for converting an incident light flux into a quasi-monochromatic light beam.
  • the present invention finds particular application in the field of photovoltaic solar quantum concentrators.
  • Photonic crystal optical fibers also called “microstructured fibers” or “photonic bandgap fibers,” use a light confinement mechanism based on the periodicity of their index structure.
  • microstructured fibers also called “microstructured fibers” or “photonic bandgap fibers”
  • high index core fibers in which a sheath comprising a periodic arrangement of low index inclusions surrounds a defect, that is to say a lack of inclusion, which serves as a core;
  • low index core fibers in which a sheath comprising a periodic arrangement of high index inclusions surrounds a defect, that is to say a lack of inclusion, which serves as a core.
  • the confinement mechanism can therefore be likened to the guiding mechanism in a dielectric waveguide.
  • the periodic index structure of the micro-structured sheath leads to the formation of forbidden energy bands: thus, certain wavelengths can not propagate in the micro sheath. -struct lawe. Therefore, if we introduce into the structure a defect able to support a mode whose effective index is less than that of the heart and is in the forbidden band, the light will be confined in this defect.
  • the photonic crystal microstructure of the sheath will behave as a reflecting mirror for photons whose propagation directions are transverse to the axis of the fiber and whose wavelength belongs to the bandgap.
  • micro-structured fibers There are several types of micro-structured fibers:
  • the photonic crystal is obtained by the alternation of concentric quarter-wave layers of two materials of different indices, for example polymethyl methacrylate PMMA. on the one hand and polystyrene on the other.
  • the holes produce a band gap and can be arranged in a hexagonal network, "honeycomb", in a square network or in one or more concentric rings around the heart.
  • a fluorescent concentrator is typically made of PMMA and contains a fluorescent dye.
  • the fluorescent dye has an absorption spectral band and an emission spectral band.
  • a photon of wavelength A a belonging to the spectral absorption band of the dye reaches the concentrator and encounters a molecule of dye, it is absorbed by the said molecule and then reemitted at a wavelength A e belonging to to the spectral emission band of the dye.
  • the emission wavelength A e is greater than the absorption wavelength A a , which reflects the fact that the reemitted photon is of lower energy than the initially absorbed photon.
  • An optical device with photon flipping thus typically comprises a core zone, a flipping zone comprising a fluorescent reversal dye and a microstructured cladding zone.
  • the micro-structured cladding zone has an allowed spectral band and a forbidden spectral band.
  • the wavelength photons belonging to the allowed spectral band can propagate in the cladding region, whereas the wavelength photons belonging to the forbidden spectral band can not propagate in the cladding zone.
  • the fluorescent dye is chosen so that its absorption spectral band covers at least partially the authorized spectral band of the microstructured cladding zone, and that its emission spectral band covers at least partially the forbidden spectral band of the zone. micro-structured sheath.
  • a photon-turning optical device thus makes it possible to convert an incident light flux, picked up laterally by the microstructured cladding zone, into an almost monochromatic and anisotropic beam propagating in the core zone.
  • prior art photon flip optics have a low conversion efficiency of less than 10% for lightguide thicknesses greater than one millimeter.
  • the present invention makes it possible to solve this drawback by proposing an optical device with photon flipping having a better conversion efficiency.
  • One aspect of the invention thus relates to an optical device with photon flipping for the conversion of an incident light flux into a quasi-monochromatic light beam, the optical device comprising:
  • a sheath region comprising a photonic crystal microstructure, the photonic crystal microstructure having a spectral band allowed and a forbidden spectral band;
  • a turning zone comprising a fluorescent reversal dye having:
  • spectral band of fluorescence absorption covering at least partially the authorized spectral band of the photonic crystal microstructure
  • a fluorescence emission spectral band at least partially covering the forbidden spectral band of the photonic crystal microstructure
  • a core area arranged to allow the propagation of a monochromatic light beam having a wavelength belonging to the forbidden spectral band of the photonic crystal microstructure, the photonic crystal microstructure surrounding the core area;
  • the core area having a thickness E1 less than or equal to five times the wavelength of the maximum fluorescence emission of the fluorescent dye for inversion.
  • a quasi-monochromatic light beam means a beam of light having a spectral band whose width at half height is less than or equal to the minimum between the width at half height of the spectral band of light. emission of the fluorescent dye and the width at half height of the forbidden spectral band of the photonic crystal microstructure.
  • the half-height width of the spectral band of the quasi-monochromatic light beam is generally less than 100 nm, and often less than 50 nm.
  • photonic crystal microstructure surrounds the heart zone means that the photonic crystal microstructure partially or completely surrounds the heart zone.
  • photon flipping means that a light beam whose photons propagate substantially at least along a reference line is obtained from a multidirectional light flux, the photons of which propagate in multiple propagation directions. from space.
  • a device photon-reversing optics thus allows the change of direction, or in other words the reversal, of at least a portion of the photons of an initial multidirectional luminous flux.
  • the sheath region comprising a photonic crystal microstructure, called a "micro-structured sheath zone”
  • the allowed spectral band of the microstructured cladding zone at least partially covers the spectrum of the incident light flux.
  • the photons of the incident light flux whose wavelength belongs to the allowed spectral band of the micro-structured cladding zone can thus propagate through the microstructured cladding zone.
  • the fluorescent dye of the turnaround zone is chosen so that its fluorescence absorption spectral band covers at least partially the authorized spectral band of the microstructured cladding zone, and that its fluorescence emission spectral band covers at least partially the forbidden spectral band of the microstructured cladding zone.
  • photons whose wavelength belongs to both the allowed spectral band of the micro-structured cladding region and the fluorescence absorption spectral band of the fluorescence dye can propagate in the micro-cladding zone.
  • the core zone has a thickness E1 less than or equal to five times the wavelength of the maximum fluorescence emission of the fluorescent dye for reversal advantageously makes it possible to create a quantum effect at the heart of the phenomenon of photon flipping, and thus to provide a photon flipping optical device with improved conversion efficiency.
  • This quantum effect originates from the anisotropic inhibition of spontaneous deexcitation in the near field of the fluorescent dye, because of the electromagnetic interaction of the photonic crystal with the wave function of the photons reemitted by the fluorescent dye.
  • the said quantum effect characterizes the amplitude of the quantum interaction between the photonic crystal of the cladding zone and the fluorescent de-quenching of the fluorescent dye.
  • the intensity of this quantum effect is strongly influenced by the diameter of the central core of the fiber.
  • the diameter of the central core of the fiber is thus chosen to be lower, and advantageously five times smaller, than the value of the wavelength of the photons emitted, since said quantum effect takes place only in the near field.
  • the obtaining of said quantum effect is furthermore all the more favored as the quality factor of the waveguide formed by the core of the fiber is high.
  • a high quality factor of the waveguide formed by the heart of the fiber indeed favors the Purcell effect.
  • the Purcell effect enhances fluorescence by amplifying the fluorescence quantum yield of the dye, promoting radiative transitions to the detriment of non-radiative transitions.
  • the photonic crystal is advantageously the most efficient possible: it is on the one hand to increase radially the volume of the photonic crystal so that the photons can meet a large number of patterns within said photonic crystal, and on the other hand that the characteristic dimensions of said photonic crystal are very little dispersed - the dispersion of said characteristic dimensions is advantageously less than or equal to 5%.
  • the photon-reversing optical device according to the invention may have one or more additional characteristics among the following, considered individually or in any technically possible combination:
  • the authorized spectral band of the micro-structured sheath zone is advantageously the widest possible.
  • the allowed spectral band of the microstructured cladding area covers as much as possible of the spectrum of the incident light flux.
  • the authorized spectral band of the microstructured cladding zone is advantageously included in the fluorescence absorption spectral band of the reversal dye.
  • the wavelength photons belonging to the allowed spectral band of the sheath area micro-structured are also wavelengths belonging to the spectral band of fluorescence absorption of the reversal dye.
  • all the photons able to propagate in the micro-structured sheath zone are also likely to be absorbed by the reversal dye.
  • the overlap between the allowed spectral band of the microstructured cladding zone and the spectral absorption band of fluorescence of the reversal dye is advantageously maximum.
  • the spectral band of fluorescence emission of the reversal dye is advantageously included in the forbidden spectral band of the cladding zone.
  • the wavelength photons belonging to the fluorescence emission spectral band of the reversal dye are also of wavelength belonging to the forbidden spectral band of the cladding zone.
  • all the photons emitted by the reversal dye are likely to be guided by the heart zone.
  • the overlap between the spectral band of fluorescence emission of the reversal dye and the forbidden spectral band of the cladding zone is advantageously maximum.
  • the thickness E1 of the core zone is advantageously less than or equal to three times the wavelength of the fluorescence emission maximum of the fluorescent reversal dye.
  • the core zone is preferably of the dielectric waveguide type.
  • the turning zone has a thickness E2 such that:
  • the thickness E2 of the turning zone is chosen such that:
  • the turning zone is located in at least a portion of the duct zone.
  • the photon reversal zone is advantageously distinct from the propagation zone in the core zone.
  • the fluorescent reversal dye is located in the sheath area and causes no attenuation in the core area. It is thus possible in particular that the heart zone is air.
  • the turning zone is advantageously located in at least a portion of the core zone.
  • the coupling of photons propagating in the cladding region with the eigen modes propagating in the core zone is favored. It is then a question of choosing for the fluorescent reversal dye a sufficiently high optical density, at the wavelength of absorption, so that the reversal of the photons is effective, while being sufficiently weak, at the wavelength. emission, to allow a good propagation of the quasi-monochromatic beam.
  • the turning zone is located in at least a central portion of the core zone.
  • a high coupling is thus obtained between the electric dipole moment of the radiative transition of the fluorescence emission photons, and the eigen modes of the core zone of the device according to one aspect of the invention. Said coupling is even higher than said electric dipole moment is oriented perpendicular to the axis of propagation of the quasi-monochromatic beam in the core zone.
  • the turning zone is advantageously located in at least a portion of the cladding zone and in at least a portion of the core zone.
  • the coupling of the fluorescence emission photons to the eigen modes propagating in the core zone is facilitated, while making it possible to limit the optical density in the core zone, said optical density being able to penalize the propagation of the photons in the core zone. the heart zone.
  • the photon-turning optical device has an optical fiber geometry, the photon-reversing optical device extending along a reference axis and having a symmetry of revolution about said reference axis.
  • the core zone of the optical photon reversing device is substantially cylindrical and has a lateral surface of revolution.
  • the term "the core zone is surrounded by the photonic crystal microstructure of the sheath region" is then understood to mean that the microstructured cladding zone is in contact with the lateral surface of revolution of the core zone. Still according to this case, a thickness is measured in a radial direction relative to the reference axis.
  • Such a device with an optical fiber geometry advantageously makes it possible to facilitate the production of a multi-core device, using, for example, several different fluorescent reversal dyes.
  • such an optical fiber geometry allows the realization of a hollow core zone, using air as a propagating medium.
  • optical fibers have very precise manufacturing techniques that make it possible to obtain very small geometrical dispersions.
  • the optical photon reversing device has an optical film geometry, the optical photon reversing device extending along a reference plane and having a symmetry with respect to said reference plane.
  • the core area is a layer extending parallel to the reference plane, while the micro-structured sheath area has first and second regions extending parallel to the reference plane.
  • the term "the core area is surrounded by the photonic crystal microstructure of the sheath area” means that the core area is between the first and second regions of the sheath area.
  • the first and second regions of the cladding zone extend in contact with the core zone, respectively on either side of the core zone.
  • a thickness is measured in a direction perpendicular to the reference plane.
  • Such a device with an optical film geometry advantageously provides a larger photon collection area of the incident light flux than in the case of an optical fiber geometry.
  • existing rolling mill production techniques make it possible to produce large collection surfaces directly and quickly. It is nevertheless noted that to obtain collector surfaces of nanometric dimensions by rolling, several rolling steps are generally required.
  • the optical photon reversing device advantageously comprises a first conversion zone situated around the turning zone, the first conversion zone comprising a first conversion fluorescent dye having a fluorescence emission spectral band at least partially covering the spectral band. Fluorescence absorption of the fluorescent dye.
  • the first conversion fluorescent dye having a fluorescence emission spectral band at least partially covering the spectral band. Fluorescence absorption of the fluorescent dye.
  • the sum of the absorption spectral bands of the first conversion fluorescent dye and the fluorescent reversal dye covers the widest possible range of the solar spectrum.
  • the overlap between the fluorescence emission spectral band of the reversal dye and the spectral absorption band of The fluorescence of the reversal dye is advantageously maximum.
  • Another aspect of the invention relates to a multi-core photon flare optical device comprising:
  • a core zone comprising a plurality of photon-reversing optical devices according to one aspect of the invention
  • a multi-core photon-reversing optical device has an optimized total photon collecting surface.
  • the total photon collecting area of the multi-core photon flip optic device is the sum of the photon collecting surfaces of each photon flipping optical device.
  • the photon collecting surface of a photon flipping optical device is the surface of the core area of said photon flipping optical device.
  • Another aspect of the invention relates to a power generation device comprising:
  • At least one optical photon reversing device according to one aspect of the invention.
  • At least one photovoltaic cell arranged to be able to capture the quasi-monochromatic light beam emitted at the output of the at least one optical photon reversing device according to one aspect of the invention.
  • Such a power generation device advantageously makes it possible to significantly reduce, typically of the order of 100 times, the surface area of the photovoltaic semiconductor of the at least one photovoltaic cell used, compared with a device for producing electricity using a device. with photon flipping according to the prior art.
  • the optical device for reversing photons according to one aspect of the invention which is used in said power generation device, makes it possible to obtain a beam of light on the one hand more intense and on the other hand quasi -monochromatic at the wavelength corresponding to the maximum quantum efficiency of the photovoltaic semiconductor.
  • Such an electricity generating device also makes it possible to dispense with any system for monitoring the source of the incident light flux, that is to say, typically of the sun.
  • a photon-reversing optical device operates efficiently, regardless of the angle of incidence of the incident light flux with respect to the photon-reversing optical device.
  • Another aspect of the invention relates to a catalyst device comprising: at least one optical photon reversing device according to one aspect of the invention, and
  • At least one catalytic cell arranged to be able to capture the quasi-monochromatic light beam emitted at the output of the at least one photon flipping device.
  • Another aspect of the invention relates to a laser emission device comprising:
  • At least one optical photon reversing device according to one aspect of the invention.
  • At least one laser arranged to be able to capture the quasi-monochromatic light beam emitted at the output of the at least one photon flipping device.
  • FIG. 1 shows schematically a perspective view of a photon reversal optical device according to a first variant of a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a diagram of the propagation frequencies ⁇ permissible as a function of the wave vector k z , in a photonic crystal microstructure of a cladding zone of a photon-reversing optical device according to an embodiment of the invention. 'invention.
  • FIG. 3a schematically represents a sectional view of the photon-reversing optical device of FIG. 1.
  • FIG. 3b schematically represents a sectional view of an optical device with photon flipping according to a second variant of the first embodiment of the invention.
  • FIG. 3c schematically represents a sectional view of a photon-reversing optical device according to a third variant of the first embodiment of the invention.
  • FIG. 4a diagrammatically represents an optical device with a hexagonal section "Holey Fiber” type photon flipping device, and according to the third variant of the first embodiment of the invention.
  • FIG. 4b schematically represents an optical reversal device of the "Holey Fiber” type of photon, of hexagonal cut, and according to the first variant of the first embodiment of the invention.
  • FIG. 4c schematically represents a Bragg fiber type optical reversal device and according to the third variant of the first embodiment of the invention.
  • FIG. 4d schematically represents a cross-sectional view of a circular-type "Holey Fiber” type optical reversal device, and according to the third variant of the first embodiment of the invention.
  • FIG. 5a schematically represents a sectional view of an optical device with photon flipping according to the first variant of the first embodiment of the invention and comprising a first cascade of fluorescent dyes.
  • FIG. 5b schematically represents a sectional view of an optical device with photon flipping according to the first variant of the first embodiment of the invention and comprising a second cascade of fluorescent dyes.
  • FIG. 6a schematically represents a sectional view of an optical device with photon flipping according to a first variant of a second embodiment of the invention.
  • FIG. 6b schematically represents a sectional view of a photon-reversing optical device according to a second variant of the second embodiment of the invention.
  • FIG. 6c schematically represents a sectional view of an optical device with photon flipping according to a third variant of the second embodiment of the invention.
  • FIGS. 7a and 7b show first and second examples of multi-core fibers comprising a plurality of photon-reversing optical devices according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 8 shows a third example of a multi-core fiber having a core zone comprising a plurality of photon-reversing optical devices according to the first embodiment of the invention.
  • FIGS. 9a and 9b show first and second examples of multi-core fibers comprising a cascade of fluorescent conversion dyes.
  • FIG. 10a schematically illustrates a first example of a solar optical concentrator comprising an optical device with photon flipping according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 10b schematically illustrates a second example of a solar optical concentrator comprising an optical device with photon flipping according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 10c schematically illustrates a third example of a solar optical concentrator comprising an optical device with photon flipping according to one embodiment of the invention.
  • microstructure In the present description, the terms “microstructure”, “photonic crystal” and “photonic crystal microstructure” will be used interchangeably.
  • FIG. 1 schematically shows the operating principle of a photon-reversing optical device 10 according to a first variant of a first embodiment of the invention.
  • the optical photon reversing device 10 according to this first embodiment has an optical fiber geometry: the optical photon reversing device 10 extends along a reference axis A and has a symmetry of revolution about said reference axis A
  • An optical photon-reversing device according to a second embodiment of the invention having an optical film geometry will be described later.
  • the photon-reversing optical fiber 10, called “FORP fiber”, comprises:
  • a turning zone 12 comprising a fluorescent reversal dye
  • microstructured sheath zone 13 comprising a photonic crystal, the micro-structured sheath zone surrounding the core zone 11.
  • the turning zone 12 is in at least part of the sheath area micro-structured 13, said at least a portion being in contact with the heart zone 11 and surrounding the heart zone 11.
  • FIG 1 schematically shows a flow of incident photons Ph_i.
  • the incident photon flux Ph_i is typically polychromatic and multidirectional; it can for example be a solar radiation.
  • the incident photon flux Ph_i is polychromatic, it has by definition a broad spectrum. As an indication, the solar spectrum extends at ground level between 280 nm and 4000 nm.
  • the case of an incident photon flux Ph.sub.i is considered polychromatic; however, said incident photon flux Ph_i can be quite monochromatic or quasi-monochromatic.
  • the case of a multidirectional incident photon flux Ph.sub.i is more particularly considered, but said incident photon flux Ph.sub.i may quite well be unidirectional.
  • the photonic crystal of the microstructured cladding zone 13 has an allowed spectral band and a forbidden spectral band.
  • the incident photons Ph_i whose wavelength belongs to the allowed spectral band of the photonic crystal can propagate in the microstructured cladding zone 13.
  • the authorized spectral band of the photonic crystal is advantageously the largest possible. Thus, as much as possible incident photons Ph.sub.i are allowed to propagate in the microstructured cladding zone 13.
  • the fluorescent reversal dye of the reversal zone 12 has a fluorescence absorption spectral band and a fluorescence emission spectral band.
  • the spectral band of fluorescence emission is spectrally shifted towards the high wavelengths with respect to the fluorescence absorption spectral band: it is the Stokes displacement.
  • the reversal dye is thus capable of absorbing a photon of wavelength belonging to its fluorescence absorption spectral band and then of reemitting it at a higher wavelength belonging to its spectral band. fluorescence emission.
  • the re-emitted photon is of longer wavelength, therefore of smaller energy, than the initially absorbed photon.
  • the turning zone 12 is located in such a way that the incident photons Ph_i propagating in the microstructured cladding zone 13 can reach the turning zone 12.
  • the spectral absorption band of the reversal dye covers at least partially the allowed spectral band of the microstructured cladding zone 13.
  • the incident photons Ph_i propagating in the microstructured cladding zone 13 and whose wavelength belongs to the spectral absorption band of the reversal dye may be absorbed by the reversal dye and then re-emitted at a wavelength belonging to the emission spectral band of said reversal dye.
  • the spectral band of fluorescence emission at least partially covers the forbidden spectral band of the microstructured sheath zone 13.
  • the turning zone 12 is located in such a way that the photons reemitted by the reversal dye can reach the heart zone 1 1.
  • the core area 11 is furthermore arranged to allow the propagation of wavelength photons belonging to at least part of the forbidden spectral band of the microstructured sheath 13.
  • the photons reemitted by the reversal dye of the turning zone 12 can be guided in the core zone 1 1: it is the output photons Ph_s, represented in FIG. 1.
  • FIG. 2 shows a diagram of the propagation frequencies ⁇ allowed as a function of the wave vector k z , in the photonic crystal microstructure of the cladding region of a photon-reversing optical device according to an embodiment of the invention.
  • the wave vector k z is a vector perpendicular to the wavefront of a wave monochromatic, which indicates the direction of propagation of said monochromatic wave.
  • the diagram in Figure 2 thus shows:
  • Figure 2 also shows:
  • the absorption spectrum S_abs of the reversal dye partially covers the authorized spectral band B_aut.
  • the absorption spectrum S_abs of the reversal dye is included in the authorized spectral band B_aut. The absorption of photons by the reversal dye is therefore isotropic;
  • the emission spectrum S_em of the reversal dye completely covers the forbidden spectral band B_int.
  • the forbidden spectral band B_int is included in the emission spectrum S_em of the reversal dye.
  • the emission of photons by the reversal dye is therefore anisotropic. Indeed, the photons emitted by the reversal and wavelength dye belonging to the forbidden spectral band B_int can not propagate in the micro-structured sheath zone 13 which surrounds the core area 11. The photons emitted by the reversal dye can therefore only propagate in the heart zone 1 1.
  • the forbidden spectral band B_int is the most omnidirectional possible at the wavelength of the photons reemitted by the reversal dye.
  • the range of values of the wave vector k z prohibiting the propagation of said re-transmitted photons must be as wide as possible.
  • ⁇ be the emission angle of the photons re-emitted by the fluorescent reversal dye, ⁇ being measured with respect to the axis A of the FORP fiber 10. This angle of r is the formula:
  • a spectral band is completely forbidden at a given frequency, if there is no propagation mode for
  • the photonic crystal is thus selected so that its forbidden spectral band is the most extended in wave vector k z or in ⁇ ( ⁇ ), that is to say so that the solid angle ⁇ , corresponding to any the anisotropic zone of fluorescence deexcitation inhibition is as large as possible.
  • the reversal dye is therefore selected so that its emission spectrum at least partially covers the prohibited spectral band of the photonic crystal microstructure.
  • the quantum coupling between the fluorescent reversal dye and the photonic crystal microstructure must be as high as possible in order to contribute to promoting the efficiency of the phenomenon of photon flipping. This last condition is particularly related to the respective dimensions of the core area 1 1 and the turning area 12 of the FORP fiber, as we will explain later with reference to Figures 3a, 3b and 3c.
  • FIG. 3a schematically represents a sectional view of the FORP fiber 10 of FIG. 1, according to the first variant previously described in which the turning zone 12 is in at least a portion of the microstructured sheath zone 13.
  • FIG. 3b schematically represents a sectional view of a FORP fiber 10 according to a second variant of the first embodiment of the invention, in which the turning zone 12 is in at least a part of the core zone 1 1 and in at least a portion of the micro-structured sheath zone 13.
  • FIG. 3c schematically represents a sectional view of a FORP fiber 10 according to a third variant of the first embodiment of the invention, in which the turning zone 12 is located in at least a part of the core zone 1 1.
  • FIGS 3a, 3b and 3c show:
  • the core zone 11 is a solid cylinder of circular section and axis A.
  • the thickness E1 of the core zone 11 is then the diameter of said circular section.
  • the microstructured sheath zone 13 is a hollow cylinder of first annular section and axis A, in other words a tube, surrounding the core zone. 1 1.
  • the thickness E3 is then the thickness of the first annular section, measured radially with respect to the axis A.
  • the turning zone 12 has a thickness E2.
  • the turning zone 12 is a hollow cylinder of second annular section and axis A, in other words a tube.
  • the thickness E2 is then the thickness of the second annular section, measured radially with respect to the axis A.
  • the turning zone 12 is a hollow cylinder with a second annular section and axis A, in other words a tube, which surrounds the heart zone 1 1.
  • the thickness E2 of the zone 12 is less than or equal to the thickness E3 of the micro-structured sheath zone 13.
  • the core zone 11 may be either solid, that is to say filled with a solid material, for example polymer; is hollow, that is to say not filled with a solid material, and comprising for example air.
  • the turning zone 12 is at least partly in the core zone 1 1 and at least partly in the micro-structured sheath zone 13. The turning zone 12 is then :
  • the thickness E2 of the turning zone 12 is less than or equal to the sum of the radius of the core zone 11 and the thickness E3 of the microstructured sheath zone 13. In other words, the thickness E2 of the turning zone 12 is such that:
  • the turning zone 12 entirely covers the microstructured zone 13 and the core zone 11.
  • the core zone 11 is solid, that is to say filled with a solid material, for example polymer.
  • the turning zone 12 is at least partly in the heart zone 11. The turning zone 12 is then:
  • the thickness E2 of the turning zone 12 is smaller than the radius y of the core zone 11;
  • the thickness E2 of the turning area 12 is less than or equal to the diameter E1 of the core area 1 January.
  • the thickness E2 of the turning zone is equal to the diameter E1 of the core zone 11, the turning zone 12 completely covers the core zone 11, that is to say that the turning zone 12 and the heart zone 11 are merged.
  • the core area 1 1 is full, that is to say filled with a solid material, for example polymer.
  • the core zone 11 may have several consecutive segments, and in particular:
  • Such a core area January 1 having at least a first solid section and at least a second hollow section can be described as "semi-hollow”.
  • the core area 1 1 has a thickness E1 less than or equal to five times the wavelength of the maximum emission of fluorescence of the reversal dye.
  • the thickness E1 of the core area 1 1 is less than or equal to three times the wavelength of the maximum fluorescence emission of the dye reversal.
  • the turning zone 12 advantageously has a thickness E2 such that:
  • the thus favored quantum coupling ensures an inhibition of the fluorescence dexcitation out of the axis of the FORP fiber 10 and forces the fluorescence deexcitation in the axis of the FORP fiber 10.
  • the optimization of this quantum coupling thus contributes to the obtaining an output photon flux Ph_s at the output of the FORP fiber 10 significantly greater than in the case of a conventional fiber.
  • the conversion efficiency of a FORP fiber 10 according to the first embodiment of the invention is thus significantly greater than that of a conventional fiber: it is greater than 80% of the length maximum absorption wave of the fluorescent dye reversal, while it is only of the order of 10% in the devices of the prior art.
  • the fluorescent reversal dye may comprise organic fluorescent molecules, or alternatively mineral chromophores such as rare earths - for example lanthanide complexes - or oxides, or quantum dots - for example lead sulphide PbS, with an absorption maximum at 650 nm and a maximum emission at 850 nm.
  • mineral chromophores such as rare earths - for example lanthanide complexes - or oxides, or quantum dots - for example lead sulphide PbS, with an absorption maximum at 650 nm and a maximum emission at 850 nm.
  • quantum-dots In the case of the use of quantum-dots, the latter are typically diluted in a polymer.
  • the fluorescent reversal dye may for example be chosen from the following list:
  • rhodamine 6G having an absorption maximum at 529 nm and a maximum emission at 551 nm;
  • rhodamine 123 having an absorption maximum at 550 nm and a maximum emission at 560 nm
  • rhodamine 101 having an absorption maximum at 568 nm absorption and a maximum emission at 600 nm
  • styril 15 having an absorption maximum at 651 nm and an emission maximum at 880 nm;
  • fluorescein having an absorption maximum at 500 nm and a maximum emission at 540 nm;
  • rhodamine B having an absorption maximum at 542 nm and a maximum emission at 565 nm;
  • sulforhodamine 101 having an absorption maximum at 576 nm and a maximum emission at 591 nm;
  • cresyl violet having an absorption maximum at 603 nm and a maximum emission at 623 nm;
  • rhodamine 800 having an absorption maximum at 682 nm and a maximum emission at 800 nm;
  • oxazine 170 having an absorption maximum at 613 nm and a maximum emission at 640 nm.
  • FIG. 4a schematically represents a FORP 10 fiber of hexagonal cut and of "Holey Fiber” type, according to the third variant of the first embodiment of the invention.
  • the microstructured cladding zone 13 is formed of a material, for example a polymer, having an optical index greater than 1 and comprising a plurality of holes 14.
  • the holes 14 are typically filled with air, with an optical index equal to 1.
  • the plurality of holes 14 is arranged in a hexagonal network "honeycomb”.
  • the plurality of holes 14 is the microstructure of the sheath zone 13.
  • the core zone 11 is surrounded by the plurality of holes 14.
  • the quality of the photonic crystal is directly related to its thickness and to the number of patterns seen by the photons .
  • the core zone 11 is formed of a material, for example a polymer, in which is implanted fluorescent dye, for example by doping.
  • the turning zone 12 is therefore in the heart zone 11.
  • FIG. 4b schematically represents a FORP 10 fiber of hexagonal cut and of "Holey Fiber” type, according to the first variant of the first embodiment of the invention.
  • the turning zone 12 comprising the fluorescent dye is this time in the microstructured sheath zone 13, around the core zone 11.
  • the core area 1 1 is hollow.
  • the fluorescent dye is typically implanted into the material of the micro-structured cladding zone 13 by doping.
  • FIG. 4c diagrammatically represents a FORP fiber 10 of circular section and of Bragg fiber type, according to the third variant of the first embodiment of the invention.
  • the microstructured sheath zone 13 is formed of an alternation of first layers 15 and second concentric quarter-wave layers 16 of two different index materials.
  • the first and second layers 15 and 16 are typically made of polymer, for example chosen from the following list:
  • Titanium dioxide powder may optionally be added to the polymer used, which has the advantage of increasing its refractive index while allowing it to absorb UV radiation.
  • the core zone 11 is formed of a material, for example a polymer, in which the fluorescent dye is implanted, for example by doping.
  • the turning zone 12 is therefore in the heart zone 11.
  • FIG. 4d diagrammatically represents a FORP fiber 10 of circular cut and of "Holey Fiber" type, according to the third variant of the first embodiment of the invention.
  • the plurality of holes 14 of the microstructured sheath zone 13 is this time arranged in a ring around the heart zone 11.
  • FIG. 5a schematically represents a sectional view of a photon-reversing optical device according to the first variant of the first embodiment of the invention, that is to say of a FORP fiber 10, which comprises a first C1 conversion zone comprising a first conversion fluorescent dye.
  • the first conversion zone C1 is a hollow cylinder of annular section and axis A, in other words a tube.
  • the first conversion fluorescent dye is typically implanted in the first conversion zone C1 by doping.
  • the first conversion zone C1 surrounds the micro-structured sheath zone 13.
  • the first conversion zone C1 may be at least partially in the micro-structured sheath zone 13.
  • the first conversion dye of the first conversion zone C1 has an absorption spectral band at least partially covering the spectrum of the incident photon flux Ph_i, and an emission spectral band covering at least partially the absorption spectral band;
  • the flow of incident photons Ph_i being typically solar radiation
  • the first conversion dye will advantageously have an absorption spectral band covering the widest possible range of the solar spectrum.
  • the overlap between the spectral absorption band of the first conversion dye and the spectrum of the incident photon flux Ph_i is advantageously maximum.
  • the part of the incident photons Ph_i whose wavelength belongs to the absorption spectral band of the first conversion dye may be absorbed by said first conversion dye.
  • the first conversion dye is then capable of reemitting, by fluorescent de-excitation, at least a portion of the absorbed photons, at least a portion of the re-emitted photons having a wavelength belonging to the spectral absorption band of the fluorescent reversal dye.
  • the overlap between the emission spectral band of the first conversion dye and the spectral absorption band of the reversal dye is advantageously maximum.
  • the reversal dye of the turning zone 12 is capable of absorbing:
  • the first conversion dye of the first conversion zone C1 therefore advantageously makes it possible to increase the quantity of incident photons Ph_i resulting from an incident light flux that the reversal dye of the reversal zone 12 will be able to absorb.
  • the first fluorescent conversion dye and the fluorescent reversal dye are said to form a cascade of fluorescent dyes.
  • the first conversion zone C1 has been described in the particular case of a fiber FORP 10 according to the first variant of the first embodiment, but it is naturally compatible with any other variant of the first embodiment, and in particular with the second and third variants of the first embodiment.
  • a cascade of fluorescent conversion dyes comprising, besides the reversal dye, a single conversion dye, but it is naturally possible to use a larger number of conversion dyes.
  • FIG. 5b schematically represents a sectional view of a photon-reversing optical device according to the first variant of the first embodiment of the invention, that is to say a FORP fiber 10, which comprises:
  • the first conversion zone C1 comprising the first fluorescent conversion dye
  • a second conversion zone C2 comprising a second fluorescent conversion dye
  • a third conversion zone C3 comprising a third fluorescent conversion dye
  • a fourth C4 conversion zone comprising a fourth conversion fluorescent dye.
  • the second, third and fourth conversion zones C2, C3 and C4 are, as is the first conversion zone C1, hollow cylinders of annular section and of axis A, in other words tubes.
  • the second, third and fourth conversion dyes are typically respectively implanted in the second, third and fourth conversion zones C2, C3 and C4 by doping.
  • the second conversion zone C2 surrounds the first conversion zone C1;
  • the third conversion zone C3 surrounds the second conversion zone C2 and the fourth conversion zone C4 surrounds the third conversion zone C3.
  • the first, second, third and fourth conversion zones C1, C2, C3 and C4 surround the micro-structured sheath zone 13.
  • the micro-structured sheath zone 13 may comprise at least a part of the assembly formed by the first, second, third and fourth conversion zones C1, C2, C3 and C4.
  • the first, second, third and fourth conversion dyes form with the reversal dye a cascade of fluorescent dyes whose operation is as follows:
  • the fourth conversion dye of the fourth conversion zone C4 has an absorption spectral band at least partially covering the spectrum of the incident photon flux Ph_i.
  • the part of the incident photons Ph_i whose wavelength belongs to the absorption spectral band of the fourth conversion dye, can be absorbed by said fourth conversion dye and then re-emitted at a wavelength belonging to the spectral band of emission of the fourth conversion dye.
  • the overlap between the spectral absorption band of the fourth conversion dye and the incident photon flux spectrum Ph_i is advantageously maximum.
  • the third conversion dye of the third C3 conversion zone is chosen so that its absorption spectral band overlaps at least partially the emission spectral band of the fourth conversion dye.
  • the third conversion dye is capable of absorbing:
  • the third conversion dye can then re-emit by fluorescent de-excitation at least a portion of the absorbed photons, at a higher wavelength belonging to its fluorescence emission band.
  • the overlap between the emission spectral band of the fourth conversion dye and the absorption spectral band of the third conversion dye is advantageously maximum.
  • the second conversion dye of the second conversion zone C2 is chosen so that its absorption spectral band covers at least partially the emission spectral band of the third conversion dye.
  • the second conversion dye is then capable of absorbing not only the part of the incident photons Ph_i whose wavelength belongs to its absorption spectral band, but also the photons reemitted by the third conversion dye.
  • the overlap between the emission spectral band of the third conversion dye and the absorption spectral band of the second conversion dye is advantageously maximum.
  • the first conversion dye of the first conversion zone C1 is chosen this time so that its absorption spectral band covers at least partially the emission spectral band of the second dye of conversion, and that its emission spectral band overlaps at least partially with the absorption spectral band of the fluorescent dye reversal of the reversal zone 12.
  • the first conversion dye can then absorb the photon portion of the incident flux whose wavelength belongs to its absorption spectral band, as well as photons reemitted by fluorescence deexcitation by the second dye.
  • the first conversion dye can then re-emit by fluorescent de-excitation at least a portion of the absorbed photons, at least a portion of the re-emitted photons having a wavelength belonging to the spectral absorption band of the fluorescent dye for inversion.
  • the overlap between the emission spectral band of the second conversion dye and the absorption spectral band of the first conversion dye is advantageously maximum.
  • the overlap between the emission spectral band of the first conversion dye and the spectral absorption band of the reversal dye is advantageously maximum.
  • the sum of the absorption spectral bands of the fluorescent conversion dye (s) and the fluorescent reversal dye forming the absorption spectral band of the fluorescent dye cascade covers the widest possible range of the spectrum solar. It is noted that the solar spectrum extends at ground level between 280 nm and 4000 nm.
  • the fluorescent dye (s) for conversion may for example be: rhodamine 6G, rhodamine 123, rhodamine 101, styril 15, coumarin 30, coumarin 6 , fluorescein, rhodamine B, sulforhodamine 101, cresyl violet, rhodamine 800 or oxazine 170.
  • a FORP fiber 10 according to the first embodiment of the invention may also comprise:
  • the antireflection layer preferably surrounds the micro-structured cladding zone 13 or, where appropriate, the outermost conversion zone of the cascade of fluorescent dyes.
  • the UV protective layer preferentially surrounds, where appropriate, the antireflection layer.
  • the protective layer against mechanical aggression preferentially surrounds, where appropriate, the UV protective layer.
  • the UV protective layer is able to absorb ultraviolet photons.
  • the anti-UV protective layer may advantageously be fluorescent and absorb wavelength photons belonging to the range [280 nm-400 nm] to retransmit them at wavelengths greater than 400 nm. Indeed, photons of wavelength lower than 400 nm are likely to degrade the optical properties of polymeric materials typically used in the production of FORP fibers 10, as well as to contribute to the photolysis and destruction of the fluorescent reversal dye and / or, where appropriate, at least one fluorescent conversion dye, particularly if it is is an organic fluorescent dye.
  • the anti-reflective protective layer may for example be made of PMMA, ethylene-vinyl acetate EVA or polyvinyl butyral PVB.
  • titanium dioxide beta-carboline, 4-hydroxy-methylcoumarin
  • POPOP also called “1,4-bis (5-phenyloxazol-2-yl) benzene ")
  • bis-MSB also referred to as” 1,4-bis (2-methylstyryl) benzol “
  • BBO barium borate p-terphenyl or biphenyl.
  • the protective layer against mechanical aggression can be made of PVB or EVA.
  • the photon-reversing optical device 30 according to this second embodiment has a photon-reversing optical film geometry FORP: the photon-reversing optical device 30 extends along a reference plane P and has a symmetry with respect to said reference plane P.
  • Figures 6a, 6b and 6c are jointly described. Figures 6a, 6b and 6c show a FORP film 30 comprising:
  • the core zone 31 extending along the reference plane P, the core zone 31 being for example formed of a polymeric material;
  • a turning zone 32 comprising a fluorescent dye flipping and extending parallel to the reference plane P;
  • a microstructured sheath zone 33 comprising a first region 33-1 and a second region 33-2 arranged on either side of the core zone 31.
  • the first and second regions 33-1 and 33-2 of the Micro-structured sheath 33 may for example each comprise a Bragg stack, that is to say an alternation of quarter-wave layers of two materials of different indices, for example polymethyl methacrylate PMMA on the one hand and polystyrene on the other hand.
  • the core zone 31 has a thickness E1 measured perpendicularly to the reference plane P.
  • the first and second regions 33-1 and 33-2 of the microstructured sheath zone 33 each have a thickness E3 measured perpendicular to the reference plane P
  • Figure 6a schematically shows a sectional view, along a sectional plane perpendicular to the reference plane P, of a FORP film 30 according to a first variant of the second embodiment.
  • the first variant of the second embodiment is similar to the first variant of the first embodiment, previously described in connection with FIG. 3a.
  • the turning zone 32 is in at least a portion of the microstructured sheath zone 33.
  • the turning zone 32 thus has:
  • first region 32-1 located in at least a portion of the first region 33-1 of the microstructured cladding zone 33 and in contact with the core zone 31, and
  • a second region 32-2 located in at least a portion of the second region 33-2 of the micro-structured sheath zone 33 and in contact with the core zone 31.
  • the first and second regions 32-1 and 32-2 of the turnaround zone 32 each have a thickness E2, measured perpendicular to the reference plane P, which is less than or equal to the thickness E3 of the first and second regions 33-1. and 33-2 of the micro-structured cladding zone 33.
  • the thickness E2 of the first and second regions 32-1 and 32-2 of the turning zone 32 is equal to the thickness E3 of the first and second regions 33 1 and 33-2 of the microstructured sheath zone 33
  • the turning zone 32 is merged with the microstructured sheath zone 33.
  • FIG. 6b schematically represents a sectional view, along a section plane perpendicular to the reference plane P, of a FORP film 30 according to a second variant of the second embodiment.
  • the second variant of the second embodiment is similar to the second variant of the first embodiment, previously described in connection with Figure 3b.
  • the turning zone 32 is in at least a portion of the microstructured sheath zone 33 and in at least a portion of the core zone 31.
  • the turning zone 32 has the following:
  • first region 32-1 located in at least a portion of the first region 33-1 of the micro-structured cladding zone 33 and in at least a portion of the core zone 31, and
  • a second region 32-2 located in at least a portion of the second region 33-2 of the microstructured sheath zone 33 and in at least a portion of the core zone 31.
  • the first and second regions 32-1 and 32-2 of the turning zone 32 each having a thickness E2, measured perpendicular to the reference plane P, such that:
  • FIG. 6c schematically represents a sectional view, along a section plane perpendicular to the reference plane P, of a FORP film 30 according to a third variant of the second embodiment.
  • the third variant of the second embodiment is similar to the third variant of the first embodiment, previously described in connection with FIG. 3c.
  • the turning zone 32 is in at least a part of the core zone 31.
  • the zone of turnaround 32 may thus have a single region, located in at least a portion of the core zone 31 and having a thickness E2, measured perpendicular to the reference plane P, which is less than or equal to the thickness E1 of the core zone 31.
  • the thickness E2 of the turning zone 32 is equal to the thickness E1 of the core zone 31, the turning zone 32 coincides with the core zone 31.
  • the turning zone 32 may have:
  • a second region 32-2 located in a part of the core zone 31 and in contact with the second region 33-2 of the microstructured cladding zone 33.
  • the first and second regions 32-1 and 32-2 of the turning zone 32 each have a thickness E2, measured
  • the core zone 31 is solid, that is to say filled with a solid material, for example polymer.
  • the geometry and the dimensions of the core zone 31 and the turning zone 32 of FIG. on the one hand, and the properties of the reversal dye and the photonic crystal on the other hand are chosen to contribute to a high quantum coupling between the fluorescent reversal dye and the photonic crystal, in the forbidden spectral band.
  • the thickness E1 of the core zone 31 is less than or equal to five times the wavelength of the maximum of fluorescence emission of the reversal dye.
  • the thickness E1 of the heart zone 1 1 is less than or equal to three times the wavelength of the maximum fluorescence emission of the reversal dye.
  • the thickness E2 of the turning zone 32 or, where appropriate, the first and second regions 32-1 and 32-2 of the turning zone 32 is advantageously such that:
  • a FORP film 30 according to any one of the variants of the second embodiment of the invention may advantageously comprise one or more additional characteristics among the following, considered individually or in any technically possible combination:
  • the film FORP 30 comprises at least one conversion zone comprising a conversion dye, said conversion dye forming a cascade of fluorescent dyes with the reversal dye of the turning zone 32.
  • the operating principle of such a dye Fluorescent dyes has previously been described in the case of the first embodiment, in connection with Figures 5a and 5b.
  • the conversion zone of the FORP film 30 has first and second regions which extend parallel to the reference plane P, on either side of the first and second regions 33-1 and 33-2 of the micro-cladding zone. 33, or alternatively in at least a portion of the first and second regions 33-1 and 33-2 of the microstructured cladding zone 33.
  • the FORP film 30 comprises an antireflection layer as previously described in the case of the first embodiment, preferably surrounding the microstructured cladding zone 33 or, where appropriate, the outermost conversion zone of the cascade of fluorescent dyes.
  • the antireflection layer has first and second regions which extend parallel to the reference plane P, on either side of the first and second regions. second regions 33-1 and 33-2 of the micro-structured cladding zone 33 or, where appropriate, on either side of the first and second regions of the outermost conversion zone of the cascade of fluorescent dyes.
  • the film FORP 30 comprises a UV-protective layer as previously described in the case of the first embodiment, preferentially surrounding, where appropriate, the antireflection layer.
  • the UV protective layer has first and second regions which extend parallel to the reference plane P, on either side, if necessary, of the first and second regions of the invention. the antireflection layer.
  • the FORP film 30 comprises a protective layer against mechanical aggressions as described previously in the case of the first embodiment, preferentially surrounding, where appropriate, the UV protective layer.
  • the protective layer against mechanical aggression has first and second regions which extend parallel to the reference plane P, on either side, if necessary, of the first and second regions. the UV protective layer.
  • FORP fibers 10 may be used to produce a multi-core FORP fiber;
  • FIGS. 7a and 7b show first and second examples of multi-core FORP fibers 20, comprising a plurality of FORP 10 fibers according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 7a shows a first example of a multi-core FORP fiber 20, the core zone 21 of which comprises a plurality of FORP fibers 10.
  • the core zone 21 of the multi-core FORP fiber 20 comprises seven FORP 10 fibers of the "Holey Fiber" type, described in particular in FIG. 4d, arranged along a hexagonal network.
  • the multi-core FORP fiber 20 has a sheath zone 23 which surrounds the plurality of FORP fibers 10 of the core zone 21.
  • FIG. 7b shows a second example of multi-core FORP fiber 20, whose core area 21 comprises seven Bragg fiber-type FORP 10 fibers, described in particular in FIG. 4c and arranged along a hexagonal network.
  • a multi-core FORP fiber 20 has a greater efficiency than the simple sum of the efficiencies of each FORP fiber 10.
  • Such a multi-core FORP fiber device 20 thus has more extensive structural coherence effects than in a FORP fiber. This results in stronger containment and a higher quality factor.
  • FIGS. 7a and 7b illustrate examples of multi-core FORP fibers 20, whose core areas 21 each comprise seven FORP fibers 10.
  • the core zone 21 of a multi-core FORP fiber 20 may advantageously have a core zone 21 comprising a number of FORP fibers. on the order of a thousand, or a million.
  • FIG. 8 shows a third example of a multi-core FORP fiber 20, comprising a sheath zone 23 surrounding a core zone 21 comprising nine FORP fibers 10 according to the first embodiment.
  • Each of the said nine FORP fibers 10 is, in the particular example shown in FIG. 7, of the "Holey Fiber" type, more particularly described above in connection with FIG. 4a.
  • the particular advantage of this third example of multi-core FORP fiber 20 resides in the fact that several different fluorescent reversal dyes are used in the respective turning areas of the FORP 10 fibers. Said fluorescent reversal dyes are advantageously chosen so that the sum of their respective absorption spectral bands covers the greatest width. spectral possible, while overlapping as little as possible.
  • a multi-core FORP fiber 20 according to this third example advantageously has a higher incident photon capture efficiency Ph_i.
  • Ph_i incident photon capture efficiency
  • first, second and third fibers FORP 1 0-1, 1 0-2 and 1 0-3 whose turning zone comprises a first reversal dye
  • fourth and fifth FORP 10-4 and 10-5 fibers the turning zone of which includes a second reversal dye, distinct from the first reversal dye;
  • sixth and seventh FORP fibers 10-6 and 1 0-7 whose turning zone comprises a third reversal dye, distinct from the first and second reversal dyes;
  • the eighth and ninth FORP 1 0-8 and 1 0-9 fibers whose reversal zone comprises a fourth reversal dye, distinct from the first, second and third reversal dyes.
  • a multi-core photon reversing optical device such as a multi-core FORP fiber or a multi-core FORP film, may advantageously comprise one or more additional characteristics from among the following, taken individually or in any technically possible combination:
  • the multi-core photon-reversing optical device comprises at least one conversion zone comprising a conversion dye, said conversion dye forming a cascade of fluorescent dyes with the reversal dye of each FORP fiber 10 or FORP film 30 of said multi-core device.
  • the operating principle of such a cacade of fluorescent dyes has previously been described.
  • the conversion zone preferentially surrounds the cladding zone of the multi-core device, or alternatively lies in at least a part of the zone of sheath of the multi-core device.
  • the multi-core photon-reversing optical device comprises an antireflection layer as described above, preferably surrounding the cladding zone or, where appropriate, the outermost conversion zone of the fluorescent dye cascade.
  • the multi-core photon-reversing optical device comprises an anti-UV protective layer as previously described, preferentially surrounding, where appropriate, the antireflection layer.
  • the multi-core photon-reversing optical device comprises a protective layer against mechanical aggressions as previously described, preferentially surrounding, where appropriate, the UV protective layer.
  • FIGS. 9a and 9b respectively show a first example of a multi-core FORP fiber 20, as described in particular in FIG. 7a, and a second example of a multi-core FORP fiber 20, such as described in particular in Figure 7b, further comprising:
  • a first conversion zone 22 comprising a first conversion fluorescent dye
  • a second conversion zone 23 comprising a second fluorescent conversion dye
  • a third conversion zone 24 comprising a third fluorescent conversion dye
  • a fourth conversion zone comprising a fourth fluorescent conversion dye
  • a protective layer 26 antireflection and anti-UV.
  • the fourth conversion zone 25 surrounds the third conversion zone 24.
  • the third conversion zone 24 surrounds the second conversion zone 23.
  • the second conversion zone 23 surrounds the first conversion zone 22.
  • the set of conversion zones 22 , 23, 24 and 25 can either surround the area sheath 23, that is to be partially or completely in the sheath zone 23.
  • the protective layer 26 antireflection and anti-UV surrounds the fourth conversion zone 25. In the case where the fourth conversion zone 25 is in the sheath zone. 23, the protective layer 26 anti-reflective and anti-UV surrounds the sheath area 23.
  • An order of magnitude of the dimensions of a multi-core FORP fiber 20 may for example be the following:
  • the sheath zone 23 possibly comprising one or more conversion zones of a cascade of fluorescent conversion dyes: of the order of 50 ⁇ , ie a cumulated diameter for the core zone and the sheath zone 23 of the order of 500 ⁇ ;
  • the thickness of the antireflective and anti-UV protective layer of the order of 30 ⁇ , ie a cumulative diameter for the core zone, the sheath zone 23 and the antireflection and anti-UV protective layer of the order of 30 ⁇ ; 560 ⁇ ;
  • thickness of the protective layer against possible mechanical aggression of the order of 20 ⁇ , ie a cumulative diameter for the core zone, the sheath zone 23, the antireflection and anti-UV protective layer and the protective layer against mechanical attacks of the order of 600 ⁇ .
  • solar optical concentrators comprising at least one optical photon reversing device, such as a FORP fiber 10 according to the first embodiment or a FORP film 30 according to the second embodiment.
  • a solar optical concentrator comprises:
  • At least one optical device with photon flipping that is to say for example at least one FORP fiber 10 or at least one FORP film 30;
  • a solar optical concentrator may advantageously comprise one or more additional characteristics among the following, considered individually or in any technically possible combination:
  • a reflective film for example made of aluminized polymer.
  • the reflective film advantageously makes it possible to increase the collection efficiency of the incident photons. Indeed, in the case where an incident photon has passed through the at least one photon reversal device without interacting with a fluorescent dye reversal, this incident photon can be reflected by the reflective film and thus obtain a new possibility of being captured , converted and guided by said at least one photon flipping device;
  • a protective screen advantageously protecting the solar optical concentrator against mechanical aggressions and / or against ultraviolet radiation
  • the chassis advantageously makes it possible to increase the robustness of the solar optical concentrator, and to facilitate the mechanical implantation of the various elements of the solar optical concentrator during its manufacture.
  • FIG. 10a schematically illustrates a first example of a solar optical concentrator 40 comprising a FORP fiber 10.
  • the solar optical concentrator 40 further comprises first and second photovoltaic cells CE arranged on either side of the FORP fiber 10.
  • Figure 10a shows a source S of polychromatic and multidirectional light; this source S is typically the sun.
  • the source S emits a polychromatic R radiation whose spectrum is for example between 400 nm and 800 nm. This radiation R is shown in Figure 10a for a given angle of incidence.
  • the FORP fiber 10 laterally captures at least a portion of the polychromatic and multidirectional R radiation in its area of micro-structured sheath 13.
  • the FORP fiber 1 0 converts in its turning area 12 at least a portion of the radiation R captured in a F quasi-monochromatic flow and unidirectional, along the axis of the optical fiber FORP.
  • the FORP fiber 10 guides the flow F in its heart zone 11.
  • FIG. 10b schematically illustrates a second example of a solar optical concentrator 40 comprising a plurality of FORP fibers 10, forming a first carpet T1 of first FORP fibers 1 0.
  • the first carpet T1 extends parallel to a first plane P1.
  • the first FORP fibers 1 0 extend along a first axis A1.
  • the solar optical concentrator of FIG. 10b further comprises first and second sets of photovoltaic cells Ce, forming first and second photovoltaic lines L1 and L2.
  • the first and second photovoltaic lines L1 and L2 are arranged on either side of the first belt T1, perpendicular to the first axis A1, so as to be able to capture and convert into electricity the light flux emitted by the first FORP fibers 1 0.
  • FIG. 10c schematically illustrates an exploded view of a third example of a solar optical concentrator 40 comprising first and second mats T1 and T2 of FORP fibers 10. More specifically, the solar optical concentrator 40 comprises a chassis 43 extending in the first plane P1, and a reflecting film 41 extending on the frame 43.
  • the first carpet T1 of first fibers FORP 10 extends over the reflecting film 41 and a second carpet T2 of second fibers FORP 10 extends on the first carpet T1.
  • the first FORP fibers 1 0 of the first belt T1 extend parallel to the first axis A1.
  • the second FORP fibers 1 0 of the second carpet T2 extend parallel to a second axis A2 substantially perpendicular to the first axis A1.
  • the solar optical concentrator 40 according to the third example illustrated in FIG. 10c comprises first, second, third and fourth photovoltaic lines L1, L2, L3 and L4, each photovoltaic line comprising at least one photovoltaic cell Ce.
  • the first and second photovoltaic lines L1 and L2 are intended to receive photons emitted by the first FORP fibers 10 of the first carpet T1.
  • the first and second photovoltaic lines L1 and L2 are advantageously arranged on either side of the first belt T1, along an axis substantially perpendicular to the first axis A1.
  • the first and second lines T1 and T2 may for example extend over the frame 43. It will be possible to use first and second prisms P1 and P2 to help guide photons emitted by the first FORP fibers of the first mat T1, respectively to the first and second photovoltaic lines L1 and L2.
  • the third and fourth photovoltaic lines L3 and L4 are intended to receive photons emitted by the second FORP fibers 10 of the second carpet T2.
  • the third and fourth photovoltaic lines L3 and L4 are advantageously arranged on either side of the second carpet T2, along an axis substantially perpendicular to the second axis A2.
  • the third and fourth lines T3 and T4 may, for example, extend over the frame 43.
  • Third and fourth prisms P3 and P4 may be used to help guide photons emitted by the second FORP fibers of the second mat T2, respectively to the third and fourth photovoltaic lines L3 and L4.
  • a protective screen 42 may advantageously extend over the second carpet T2.
  • each of the first and second mats T1 and T2 extends parallel to the first plane P1.
  • the first and second mats T1 and T2 of FORP fibers may respectively extend in a curved plane.
  • first FORP fibers of the first carpet T1 are arranged substantially perpendicularly to the second FORP fibers of the second carpet T2.
  • the angle between the axis of the first FORP fibers of the first carpet T1 on the one hand, and the axis of the second FORP fibers of the second carpet T2 on the other hand may more generally be between 0 ° and 360 °.
  • At least one multi-core fiber 20 in a solar optical concentrator 40, and for example at least one multi-core fiber mat 20.
  • at least one multi-core film can be used. heart in a solar optical concentrator 40.
  • the photovoltaic cells are chosen as well as their maximum photovoltaic effect quantum efficiency range coincides with the wavelength of the photons emitted at the output of the optical photon flipping device.
  • the photovoltaic cells Ce can typically be made from a semiconductor material.
  • the photovoltaic cells are then chosen so that the forbidden spectral bandwidth of said semiconductor material is different from the wavelength of the photons emitted at the output of the optical photon reversing device.
  • the solar optical concentrator 40 comprises several optical devices with photon flipping, respectively comprising different fluorescent dyes reversal and respectively remission of photons belonging to different ranges of wavelength.
  • a different type of photovoltaic cells Ce for example made from different semiconductor materials, chosen to optimize the capture of the photons belonging to said range of wave length.
  • the photovoltaic cells may be multi-junction semiconductor cells.
  • the photovoltaic cells may be multi-junction semiconductor cells.
  • several photon beams of different wavelengths can be effectively captured by a single type of photovoltaic cell.
  • This possibility is particularly interesting in the case of a solar optical concentrator 40 comprising:
  • a photon-reversing optical device may advantageously be used to concentrate an incident light flux, for example solar radiation, on the following devices:
  • a catalytic cell for example a hydrogenation cell by catalysis, in particular in order to synthesize fuels such as hydrogen, or hydrocarbons such as alkanes or alcohols;

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Abstract

L'invention concerne un dispositif optique à retournement de photons pour la conversion d'un flux de lumière incident en un faisceau de lumière quasi-monochromatique, le dispositif optique comportant : - une zone de gaine comprenant une microstructure à cristal photonique, la microstructure à cristal photonique présentant une bande spectrale autorisée et une bande spectrale interdite; - une zone de retournement comprenant un colorant fluorescent de retournement présentant : o une bande spectrale d'absorption de fluorescence recouvrant au moins partiellement la bande spectrale autorisée de la microstructure à cristal photonique, et o une bande spectrale d'émission de fluorescence recouvrant au moins partiellement la bande spectrale interdite de la microstructure à cristal photonique; - une zone de cœur agencée pour permettre la propagation d'un faisceau de lumière monochromatique ayant une longueur d'onde appartenant à la bande spectrale interdite de la microstructure à cristal photonique, la zone de cœur étant entourée par la microstructure à cristal photonique de la zone de gaine; la zone de cœur présentant une épaisseur E1 inférieure ou égale à cinq fois la longueur d'onde du maximum d'émission de fluorescence du colorant fluorescent de retournement.

Description

DISPOSITIF OPTIQUE A RETOURNEMENT DE PHOTONS
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
Le domaine technique de l'invention est celui des dispositifs optiques à retournement de photons. Un aspect de la présente invention concerne un dispositif optique à retournement de photons pour la conversion d'un flux de lumière incident en un faisceau de lumière quasi-monochromatique. La présente invention trouve notamment une application dans le domaine des concentrateurs quantiques solaires photovoltaïques.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION
Les fibres optiques à cristaux photoniques, également appelées « fibres micro- structurées » ou « fibres à bandes interdites photoniques », utilisent un mécanisme de confinement de la lumière reposant sur la périodicité de leur structure d'indice. On distingue principalement deux types de fibres micro- structurées :
- les fibres à cœur de haut indice, dans lesquelles une gaine comprenant un agencement périodique d'inclusions de bas indice entoure un défaut, c'est- à-dire une absence d'inclusion, qui sert de cœur ;
- les fibres à cœur de bas indice, dans lesquelles une gaine comprenant un agencement périodique d'inclusions de haut indice entoure un défaut, c'est- à-dire une absence d'inclusion, qui sert de cœur.
Dans le premier cas des fibres à cœur de haut indice, il est possible d'assimiler l'indice de la gaine micro-structurée à un indice moyen qui est inférieur à l'indice du cœur. Le mécanisme de confinement peut donc être assimilé au mécanisme de guidage dans un guide d'onde diélectrique.
Dans le deuxième cas des fibres à cœur de bas indice, la structure périodique d'indice de la gaine micro-structurée conduit à la formation de bandes interdites d'énergie : ainsi, certaines longueurs d'onde ne peuvent se propager dans la gaine micro-structurée. Dès lors, si l'on introduit dans la structure un défaut pouvant supporter un mode dont l'indice effectif est inférieur à celui du cœur et se trouve dans la bande interdite, la lumière se trouvera confinée dans ce défaut. Autrement dit, la microstructure à cristal photonique de la gaine se comportera comme un miroir réfléchissant pour les photons dont les directions de propagation sont transverses par rapport à l'axe de la fibre et dont la longueur d'onde appartient à la bande interdite.
Il existe plusieurs types de fibres micro-structurées :
- Dans le cas d'une fibre micro-structurée de type fibre de Bragg, le cristal photonique est obtenu par l'alternance de couches concentriques de type quart d'onde de deux matériaux d'indices différents, par exemple du polyméthacrylate de méthyle PMMA d'une part et du polystyrène d'autre part.
- Dans le cas d'une fibre micro-structurée de type « Holey Fiber », des trous tubulaires parallèles à l'axe de la fibre, remplis d'air, c'est-à-dire d'indice optique égal à 1 , entourent le cœur de la fibre, tandis que le reste de la matrice de la fibre est formé d'un matériau, par exemple polymère, d'indice optique supérieur à 1 . Les trous produisent une bande interdite et peuvent être agencés suivant un réseau hexagonal, « en nid d'abeille », suivant un réseau carré ou suivant un ou plusieurs anneaux concentriques autour du cœur.
Par ailleurs, des concentrateurs fluorescents sont notamment développés dans le domaine de la recherche en énergie solaire afin d'améliorer l'efficacité de cellules solaires. Un concentrateur fluorescent est typiquement réalisé en PMMA et contient un colorant fluorescent. Le colorant fluorescent présente une bande spectrale d'absorption et une bande spectrale d'émission. Lorsqu'un photon, de longueur d'onde Aa appartenant à la bande spectrale d'absorption du colorant, atteint le concentrateur et rencontre une molécule de colorant, il est absorbé par ladite molécule puis réémis à une longueur d'onde Ae appartenant à la bande spectrale d'émission du colorant. La longueur d'onde d'émission Ae est plus grande que la longueur d'onde d'absorption Aa, ce qui traduit le fait que le photon réémis est de plus faible énergie que le photon initialement absorbé. Le domaine des dispositifs optiques à retournement de photons s'appuie sur les deux domaines qui viennent d'être évoqués, c'est-à-dire les fibres optiques à cristaux photoniques et les concentrateurs fluorescents. Un dispositif optique à retournement de photons comporte ainsi typiquement une zone de cœur, une zone retournement comprenant un colorant fluorescent de retournement et une zone de gaine micro-structurée.
La zone de gaine micro-structurée présente une bande spectrale autorisée et une bande spectrale interdite. Les photons de longueur d'onde appartenant à la bande spectrale autorisée peuvent se propager dans la zone de gaine, tandis que les photons de longueur d'onde appartenant à la bande spectrale interdite ne peuvent pas se propager dans la zone de gaine.
Le colorant fluorescent est choisi de manière que sa bande spectrale d'absorption recouvre au moins partiellement la bande spectrale autorisée de la zone de gaine micro-structurée, et que sa bande spectrale d'émission recouvre au moins partiellement la bande spectrale interdite de la zone de gaine micro-structurée.
Un dispositif optique à retournement de photons permet ainsi de convertir un flux lumineux incident, capté latéralement par la zone de gaine micro-structurée, en un faisceau quasi monochromatique et anisotrope se propageant dans la zone de cœur. Toutefois, les dispositifs optiques à retournement de photons de l'art antérieur ne présentent qu'un faible rendement de conversion, inférieur à 10% pour des épaisseurs de guide de lumière supérieures au millimètre.
RESUME DE L'INVENTION
La présente invention permet de résoudre cet inconvénient, en proposant un dispositif optique à retournement de photons présentant un meilleur rendement de conversion.
Un aspect de l'invention concerne ainsi un dispositif optique à retournement de photons pour la conversion d'un flux de lumière incident en un faisceau de lumière quasi-monochromatique, le dispositif optique comportant :
- une zone de gaine comprenant une microstructure à cristal photonique, la microstructure à cristal photonique présentant une bande spectrale autorisée et une bande spectrale interdite ;
une zone de retournement comprenant un colorant fluorescent de retournement présentant :
o une bande spectrale d'absorption de fluorescence recouvrant au moins partiellement la bande spectrale autorisée de la microstructure à cristal photonique, et
o une bande spectrale d'émission de fluorescence recouvrant au moins partiellement la bande spectrale interdite de la microstructure à cristal photonique ;
une zone de cœur agencée pour permettre la propagation d'un faisceau de lumière monochromatique ayant une longueur d'onde appartenant à la bande spectrale interdite de la microstructure à cristal photonique, la microstructure à cristal photonique entourant la zone de cœur ;
la zone de cœur présentant une épaisseur E1 inférieure ou égale à cinq fois la longueur d'onde du maximum d'émission de fluorescence du colorant fluorescent de retournement.
Dans la présente description, on entend par « un faisceau de lumière quasi- monochromatique » un faisceau de lumière présentant une bande spectrale dont la largeur à mi-hauteur est inférieure ou égale au minimum entre la largeur à mi- hauteur de la bande spectrale d'émission du colorant fluorescent et la largeur à mi-hauteur de la bande spectrale interdite de la microstructure à cristal photonique. A titre d'exemple, la largeur à mi-hauteur de la bande spectrale du faisceau de lumière quasi-monochromatique est généralement inférieure à 100 nm, et souvent inférieure à 50 nm.
On entend par « la microstructure à cristal photonique entoure la zone de cœur » le fait que la microstructure à cristal photonique entoure partiellement ou complètement la zone de cœur.
On entend par « retournement de photons » le fait qu'un faisceau lumineux dont les photons se propagent sensiblement au moins suivant une droite de référence est obtenu à partir d'un flux lumineux multidirectionnel, dont les photons se propagent suivant de multiples directions de propagation de l'espace. Un dispositif optique à retournement de photons permet donc le changement de direction, ou autrement dit le retournement, d'au moins une partie des photons d'un flux lumineux multidirectionnel initial. Grâce à l'invention, on utilise la zone de gaine comprenant une microstructure à cristal photonique, dite « zone de gaine micro-structurée », afin de capter un flux de lumière incident. La bande spectrale autorisée de la zone de gaine micro- structurée recouvre au moins partiellement le spectre du flux de lumière incident. Les photons du flux de lumière incident dont la longueur d'onde appartient à la bande spectrale autorisée de la zone de gaine micro-structurée peuvent ainsi se propager à travers la zone de gaine micro-structurée. Le colorant fluorescent de la zone de retournement est choisi afin que sa bande spectrale d'absorption de fluorescence recouvre au moins partiellement la bande spectrale autorisée de la zone de gaine micro-structurée, et que sa bande spectrale d'émission de fluorescence recouvre au moins partiellement la bande spectrale interdite de la zone de gaine micro-structurée. Ainsi, les photons dont la longueur d'onde appartient à la fois à la bande spectrale autorisée de la zone de gaine micro- structurée et à la bande spectrale d'absorption de fluorescence du colorant de fluorescence peuvent se propager dans la zone de gaine micro-structurée et atteindre la zone de retournement, être absorbés par le colorant fluorescent puis être réémis par le colorant fluorescent à une longueur d'onde appartenant à la fois à la bande spectrale d'émission de fluorescence du colorant de fluorescence et à la bande spectrale interdite de la zone de gaine micro-structurée. Le fait que la zone de cœur présente une épaisseur E1 inférieure ou égale à cinq fois la longueur d'onde du maximum d'émission de fluorescence du colorant fluorescent de retournement permet avantageusement de créer un effet quantique au cœur du phénomène de retournement de photons, et de proposer ainsi un dispositif optique à retournement de photons avec un rendement de conversion amélioré. Cet effet quantique a en effet pour origine l'inhibition anisotrope de désexcitation spontanée en champ proche du colorant fluorescent, à cause de l'interaction électromagnétique du cristal photonique avec la fonction d'onde des photons réémis par le colorant fluorescent. Ledit effet quantique caractérise l'amplitude de l'interaction quantique entre le cristal photonique de la zone de gaine et la désexcitation fluorescente du colorant fluorescent. L'intensité de cet effet quantique est fortement influencée par le diamètre du cœur central de la fibre. Le diamètre du cœur central de la fibre est ainsi choisi inférieur, et avantageusement cinq fois inférieur, à la valeur de la longueur d'onde des photons émis, car ledit effet quantique n'a lieu qu'en champ proche. L'obtention dudit effet quantique est en outre d'autant plus favorisée que le facteur de qualité du guide d'onde formé par le cœur de la fibre est élevé. Un facteur élevé de qualité du guide d'onde formé par le cœur de la fibre favorise en effet l'effet Purcell. L'effet Purcell exalte la fluorescence en amplifiant le rendement quantique de fluorescence du colorant, en favorisant les transitions radiatives au détriment des transitions non radiatives. Pour cela, le cristal photonique est avantageusement le plus efficient possible : il s'agit d'une part d'augmenter radialement le volume du cristal photonique pour que les photons puissent rencontrer un grand nombre de motifs au sein dudit cristal photonique, et d'autre part que les dimensions caractéristiques dudit cristal photonique soient très peu dispersées - la dispersion desdites dimensions caractéristiques est avantageusement inférieure ou égale à 5%.
Outre les caractéristiques qui viennent d'être évoquées dans le paragraphe précédent, le dispositif optique à retournement de photons selon l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- La bande spectrale autorisée de la zone de gaine micro-structurée est avantageusement la plus large possible. Ainsi, la bande spectrale autorisée de la zone de gaine micro-structurée recouvre une partie la plus grande possible du spectre du flux de lumière incident.
- La bande spectrale autorisée de la zone de gaine micro-structurée est avantageusement comprise dans la bande spectrale d'absorption de fluorescence du colorant de retournement. Ainsi, les photons de longueur d'onde appartenant à la bande spectrale autorisée de la zone de gaine micro-structurée sont également de longueur d'onde appartenant à la bande spectrale d'absorption de fluorescence du colorant de retournement. Autrement dit, tous les photons aptes à se propager dans la zone de gaine micro-structurée sont également susceptibles d'être absorbés par le colorant de retournement. D'une manière générale, le recouvrement entre la bande spectrale autorisée de la zone de gaine micro-structurée et la bande spectrale d'absorption de fluorescence du colorant de retournement est avantageusement maximum.
La bande spectrale d'émission de fluorescence du colorant de retournement est avantageusement comprise dans la bande spectrale interdite de la zone de gaine. Ainsi, les photons de longueur d'onde appartenant à la bande spectrale d'émission de fluorescence du colorant de retournement sont également de longueur d'onde appartenant à la bande spectrale interdite de la zone de gaine. Autrement dit, tous les photons émis par le colorant de retournement sont susceptibles d'être guidés par la zone de cœur. D'une manière générale, le recouvrement entre la bande spectrale d'émission de fluorescence du colorant de retournement et la bande spectrale interdite de la zone de gaine est avantageusement maximum.
- L'épaisseur E1 de la zone de cœur est avantageusement inférieure ou égale à trois fois la longueur d'onde du maximum d'émission de fluorescence du colorant fluorescent de retournement. On contribue ainsi à favoriser l'effet quantique à l'origine du phénomène de retournement de photons afin de proposer un dispositif optique à retournement de photons avec un rendement de conversion optimisé. La zone de cœur est préférentiellement de type guide d'onde diélectrique. - La zone de retournement présente une épaisseur E2 telle que :
E2 <——
4 * n
avec λΕ la longueur d'onde du maximum d'émission de fluorescence du colorant fluorescent de retournement et n l'indice de réfraction de la zone de retournement. On contribue ainsi à favoriser l'effet quantique à l'origine du phénomène de retournement de photons afin de proposer un dispositif optique à retournement de photons avec un rendement de conversion optimisé. Avantageusement, l'épaisseur E2 de la zone de retournement est choisie telle que :
E2 <
8 * n
La zone de retournement est située dans au moins une partie de la zone de gaine. Ainsi, la zone de retournement de photons est avantageusement distincte de la zone de propagation dans la zone de cœur. De ce fait, le colorant fluorescent de retournement est localisé dans la zone de gaine et n'entraîne aucune atténuation dans la zone de cœur. On permet ainsi notamment que la zone de cœur soit de l'air.
La zone de retournement est avantageusement située dans au moins une partie de la zone de cœur. Ainsi, on favorise le couplage des photons se propageant dans la zone de gaine aux modes propres se propageant dans la zone de cœur. Il s'agit alors de choisir pour le colorant fluorescent de retournement une densité optique suffisamment élevée, à la longueur d'onde d'absorption, pour que le retournement des photons soit efficace, tout en étant suffisamment faible, à la longueur d'onde d'émission, pour permettre une bonne propagation du faisceau quasi-monochromatique.
Avantageusement, la zone de retournement est située dans au moins une partie centrale de la zone de cœur. On obtient ainsi un couplage élevé entre le moment dipolaire électrique de la transition radiative des photons d'émission de fluorescence, et les modes propres de la zone de cœur du dispositif selon un aspect de l'invention. Ledit couplage est d'autant plus élevé que ledit moment dipolaire électrique est orienté perpendiculairement à l'axe de propagation du faisceau quasi-monochromatique dans la zone de cœur. La zone de retournement est avantageusement située dans au moins une partie de la zone de gaine et dans au moins une partie de la zone de cœur. Ainsi, le couplage des photons d'émission de fluorescence aux modes propres se propageant dans la zone de cœur est facilité, tout en permettant de limiter la densité optique dans la zone de cœur, ladite densité optique étant susceptible de pénaliser la propagation des photons dans la zone de cœur.
Le dispositif optique à retournement de photons présente une géométrie de fibre optique, le dispositif optique à retournement de photons s'étendant suivant un axe de référence et présentant une symétrie de révolution autour dudit axe de référence.
Dans ce cas, la zone de cœur du dispositif optique à retournement de photons est sensiblement cylindrique et présente une surface latérale de révolution. On entend alors par « la zone de cœur est entourée par la microstructure à cristal photonique de la zone de gaine » le fait que la zone de gaine micro-structurée est au contact de la surface latérale de révolution de la zone de cœur. Toujours selon ce cas, une épaisseur est mesurée selon une direction radiale par rapport à l'axe de référence.
Un tel dispositif avec une géométrie de fibre optique permet avantageusement de faciliter la réalisation d'un dispositif multi-cœur, utilisant par exemple plusieurs colorants fluorescents de retournement différents. En outre, une telle géométrie de fibre optique permet la réalisation d'une zone de cœur creuse, utilisant de l'air comme milieu propagatif. Enfin, on dispose pour les fibres optiques de techniques de fabrication très précises, permettant d'obtenir de très faibles dispersions géométriques.
Alternativement, le dispositif optique à retournement de photons présente une géométrie de film optique, le dispositif optique à retournement de photons s'étendant suivant un plan de référence et présentant une symétrie par rapport audit plan de référence.
Dans ce cas, la zone de cœur est une couche s'étendant parallèlement au plan de référence, tandis que la zone de gaine micro-structurée présente des première et deuxième régions s'étendant parallèlement au plan de référence. On entend par « la zone de cœur est entourée par la microstructure à cristal photonique de la zone de gaine » le fait que la zone de cœur est comprise entre les première et deuxième régions de la zone de gaine. Autrement dit, les première et deuxième régions de la zone de gaine s'étendent au contact de la zone de cœur, respectivement de part et d'autre de la zone de cœur. Toujours selon ce cas, une épaisseur est mesurée suivant une direction perpendiculaire au plan de référence.
Un tel dispositif avec une géométrie de film optique offre avantageusement une surface de collecte des photons du flux de lumière incident plus importante que dans le cas d'une géométrie de fibre optique. Par ailleurs, les techniques existantes de production par laminage permettent de produire directement et rapidement de grandes surfaces de collection. On note tout de même que pour obtenir des surfaces de collection de dimensions nanométriques par laminage, plusieurs étapes de laminage sont généralement requises.
Le dispositif optique à retournement de photons comporte avantageusement une première zone de conversion située autour de la zone de retournement, la première zone de conversion comprenant un premier colorant fluorescent de conversion présentant une bande spectrale d'émission de fluorescence recouvrant au moins partiellement la bande spectrale d'absorption de fluorescence du colorant fluorescent de retournement. Ainsi, on permet avantageusement l'augmentation de la quantité de photons incidents, issus du flux de lumière incident, que le colorant de retournement de la zone de retournement va pouvoir absorber. De manière avantageuse, la somme des bandes spectrales d'absorption du premier colorant fluorescent de conversion et du colorant fluorescent de retournement couvre la plus large plage possible du spectre solaire. Le recouvrement entre la bande spectrale d'émission de fluorescence du colorant de retournement et la bande spectrale d'absorption de fluorescence du colorant de retournement est avantageusement maximum.
Un autre aspect de l'invention concerne un dispositif optique à retournement de photons multi-cœur comportant :
- une zone de cœur comportant une pluralité de dispositifs optiques à retournement de photons selon un aspect de l'invention, et
- une zone de gaine entourant la zone de cœur.
Ainsi, on contribue avantageusement à optimiser la collection des photons incidents. Un dispositif optique à retournement de photons multi-cœur présente en effet une surface totale collectrice de photons optimisée. La surface totale collectrice de photons du dispositif optique à retournement de photons multi-cœur est la somme des surfaces collectrices de photons de chaque dispositif optique à retournement de photons. La surface collectrice de photons d'un dispositif optique à retournement de photons est la surface de la zone de cœur dudit dispositif optique à retournement de photons.
Un autre aspect de l'invention concerne un dispositif de production d'électricité comportant :
- au moins un dispositif optique à retournement de photons selon un aspect de l'invention, et
- au moins une cellule photovoltaïque agencée pour pouvoir capter le faisceau de lumière quasi-monochromatique émis en sortie du au moins un dispositif optique à retournement de photons selon un aspect de l'invention. Un tel dispositif de production d'électricité permet avantageusement de réduire significativement, typiquement de l'ordre de 100 fois, la surface du semiconducteur photovoltaïque de la au moins une cellule photovoltaïque utilisée, par rapport à un dispositif de production d'électricité utilisant un dispositif à retournement de photons selon l'art antérieur. En effet, le dispositif optique à retournement de photons selon un aspect de l'invention, qui est utilisé dans ledit dispositif de production d'électricité, permet d'obtenir un faisceau de lumière d'une part plus intense et d'autre part quasi-monochromatique à la longueur d'onde correspondant au maximum d'efficacité quantique du semiconducteur photovoltaïque.
Un tel dispositif de production d'électricité permet également de s'affranchir de tout système de suivi de la source du flux de lumière incident, c'est-à-dire typiquement du soleil. En effet, un dispositif optique à retournement de photons selon un aspect de l'invention fonctionne efficacement, indépendamment de l'angle d'incidence du flux de lumière incident par rapport au dispositif optique à retournement de photons. Un autre aspect de l'invention concerne un dispositif de catalyse comportant : au moins un dispositif optique à retournement de photons selon un aspect de l'invention, et
- au moins une cellule catalytique agencée pour pouvoir capter le faisceau de lumière quasi-monochromatique émis en sortie du au moins un dispositif à retournement de photons.
Un autre aspect de l'invention concerne un dispositif d'émission laser comportant :
- au moins un dispositif optique à retournement de photons selon un aspect de l'invention, et
- au moins un laser agencé pour pouvoir capter le faisceau de lumière quasi- monochromatique émis en sortie du au moins un dispositif à retournement de photons.
L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention.
- La figure 1 représente schématiquement une vue en perspective d'un dispositif optique à retournement de photons selon une première variante d'un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 2 montre un diagramme des fréquences ω de propagation permises en fonction du vecteur d'onde kz, dans une microstructure à cristal photonique d'une zone de gaine d'un dispositif optique à retournement de photons selon un mode de réalisation de l'invention.
La figure 3a représente schématiquement une vue en coupe du dispositif optique à retournement de photons de la figure 1 .
La figure 3b représente schématiquement une vue en coupe d'un dispositif optique à retournement de photons selon une deuxième variante du premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 3c représente schématiquement une vue en coupe d'un dispositif optique à retournement de photons selon une troisième variante du premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 4a représente schématiquement un dispositif optique à retournement de photons de type « Holey Fiber », de coupe hexagonale, et selon la troisième variante du premier mode de réalisation de l'invention. La figure 4b représente schématiquement un dispositif optique à retournement de photons de type « Holey Fiber », de coupe hexagonale, et selon la première variante du premier mode de réalisation de l'invention. La figure 4c représente schématiquement un dispositif optique à retournement de photons de type fibre de Bragg et selon la troisième variante du premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 4d représente schématiquement une vue en coupe d'un dispositif optique à retournement de photons de type « Holey Fiber », de coupe circulaire, et selon la troisième variante du premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 5a représente schématiquement une vue en coupe d'un dispositif optique à retournement de photons selon la première variante du premier mode de réalisation de l'invention et comportant une première cascade de colorants fluorescents.
La figure 5b représente schématiquement une vue en coupe d'un dispositif optique à retournement de photons selon la première variante du premier mode de réalisation de l'invention et comportant une deuxième cascade de colorants fluorescents.
La figure 6a représente schématiquement une vue en coupe d'un dispositif optique à retournement de photons selon une première variante d'un deuxième mode de réalisation de l'invention.
La figure 6b représente schématiquement une vue en coupe d'un dispositif optique à retournement de photons selon une deuxième variante du deuxième mode de réalisation de l'invention.
La figure 6c représente schématiquement une vue en coupe d'un dispositif optique à retournement de photons selon une troisième variante du deuxième mode de réalisation de l'invention.
Les figures 7a et 7b montrent des premier et deuxième exemples de fibres multi-cœur comportant une pluralité de dispositifs optiques à retournement de photons selon le premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 8 montre un troisième exemple d'une fibre multi-cœur ayant une zone de cœur comportant une pluralité de dispositifs optiques à retournement de photons selon le premier mode de réalisation de l'invention.
Les figures 9a et 9b montrent des premier et deuxième exemples de fibres multi-cœur comportant une cascade de colorants fluorescents de conversion.
La figure 10a illustre schématiquement un premier exemple d'un concentrateur optique solaire comportant un dispositif optique à retournement de photons selon un mode de réalisation de l'invention.
La figure 10b illustre schématiquement un deuxième exemple d'un concentrateur optique solaire comportant un dispositif optique à retournement de photons selon un mode de réalisation de l'invention.
La figure 10c illustre schématiquement un troisième exemple d'un concentrateur optique solaire comportant un dispositif optique à retournement de photons selon un mode de réalisation de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION
Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.
Dans la présente description, on emploiera indifféremment les termes « microstructure », « cristal photonique » et « microstructure à cristal photonique ».
Dans la présente description, on emploiera indifféremment les termes « colorant », « colorant fluorescent » et « colorant de fluorescence ».
Dans la présente description, on emploiera indifféremment les termes « bande spectrale d'absorption de fluorescence » et « bande spectrale d'absorption ». De la même manière, on emploiera indifféremment les termes « bande spectrale d'émission de fluorescence » et « bande spectrale d'émission ». La figure 1 montre schématiquement le principe de fonctionnement d'un dispositif optique à retournement de photons 10 selon une première variante d'un premier mode de réalisation de l'invention. Le dispositif optique à retournement de photons 10 selon ce premier mode de réalisation présente une géométrie de fibre optique : le dispositif optique à retournement de photons 10 s'étend suivant un axe de référence A et présente une symétrie de révolution autour dudit axe de référence A. Un dispositif optique à retournement de photons selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, présentant une géométrie de film optique, sera ultérieurement décrit.
La fibre optique à retournement de photons 10, dite « fibre FORP », comporte :
- une zone de cœur 1 1 ,
- une zone de retournement 12 comportant un colorant fluorescent de retournement, et
- une zone de gaine micro-structurée 13 comportant un cristal photonique, la zone de gaine micro-structurée entourant la zone de cœur 1 1 .
Selon la première variante du premier mode de réalisation de l'invention, la zone de retournement 12 se trouve dans au moins une partie de la zone de gaine micro-structurée 13, ladite au moins une partie étant au contact de la zone de cœur 1 1 et entourant la zone de cœur 1 1 .
La figure 1 montre schématiquement un flux de photons incidents Ph_i. Le flux de photons incidents Ph_i est typiquement polychromatique et multidirectionnel ; il peut par exemple s'agir d'un rayonnement solaire. Dans le cas où le flux de photons incidents Ph_i est polychromatique, il présente par définition un large spectre.. A titre d'indication, le spectre solaire s'étend au niveau du sol entre 280 nm et 4000 nm. On considère plus particulièrement dans la suite de cette description le cas d'un flux de photons incidents Ph_i polychromatique ; toutefois, ledit flux de photons incidents Ph_i peut tout à fait être monochromatique ou quasi-monochromatique. De même, on considère plus particulièrement dans la suite de cette description le cas d'un flux de photons incidents Ph_i multidirectionnel, mais ledit flux de photons incidents Ph_i peut tout à fait être unidirectionnel. Le cristal photonique de la zone de gaine micro-structurée 13 présente une bande spectrale autorisée et une bande spectrale interdite. Les photons incidents Ph_i dont la longueur d'onde appartient à la bande spectrale autorisée du cristal photonique peuvent se propager dans la zone de gaine micro- structurée 13. La bande spectrale autorisée du cristal photonique est avantageusement la plus grande possible. Ainsi, on permet à la plus grande partie possible des photons incidents Ph_i de se propager dans la zone de gaine micro- structurée 13.
Le colorant fluorescent de retournement de la zone de retournement 12 présente une bande spectrale d'absorption de fluorescence et une bande spectrale d'émission de fluorescence. La bande spectrale d'émission de fluorescence est spectralement décalée vers les hautes longueurs d'onde par rapport à la bande spectrale d'absorption de fluorescence : il s'agit du déplacement de Stokes. Le colorant de retournement est ainsi apte à absorber un photon de longueur d'onde appartenant à sa bande spectrale d'absorption de fluorescence, puis à le réémettre à une longueur d'onde supérieure appartenant à sa bande spectrale d'émission de fluorescence. Le photon réémis est de plus grande longueur d'onde, donc de plus petite énergie, que le photon initialement absorbé.
La zone de retournement 12 est située de telle manière que les photons incidents Ph_i se propageant dans la zone de gaine micro-structurée 13 peuvent atteindre la zone de retournement 12. Dans le même temps, la bande spectrale d'absorption du colorant de retournement recouvre au moins partiellement la bande spectrale autorisée de la zone de gaine micro-structurée 13. Ainsi, les photons incidents Ph_i se propageant dans la zone de gaine micro-structurée 13 et dont la longueur d'onde appartient à la bande spectrale d'absorption du colorant de retournement peuvent être absorbés par le colorant de retournement, puis réémis à une longueur d'onde appartenant à la bande spectrale d'émission dudit colorant de retournement. La bande spectrale d'émission de fluorescence recouvre au moins partiellement la bande spectrale interdite de la zone de gaine micro-structurée 13. Dans le même temps, la zone de retournement 12 est située de telle manière que les photons réémis par le colorant de retournement peuvent atteindre la zone de cœur 1 1 . La zone de cœur 1 1 est en outre agencée pour permettre la propagation de photons de longueur d'onde appartenant à au moins une partie de la bande spectrale interdite de la gaine micro-structurée 13. Ainsi, au moins une partie des photons réémis par le colorant de retournement de la zone de retournement 12 peut être guidée dans la zone de cœur 1 1 : il s'agit des photons de sortie Ph_s, représentés à la figure 1 .
La figure 2 montre un diagramme des fréquences ω de propagation permises en fonction du vecteur d'onde kz, dans la microstructure à cristal photonique de la zone de gaine d'un dispositif optique à retournement de photons selon un mode de réalisation de l'invention. Dans la suite, on prend l'exemple particulier d'une fibre FORP 10 selon le premier mode de réalisation de l'invention. Le vecteur d'onde kz est un vecteur perpendiculaire au front d'onde d'une onde monochromatique, qui indique la direction de propagation de ladite onde monochromatique. Le diagramme de la figure 2 fait ainsi apparaître :
- la bande spectrale autorisée B_aut de la microstructure à cristal photonique de la zone de gaine micro-structurée 13 de la fibre FORP 10, et
- la bande spectrale interdite B_int de la microstructure à cristal photonique de la zone de gaine micro-structurée 13 de la fibre FORP 10.
Il existe des modes de propagation photonique dans la bande spectrale autorisée B_aut. Au contraire, il n'existe aucun mode de propagation photonique dans la bande spectrale interdite B_int.
La figure 2 montre également :
- le spectre d'absorption S_abs du colorant de retournement de la zone de retournement 12 de la fibre FORP 10, et
- le spectre d'émission S_em du colorant de retournement de la zone de retournement 12 de la fibre FORP 10.
Le diagramme de la figure 2 montre ainsi que :
- le spectre d'absorption S_abs du colorant de retournement recouvre partiellement la bande spectrale autorisée B_aut. Dans le cas particulier de la figure 2, le spectre d'absorption S_abs du colorant de retournement est compris dans la bande spectrale autorisée B_aut. L'absorption de photons par le colorant de retournement est donc isotrope ;
- le spectre d'émission S_em du colorant de retournement recouvre complètement la bande spectrale interdite B_int. Dans le cas particulier de la figure 2, la bande spectrale interdite B_int est comprise dans le spectre d'émission S_em du colorant de retournement. L'émission de photons par le colorant de retournement est donc anisotrope. En effet, les photons émis par le colorant de retournement et de longueur d'onde appartenant à la bande spectrale interdite B_int ne peuvent pas se propager dans la zone de gaine micro-structurée 13 qui entoure la zone de cœur 1 1 . Les photons émis par le colorant de retournement ne peuvent donc que se propager dans la zone de cœur 1 1 .
De manière avantageuse, la bande spectrale interdite B_int est la plus omnidirectionnelle possible à la longueur d'onde des photons réémis par le colorant de retournement. Autrement dit, pour une fréquence donnée, la plage des valeurs du vecteur d'onde kz interdisant la propagation desdits photons réémis doit être la plus large possible. Soit β l'angle d'émission des photons réémis par le colorant fluorescent de retournement, β étant mesuré par rapport à l'axe A de la fibre FORP 10. Cet angle d' r la formule :
avec c la vitesse de propagation de la lumière, v la fréquence des photons réémis et nc l'indice optique dans la zone de cœur de la fibre FORP.
Une bande spectrale est complètement interdite à une fréquence donnée, s'il n'existe aucun mode de propagation pour |cos /?| appartenant à l'intervalle [0,1 ]. Le cristal photonique est donc sélectionné de manière que sa bande spectrale interdite soit la plus étendue en vecteur d'onde kz ou en οοε(β), c'est-à-dire de manière que l'angle solide Ω, correspondant à toute la zone d'inhibition anisotrope de désexcitation de fluorescence, soit le plus grand possible. Le rendement d'anisotropie du cristal photonique est donné par le ratio : anisotropie =
Le colorant de retournement est donc sélectionné pour que son spectre d'émission recouvre au moins partiellement la bande spectrale interdite de la microstructure à cristal photonique. D'autre part, le couplage quantique entre le colorant fluorescent de retournement et la microstructure à cristal photonique doit être le plus élevé possible afin de contribuer à favoriser l'efficacité du phénomène de retournement de photons. Cette dernière condition est en particulier liée aux dimensions respectives de la zone de cœur 1 1 et de la zone de retournement 12 de la fibre FORP, ainsi que nous l'expliquons par la suite en lien avec les figures 3a, 3b et 3c.
Les figures 3a, 3b et 3c sont décrites conjointement.
- La figure 3a représente schématiquement une vue en coupe de la fibre FORP 10 de la figure 1 , selon la première variante précédemment décrite dans laquelle la zone de retournement 12 se trouve dans au moins une partie de la zone de gaine micro-structurée 13. - La figure 3b représente schématiquement une vue en coupe d'une fibre FORP 10 selon une deuxième variante du premier mode de réalisation de l'invention, dans laquelle la zone de retournement 12 se trouve dans au moins une partie de la zone de cœur 1 1 et dans au moins une partie de la zone de gaine micro-structurée 13.
- La figure 3c représente schématiquement une vue en coupe d'une fibre FORP 10 selon une troisième variante du premier mode de réalisation de l'invention, dans laquelle la zone de retournement 12 se trouve dans au moins une partie de la zone de cœur 1 1 .
Les figures 3a, 3b et 3c montrent :
- une zone de cœur 1 1 présentant une épaisseur E1 . Dans le cas du premier mode de réalisation particulièrement illustré aux figures 3a, 3b et 3c, la zone de cœur 1 1 est un cylindre plein de section circulaire et d'axe A. L'épaisseur E1 de la zone de cœur 1 1 est alors le diamètre de ladite section circulaire.
- une zone de gaine micro-structurée 13 présentant une épaisseur E3. Dans le cas du premier mode de réalisation particulièrement illustré aux figures 3a, 3b et 3c, la zone de gaine micro-structurée 13 est un cylindre creux de première section annulaire et d'axe A, autrement dit un tube, entourant la zone de cœur 1 1 . L'épaisseur E3 est alors l'épaisseur de la première section annulaire, mesurée radialement par rapport à l'axe A.
- une zone de retournement 12 présentant une épaisseur E2. Dans le cas du premier mode de réalisation particulièrement illustré aux figures 3a, 3b et 3c, la zone de retournement 12 est un cylindre creux de deuxième section annulaire et d'axe A, autrement dit un tube. L'épaisseur E2 est alors l'épaisseur de la deuxième section annulaire, mesurée radialement par rapport à l'axe A. Selon la première variante du premier mode de réalisation, la zone de retournement 12 est un cylindre creux de deuxième section annulaire et d'axe A, autrement dit un tube, qui entoure la zone de cœur 1 1 . L'épaisseur E2 de la zone de retournement 12 est inférieure ou égale à l'épaisseur E3 de la zone de gaine micro-structurée 13. Lorsque l'épaisseur E2 de la zone de retournement 12 est égale à l'épaisseur E3 de la zone de gaine micro-structurée 13, la zone de retournement 12 et la zone de gaine micro-structurée 13 sont confondues. Selon la première variante du premier mode de réalisation, la zone de cœur 1 1 peut être soit pleine, c'est-à-dire remplie d'un matériau solide, par exemple polymère ; soit creuse, c'est-à-dire non remplie par un matériau solide, et comprenant par exemple de l'air. Selon la deuxième variante du premier mode de réalisation, la zone de retournement 12 se trouve au moins en partie dans la zone de cœur 1 1 et au moins en partie dans la zone de gaine micro-structurée 13. La zone de retournement 12 est alors :
- soit un cylindre creux de deuxième section annulaire et d'axe A, autrement dit un tube, lorsque la zone de retournement 12 ne recouvre qu'une partie de la zone de cœur 1 1 ;
- soit un cylindre plein de section circulaire et d'axe A, lorsque la zone de retournement 12 recouvre complètement la zone de cœur 1 1 .
L'épaisseur E2 de la zone de retournement 12 est inférieure ou égale à la somme du rayon de la zone de cœur 1 1 et de l'épaisseur E3 de la zone de gaine micro- structurée 13. Autrement dit, l'épaisseur E2 de la zone de retournement 12 est telle que :
El
E2≤— + E3
2
Lorsque l'épaisseur E2 de la zone de retournement 12 est égale à la somme du
El
rayon— de la zone de cœur 1 1 et de l'épaisseur E3 de la zone de gaine micro- structurée 13, la zone de retournement 12 recouvre entièrement la zone de micro- structurée 13 et la zone de cœur 1 1 . Selon la deuxième variante du premier mode de réalisation, la zone de cœur 1 1 est pleine, c'est-à-dire remplie d'un matériau solide, par exemple polymère. Selon la troisième variante du premier mode de réalisation, la zone de retournement 12 se trouve au moins en partie dans la zone de cœur 1 1 . La zone de retournement 12 est alors :
- soit un cylindre creux de deuxième section annulaire et d'axe A, autrement dit un tube. Dans ce cas, l'épaisseur E2 de la zone de retournement 12 est inférieure au rayon y de la zone de cœur 1 1 ;
soit un cylindre plein de section circulaire et d'axe A. Dans ce cas, l'épaisseur E2 de la zone de retournement 12 est inférieure ou égale au diamètre E1 de la zone de cœur 1 1 . Lorsque l'épaisseur E2 de la zone de retournement est égale au diamètre E1 de la zone de cœur 1 1 , la zone de retournement 12 recouvre entièrement la zone de cœur 1 1 , c'est-à-dire que la zone de retournement 12 et la zone de cœur 1 1 sont confondues.
Selon la troisième variante du premier mode de réalisation, la zone de cœur 1 1 est pleine, c'est-à-dire remplie d'un matériau solide, par exemple polymère.
On note qu'au sein d'une même fibre FORP 10, la zone de cœur 1 1 peut présenter plusieurs tronçons consécutifs, et notamment :
- au moins un premier tronçon plein, et
- au moins un deuxième tronçon creux.
Une telle zone de cœur 1 1 ayant au moins un premier tronçon plein et au moins un deuxième tronçon creux peut être qualifiée de « semi-creuse ».
La géométrie et les dimensions de la zone de cœur 1 1 et de la zone de retournement 12 d'une part, et les propriétés du colorant de retournement et du cristal photonique d'autre part, sont choisies afin de contribuer à un couplage quantique élevé entre le colorant de retournement et le cristal photonique, dans la bande spectrale interdite. Ainsi, dans une fibre FORP 10 selon l'une quelconque des variantes du premier mode de réalisation de l'invention, la zone de cœur 1 1 présente une épaisseur E1 inférieure ou égale à cinq fois la longueur d'onde du maximum d'émission de fluorescence du colorant de retournement. Avantageusement, l'épaisseur E1 de la zone de cœur 1 1 est inférieure ou égale à trois fois la longueur d'onde du maximum d'émission de fluorescence du colorant de retournement. En outre, la zone de retournement 12 présente avantageusement une épaisseur E2 telle que :
E2 <——
4 * n
avec λΕ la longueur d'onde du maximum d'émission de fluorescence du colorant de retournement de la zone de retournement 12, et n l'indice de réfraction de la zone de retournement 12.
Le couplage quantique ainsi favorisé assure une inhibition de la désexcitation de fluorescence hors de l'axe de la fibre FORP 10 et force la désexcitation de fluorescence dans l'axe de la fibre FORP 10. L'optimisation de ce couplage quantique contribue ainsi à l'obtention d'un flux de photons de sortie Ph_s en sortie de la fibre FORP 10 significativement plus important que dans le cas d'une fibre classique. Pour un même faisceau de photons incidents Ph_i, le rendement de conversion d'une fibre FORP 10 selon le premier mode de réalisation de l'invention est ainsi significativement supérieur à celui d'une fibre classique : il est supérieur à 80% à la longueur d'onde maximale d'absorption du colorant fluorescent de retournement, alors qu'il n'est que de l'ordre de 10% dans les dispositifs de l'art antérieur.
Le colorant fluorescent de retournement peut comporter des molécules fluorescentes organiques, ou alternativement des chromophores minéraux tels que de terres rares - par exemple des complexes de lanthanides - ou des oxydes, ou encore des quantum-dots - par exemple en sulfure de plomb PbS, avec un maximum d'absorption à 650 nm et un maximum d'émission à 850 nm.
Dans le cas de l'utilisation de quantum-dots, ces derniers sont typiquement dilués dans un polymère.
Le colorant fluorescent de retournement peut par exemple être choisi parmi la liste suivante :
- rhodamine 6G, ayant un maximum d'absorption à 529 nm et un maximum d'émission à 551 nm ;
- rhodamine 123, ayant un maximum d'absorption à 550 nm et un maximum d'émission à 560 nm ; - rhodamine 101 , ayant un maximum d'absorption à 568 nm d'absorption et un maximum d'émission à 600 nm ;
- styril 15, ayant un maximum d'absorption à 651 nm et un maximum d'émission à 880 nm ;
- coumarine 30, ayant un maximum d'absorption à 407 nm et un maximum d'émission à 478 nm ;
- coumarine 6, ayant un maximum d'absorption à 459 nm et un maximum d'émission à 502 nm ;
- fluorescéine, ayant un maximum d'absorption à 500 nm et un maximum d'émission à 540 nm ;
- rhodamine B, ayant un maximum d'absorption à 542 nm et un maximum d'émission à 565 nm ;
- sulforhodamine 101 , ayant un maximum d'absorption à 576 nm et un maximum d'émission à 591 nm ;
- crésyl violet, ayant un maximum d'absorption à 603 nm et un maximum d'émission à 623 nm ;
- rhodamine 800, ayant un maximum d'absorption à 682 nm et un maximum d'émission à 800 nm ;
- oxazine 170, ayant un maximum d'absorption à 613 nm et un maximum d'émission à 640 nm.
La figure 4a représente schématiquement une fibre FORP 10 de coupe hexagonale et de type « Holey Fiber », selon la troisième variante du premier mode de réalisation de l'invention. La zone de gaine micro-structurée 13 est formée d'un matériau, par exemple polymère, d'indice optique supérieur à 1 et comportant une pluralité de trous 14. Les trous 14 sont typiquement remplis d'air, d'indice optique égal à 1 . Dans l'exemple représenté à la figure 4a, la pluralité de trous 14 est agencée suivant un réseau hexagonal « en nid d'abeille ». La pluralité de trous 14 est la microstructure de la zone de gaine 13. La zone de cœur 1 1 est entourée par la pluralité de trous 14. La qualité du cristal photonique est directement liée à son épaisseur et au nombre de motifs vus par les photons. La zone de cœur 1 1 est formée d'un matériau, par exemple polymère, dans lequel est implanté le colorant fluorescent, par exemple par dopage. La zone de retournement 12 est donc dans la zone de cœur 1 1 .
La figure 4b représente schématiquement une fibre FORP 10 de coupe hexagonale et de type « Holey Fiber », selon la première variante du premier mode de réalisation de l'invention. La zone de retournement 12 comportant le colorant fluorescent se trouve cette fois dans la zone de gaine micro-structurée 13, autour de la zone de cœur 1 1 . Dans l'exemple particulier représenté à la figure 4b, la zone de cœur 1 1 est creuse. Le colorant fluorescent est typiquement implanté dans le matériau de la zone de gaine micro-structurée 13 par dopage.
La figure 4c représente schématiquement une fibre FORP 10 de coupe circulaire et de type fibre de Bragg, selon la troisième variante du premier mode de réalisation de l'invention. La zone de gaine micro-structurée 13 est formée d'une alternance de premières couches 15 et de deuxièmes couches 16 concentriques de type quart d'onde de deux matériaux d'indices différents. Les première et deuxième couches 15 et 1 6 sont typiquement réalisées en polymère, par exemple choisis parmi la liste suivante :
- polyméthacrylate de méthyle PMMA ;
- polystyrène ;
- polycarbonate ;
polyacrylate.
De la poudre de dioxyde de titane peut éventuellement être ajoutée au polymère utilisé, ce qui présente l'avantage d'augmenter son indice de réfraction tout en lui permettant d'absorber les rayons UV.
Ainsi, on peut par exemple utiliser du polyméthacrylate de méthyle PMMA pour les premières couches 15 et du polystyrène ou du polycarbonate pour les deuxièmes couches 1 6. Comme dans l'exemple représenté à la figure 4a, la zone de cœur 1 1 est formée d'un matériau, par exemple polymère, dans lequel est implanté le colorant fluorescent, par exemple par dopage. La zone de retournement 12 est donc dans la zone de cœur 1 1 . La figure 4d représente schématiquement une fibre FORP 10 de coupe circulaire et de type « Holey Fiber », selon la troisième variante du premier mode de réalisation de l'invention. La pluralité de trous 14 de la zone de gaine micro- structurée 13 est cette fois agencée suivant un anneau autour de la zone de cœur 1 1 . Comme dans les exemples représentés aux figures 4a et 4c, la zone de cœur 1 1 est formée d'un matériau, par exemple polymère, dans lequel est implanté le colorant fluorescent, par exemple par dopage. La zone de retournement 12 est donc dans la zone de cœur 1 1 . La figure 5a représente schématiquement une vue en coupe d'un dispositif optique à retournement de photons selon la première variante du premier mode de réalisation de l'invention, c'est-à-dire d'une fibre FORP 10, qui comporte une première zone de conversion C1 comprenant un premier colorant fluorescent de conversion.
La première zone de conversion C1 est un cylindre creux de section annulaire et d'axe A, autrement dit un tube. Le premier colorant fluorescent de conversion est typiquement implanté dans la première zone de conversion C1 par dopage. Dans l'exemple représenté à la figure 5a, la première zone de conversion C1 entoure la zone de gaine micro-structurée 13. Alternativement, la première zone de conversion C1 peut se trouver au moins partiellement dans la zone de gaine micro-structurée 13.
Le principe de cette première zone de conversion C1 est le suivant :
- le premier colorant de conversion de la première zone de conversion C1 présente une bande spectrale d'absorption recouvrant au moins partiellement le spectre du flux de photons incidents Ph_i, et une bande spectrale d'émission recouvrant au moins partiellement la bande spectrale d'absorption du colorant de retournement de la zone de retournement 12. Le flux de photons incidents Ph_i étant typiquement un rayonnement solaire, le premier colorant de conversion présentera avantageusement une bande spectrale d'absorption couvrant la plus large plage possible du spectre solaire. Le recouvrement entre la bande spectrale d'absorption du premier colorant de conversion et le spectre du flux de photons incidents Ph_i est avantageusement maximum.
- La partie des photons incidents Ph_i dont la longueur d'onde appartient à la bande spectrale d'absorption du premier colorant de conversion peut être absorbée par ledit premier colorant de conversion.
- Le premier colorant de conversion est alors capable de réémettre par désexcitation fluorescente au moins une partie des photons absorbés, au moins une partie des photons réémis ayant une longueur d'onde appartenant à la bande spectrale d'absorption du colorant fluorescent de retournement. Le recouvrement entre la bande spectrale d'émission du premier colorant de conversion et la bande spectrale d'absorption du colorant de retournement est avantageusement maximum.
- Ainsi, le colorant de retournement de la zone de retournement 12 est susceptible d'absorber :
o d'une part, la partie des photons incidents Ph_i dont la longueur d'onde appartient à la bande spectrale d'absorption du colorant de retournement ;
o d'autre part, au moins une partie des photons réémis par le premier colorant de conversion de la première zone de conversion C1 .
Le premier colorant de conversion de la première zone de conversion C1 permet donc avantageusement d'augmenter la quantité de photons incidents Ph_i, issus d'un flux de lumière incident, que le colorant de retournement de la zone de retournement 12 va pouvoir absorber. On dit que le premier colorant fluorescent de conversion et le colorant fluorescent de retournement forment une cascade de colorants fluorescents.
La première zone de conversion C1 a été décrite dans le cas particulier d'une fibre FORP 10 selon la première variante du premier mode de réalisation, mais elle est naturellement compatible avec toute autre variante du premier mode de réalisation, et notamment avec les deuxième et troisième variantes du premier mode de réalisation. Nous avons décrit ci-dessus l'exemple d'une cascade de colorants fluorescents de conversion comportant, outre le colorant de retournement, un seul colorant de conversion, mais il est naturellement possible d'utiliser un plus grand nombre de colorants de conversion. La figure 5b représente schématiquement une vue en coupe d'un dispositif optique à retournement de photons selon la première variante du premier mode de réalisation de l'invention, c'est-à-dire d'une fibre FORP 10, qui comporte :
- la première zone de conversion C1 comprenant le premier colorant fluorescent de conversion ;
- une deuxième zone de conversion C2 comprenant un deuxième colorant fluorescent de conversion ;
- une troisième zone de conversion C3 comprenant un troisième colorant fluorescent de conversion ;
- une quatrième zone de conversion C4 comprenant un quatrième colorant fluorescent de conversion.
Les deuxième, troisième et quatrième zones de conversion C2, C3 et C4 sont, de même que la première zone de conversion C1 , des cylindres creux de section annulaire et d'axe A, autrement dit des tubes. Les deuxième, troisième et quatrième colorants de conversion sont typiquement implantés respectivement dans les deuxième, troisième et quatrième zones de conversion C2, C3 et C4 par dopage. La deuxième zone de conversion C2 entoure la première zone de conversion C1 ; la troisième zone de conversion C3 entoure la deuxième zone de conversion C2 et la quatrième zone de conversion C4 entoure la troisième zone de conversion C3. Dans l'exemple représenté à la figure 5b, les première, deuxième, troisième et quatrième zones de conversion C1 , C2, C3 et C4 entourent la zone de gaine micro-structurée 13. Alternativement, la zone de gaine micro-structurée 13 peut comporter au moins une partie de l'ensemble formé par les première, deuxième, troisième et quatrième zones de conversion C1 , C2, C3 et C4.
Les premier, deuxième, troisième et quatrième colorants de conversion forment avec le colorant de retournement une cascade de colorants fluorescents dont le fonctionnement est le suivant : Le quatrième colorant de conversion de la quatrième zone de conversion C4 présente une bande spectrale d'absorption recouvrant au moins partiellement le spectre du flux de photons incidents Ph_i. La partie des photons incidents Ph_i, dont la longueur d'onde appartient à la bande spectrale d'absorption du quatrième colorant de conversion peut être absorbée par ledit quatrième colorant de conversion, puis réémise à une longueur d'onde appartenant à la bande spectrale d'émission du quatrième colorant de conversion. Le recouvrement entre la bande spectrale d'absorption du quatrième colorant de conversion et le spectre du flux de photons incidents Ph_i est avantageusement maximum.
Le troisième colorant de conversion de la troisième zone de conversion C3 est choisi de sorte que sa bande spectrale d'absorption recouvre au moins partiellement la bande spectrale d'émission du quatrième colorant de conversion. Ainsi, le troisième colorant de conversion est susceptible d'absorber :
o d'une part, la partie des photons incidents Ph_i dont la longueur d'onde appartient à la bande spectrale d'absorption du troisième colorant de conversion,
o et d'autre part, les photons réémis par le quatrième colorant de conversion.
Le troisième colorant de conversion peut alors réémettre par désexcitation fluorescente au moins une partie des photons absorbés, à une longueur d'onde supérieure appartenant à sa bande d'émission de fluorescence. Le recouvrement entre la bande spectrale d'émission du quatrième colorant de conversion et la bande spectrale d'absorption du troisième colorant de conversion est avantageusement maximum.
Sur le même principe, le deuxième colorant de conversion de la deuxième zone de conversion C2 est choisi afin que sa bande spectrale d'absorption recouvre au moins partiellement la bande spectrale d'émission du troisième colorant de conversion. Le deuxième colorant de conversion est alors susceptible d'absorber non seulement la partie des photons incidents Ph_i dont la longueur d'onde appartient à sa bande spectrale d'absorption, mais aussi les photons réémis par le troisième colorant de conversion. Le recouvrement entre la bande spectrale d'émission du troisième colorant de conversion et la bande spectrale d'absorption du deuxième colorant de conversion est avantageusement maximum.
Enfin, dans l'exemple de la figure 5b, le premier colorant de conversion de la première zone de conversion C1 est cette fois choisi de manière que sa bande spectrale d'absorption recouvre au moins partiellement la bande spectrale d'émission du deuxième colorant de conversion, et que sa bande spectrale d'émission recouvre au moins partiellement avec la bande spectrale d'absorption du colorant fluorescent de retournement de la zone de retournement 12. Le premier colorant de conversion peut alors absorber la partie des photons du flux incident dont la longueur d'onde appartient à sa bande spectrale d'absorption, ainsi que les photons réémis par désexcitation de fluorescence par le deuxième colorant. Le premier colorant de conversion peut alors réémettre par désexcitation fluorescente au moins une partie des photons absorbés, au moins une partie des photons réémis ayant une longueur d'onde appartenant à la bande spectrale d'absorption du colorant fluorescent de retournement. Le recouvrement entre la bande spectrale d'émission du deuxième colorant de conversion et la bande spectrale d'absorption du premier colorant de conversion est avantageusement maximum. De même, le recouvrement entre la bande spectrale d'émission du premier colorant de conversion et la bande spectrale d'absorption du colorant de retournement est avantageusement maximum.
D'une manière générale, il s'agit que la somme des bandes spectrales d'absorption du ou des colorants fluorescents de conversion, ainsi que du colorant fluorescent de retournement, formant la bande spectrale d'absorption de la cascade de colorants fluorescents, couvre la plus large plage possible du spectre solaire. On note que le spectre solaire s'étend au niveau du sol entre 280 nm et 4000 nm. De même que pour le colorant fluorescent de retournement, le ou les colorants fluorescents de conversion peuvent par exemple être : de la rhodamine 6G, de la rhodamine 123, de la rhodamine 101 , du styril 15, de la coumarine 30, de la coumarine 6, de la fluorescéine, de la rhodamine B, de la sulforhodamine 101 , du crésyl violet, de la rhodamine 800 ou de l'oxazine 170. Pour une meilleure compréhension du fonctionnement d'une cascade de colorants fluorescents, le cas particulier selon lequel chaque colorant fluorescent de conversion se trouve dans une zone de conversion particulière a été décrit ci-dessus. Néanmoins, plusieurs colorants fluorescents de conversion peuvent tout à fait être mélangés dans une seule et même zone de conversion, sans modifier le principe du fonctionnement en cascade qui vient d'être décrit. Un exemple de réalisation intéressant est ainsi celui selon lequel une unique zone de conversion comporte l'ensemble des colorants fluorescents de conversion.
Avantageusement, une fibre FORP 10 selon le premier mode de réalisation de l'invention peut également comporter :
- une couche antireflet et/ou
- une couche protectrice anti-UV et/ou
- une couche protectrice contre les agressions mécaniques.
La couche antireflet entoure préférentiellement la zone de gaine micro-structurée 13 ou, le cas échéant, la zone de conversion la plus externe de la cascade de colorants fluorescents. La couche protectrice anti-UV entoure préférentiellement, le cas échéant, la couche antireflet. La couche protectrice contre les agressions mécaniques entoure préférentiellement, le cas échéant, la couche protectrice anti- UV.
La couche protectrice anti-UV est capable d'absorber les photons ultraviolets. De manière optionnelle, la couche protectrice anti-UV peut avantageusement être fluorescente et absorber les photons de longueur d'onde appartenant à l'intervalle [280 nm - 400 nm] pour les réémettre à des longueurs d'onde supérieures à 400 nm. En effet, les photons de longueur d'onde inférieure à 400 nm sont susceptibles de dégrader les propriétés optiques des matériaux polymères typiquement utilisés dans la réalisation des fibres FORP 10, ainsi que de contribuer à la photolyse et à la destruction du colorant fluorescent de retournement et/ou, le cas échéant, d'au moins un colorant fluorescent de conversion, particulièrement s'il s'agit d'un colorant fluorescent organique. La couche protectrice antireflet pourra par exemple être réalisée en PMMA, en éthylène-acétate de vinyle EVA ou en polyvinyl de butyral PVB. Pour permettre la fluorescence la couche protectrice antireflet, on peut par exemple utiliser du dioxyde de titane, de la béta-carboline, de la 7hydroxy-4méthylcoumarine, du POPOP (également appelé « 1 ,4-bis(5-phényloxazol-2-yl) benzène »), du bis-MSB (également appelé « 1 ,4-Bis(2-methylstyryl)benzol »), du béta borate de baryum BBO, du p-terphényle ou du biphényle.
On pourra avantageusement utiliser, à la place de la couche antireflet et de la couche protectrice anti-UV, une couche antireflet et anti-UV.
La couche protectrice contre les agressions mécaniques peut être réalisée en PVB ou en EVA.
Nous abordons à présent, en lien avec les figures 6a, 6b et 6c, la description d'un dispositif optique à retournement de photons 30 selon le deuxième mode de réalisation de l'invention. Le dispositif optique à retournement de photons 30 selon ce deuxième mode de réalisation présente une géométrie de film optique à retournement de photons FORP : le dispositif optique à retournement de photons 30 s'étend suivant un plan de référence P et présente une symétrie par rapport audit plan de référence P.
Les figures 6a, 6b et 6c sont décrites conjointement. Les figures 6a, 6b et 6c montrent un film FORP 30 comprenant :
- une zone de cœur 31 s'étendant selon le plan de référence P, la zone de cœur 31 étant par exemple formée d'un matériau polymère ;
- une zone de retournement 32 comprenant un colorant fluorescent de retournement et s'étendant parallèlement au plan de référence P ;
- une zone de gaine micro-structurée 33 comprenant une première région 33-1 et une deuxième région 33-2 agencées de part et d'autre de la zone de cœur 31 . Les première et deuxième régions 33-1 et 33-2 de la zone de gaine micro-structurée 33 peuvent par exemple comporter chacune un empilement de Bragg, c'est-à-dire une alternance de couches quart d'onde de deux matériaux d'indices différents, par exemple du polyméthacrylate de méthyle PMMA d'une part et du polystyrène d'autre part.
La zone de cœur 31 présente une épaisseur E1 mesurée perpendiculairement au plan de référence P. Les première et deuxième régions 33-1 et 33-2 de la zone de gaine micro-structurée 33 présentent chacune une épaisseur E3 mesurée perpendiculairement au plan de référence P. La figure 6a représente schématiquement une vue en coupe, suivant un plan de coupe perpendiculaire au plan de référence P, d'un film FORP 30 selon une première variante du deuxième mode de réalisation. La première variante du deuxième mode de réalisation est analogue à la première variante du premier mode de réalisation, précédemment décrite en lien avec la figure 3a. Ainsi, selon la première variante du deuxième mode de réalisation, la zone de retournement 32 se trouve dans au moins une partie de la zone de gaine micro-structurée 33. La zone de retournement 32 présente ainsi :
- une première région 32-1 située dans au moins une partie de la première région 33-1 de la zone de gaine micro-structurée 33 et au contact de la zone de cœur 31 , et
- une deuxième région 32-2 située dans au moins une partie de la deuxième région 33-2 de la zone de gaine micro-structurée 33 et au contact de la zone de cœur 31 .
Les première et deuxième régions 32-1 et 32-2 de la zone de retournement 32 présentent chacune une épaisseur E2, mesurée perpendiculairement au plan de référence P, qui est inférieure ou égale à l'épaisseur E3 des première et deuxième régions 33-1 et 33-2 de la zone de gaine micro-structurée 33. Lorsque l'épaisseur E2 des première et deuxième régions 32-1 et 32-2 de la zone de retournement 32 est égale à l'épaisseur E3 des première et deuxième régions 33-1 et 33-2 de la zone de gaine micro-structurée 33, la zone de retournement 32 est confondue avec la zone de gaine micro-structurée 33. La figure 6b représente schématiquement une vue en coupe, suivant un plan de coupe perpendiculaire au plan de référence P, d'un film FORP 30 selon une deuxième variante du deuxième mode de réalisation. La deuxième variante du deuxième mode de réalisation est analogue à la deuxième variante du premier mode de réalisation, précédemment décrite en lien avec la figure 3b. Ainsi, selon la deuxième variante du deuxième mode de réalisation, la zone de retournement 32 se trouve dans au moins une partie de la zone de gaine micro-structurée 33 et dans au moins une partie de la zone de cœur 31 . La zone de retournement 32 présente ainsi :
- une première région 32-1 située dans au moins une partie de la première région 33-1 de la zone de gaine micro-structurée 33 et dans au moins une partie de la zone de cœur 31 , et
- une deuxième région 32-2 située dans au moins une partie de la deuxième région 33-2 de la zone de gaine micro-structurée 33 et dans au moins une partie de la zone de cœur 31 .
Les première et deuxième régions 32-1 et 32-2 de la zone de retournement 32 présentant chacune une épaisseur E2, mesurée perpendiculairement au plan de référence P, telle que :
El
E2≤— + E3
2
Lorsque l'épaisseur E2 des première et deuxième régions 32-1 et 32-2 de la zone
El
de retournement 32 est telle que E2 =— + E , la zone de retournement 32 recouvre complètement la zone de gaine micro-structurée 33 et la zone de cœur 31 .
La figure 6c représente schématiquement une vue en coupe, suivant un plan de coupe perpendiculaire au plan de référence P, d'un film FORP 30 selon une troisième variante du deuxième mode de réalisation. La troisième variante du deuxième mode de réalisation est analogue à la troisième variante du premier mode de réalisation, précédemment décrite en lien avec la figure 3c. Ainsi, selon la troisième variante du deuxième mode de réalisation, la zone de retournement 32 se trouve dans au moins une partie de la zone de cœur 31 . La zone de retournement 32 peut ainsi présenter une unique région, située dans au moins une partie de la zone de cœur 31 et présentant une épaisseur E2, mesurée perpendiculairement au plan de référence P, qui est inférieure ou égale à l'épaisseur E1 de la zone de cœur 31 . Lorsque l'épaisseur E2 de la zone de retournement 32 est égale à l'épaisseur E1 de la zone de cœur 31 , la zone de retournement 32 est confondue avec la zone de cœur 31 .
Dans une alternative non représentée à la figure 6c, la zone de retournement 32 peut présenter :
- une première région 32-1 située dans une partie de la zone de cœur 31 et au contact de la première région 33-1 de la zone de gaine micro-structurée
33, et
- une deuxième région 32-2 située dans une partie de la zone de cœur 31 et au contact de la deuxième région 33-2 de la zone de gaine micro-structurée 33.
Selon cette alternative, les première et deuxième régions 32-1 et 32-2 de la zone de retournement 32 présentent chacune une épaisseur E2, mesurée
El
perpendiculairement au plan de référence P, qui est telle que : El <—
On note que selon les première, deuxième et troisième variantes du deuxième mode de réalisation, la zone de cœur 31 est pleine, c'est-à-dire remplie d'un matériau solide, par exemple polymère.
De même que pour la fibre FORP 1 0 selon le premier mode de réalisation précédemment décrit, dans un film FORP 30 selon le deuxième mode de réalisation, la géométrie et les dimensions de la zone de cœur 31 et de la zone de retournement 32 d'une part, et les propriétés du colorant de retournement et du cristal photonique d'autre part, sont choisies afin de contribuer à un couplage quantique élevé entre le colorant fluorescent de retournement et le cristal photonique, dans la bande spectrale interdite. Ainsi, dans un film FORP 30 selon l'une quelconque des variantes du deuxième mode de réalisation de l'invention, l'épaisseur E1 de la zone de cœur 31 est inférieure ou égale à cinq fois la longueur d'onde du maximum d'émission de fluorescence du colorant de retournement. Avantageusement, l'épaisseur E1 de la zone de cœur 1 1 est inférieure ou égale à trois fois la longueur d'onde du maximum d'émission de fluorescence du colorant de retournement. En outre, l'épaisseur E2 de la zone de retournement 32 ou, le cas échéant, des première et deuxième régions 32-1 et 32- 2 de la zone de retournement 32 est avantageusement telle que :
E2 <—^-
4 * n
avec λΕ la longueur d'onde du maximum d'émission de fluorescence du colorant de retournement de la zone de retournement 32, et n l'indice de réfraction de la zone de retournement 32.
Un film FORP 30 selon l'une quelconque des variantes du deuxième mode de réalisation de l'invention peut avantageusement comporter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le film FORP 30 comporte au moins une zone de conversion comprenant un colorant de conversion, ledit colorant de conversion formant une cascade de colorants fluorescents avec le colorant de retournement de la zone de retournement 32. Le principe de fonctionnement d'une telle cacade de colorants fluorescents a précédemment été décrit dans le cas du premier mode de réalisation, en lien avec les figures 5a et 5b. La zone de conversion du film FORP 30 présente des première et deuxième régions qui s'étendent parallèlement au plan de référence P, de part et d'autre des première et deuxième régions 33-1 et 33-2 de la zone de gaine micro- structurée 33, ou alternativement dans au moins une partie des première et deuxième régions 33-1 et 33-2 de la zone de gaine micro-structurée 33. - Le film FORP 30 comporte une couche antireflet telle que précédemment décrite dans le cas du premier mode de réalisation, entourant préférentiellement la zone de gaine micro-structurée 33 ou, le cas échéant, la zone de conversion la plus externe de la cascade de colorants fluorescents. Dans le cas particulier du deuxième mode de réalisation, la couche antireflet présente des première et deuxième régions qui s'étendent parallèlement au plan de référence P, de part et d'autre des première et deuxième régions 33-1 et 33-2 de la zone de gaine micro-structurée 33 ou, le cas échéant, de part et d'autre des première et deuxième régions de la zone de conversion la plus externe de la cascade de colorants fluorescents.
- Le film FORP 30 comporte une couche protectrice anti-UV telle que précédemment décrite dans le cas du premier mode de réalisation, entourant préférentiellement, le cas échéant, la couche antireflet. Dans le cas particulier du deuxième mode de réalisation, la couche protectrice anti- UV présente des première et deuxième régions qui s'étendent parallèlement au plan de référence P, de part et d'autre, le cas échéant, des première et deuxième régions de la couche antireflet.
- Le film FORP 30 comporte une couche protectrice contre les agressions mécaniques telle que précédemment décrite dans le cas du premier mode de réalisation, entourant préférentiellement, le cas échéant, la couche protectrice anti-UV. Dans le cas particulier du deuxième mode de réalisation, la couche protectrice contre les agressions mécaniques présente des première et deuxième régions qui s'étendent parallèlement au plan de référence P, de part et d'autre, le cas échéant, des première et deuxième régions de la couche protectrice anti-UV.
Afin d'accroître la collecte des photons incidents, on peut avantageusement utiliser plusieurs dispositifs optiques à retournement de photons, par exemple selon le premier ou le deuxième mode de réalisation qui viennent d'être décrits, pour réaliser un dispositif optique à retournement de photons multi-cœur. En particulier :
- plusieurs fibres FORP 10 selon l'une quelconque des variantes du premier mode de réalisation peuvent être utilisées pour réaliser une fibre FORP multi-cœur ;
- plusieurs films FORP 30 selon l'une quelconque des variantes du deuxième mode de réalisation peuvent être utilisés pour réaliser un film FORP multi- cœur. Un film FORP multi-cœur comporte ainsi un empilement d'une pluralité de films FORP 30. Les figures 7a et 7b montrent des premier et deuxième exemples de fibres FORP multi-cœur 20, comportant une pluralité de fibres FORP 1 0 selon le premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 7a montre un premier exemple d'une fibre FORP multi-cœur 20, dont la zone de cœur 21 comporte une pluralité de fibres FORP 1 0. Selon ce premier exemple, la zone de cœur 21 de la fibre FORP multi-cœur 20 comporte sept fibres FORP 1 0 de type « Holey Fiber », décrites en particulier à la figure 4d, agencées suivant un réseau hexagonal. La fibre FORP multi-cœur 20 comporte une zone de gaine 23 qui entoure la pluralité de fibres FORP 1 0 de la zone de cœur 21 .
La figure 7b montre un deuxième exemple de fibre FORP multi-cœur 20, dont la zone de cœur 21 comporte sept fibres FORP 1 0 de type fibre de Bragg, décrites en particulier à la figure 4c et agencées suivant un réseau hexagonal. Une fibre FORP multi-cœur 20 présente une efficacité supérieure à la simple somme des efficacités de chaque fibre FORP 1 0. Un tel dispositif de fibre FORP multi-cœur 20 présente ainsi des effets de cohérences structurelles plus étendus que dans une fibre FORP 1 0, ce qui se traduit notamment par un confinement plus fort et un facteur de qualité plus élevé.
On a illustré en particulier aux figures 7a et 7b des exemples de fibres FORP multi-cœur 20, dont les zones de cœur 21 comportent chacune sept fibres FORP 1 0. Toutefois, la zone de cœur 21 d'une fibre FORP multi-cœur 20 pourra naturellement comporter une quantité de fibres FORP 1 0 inférieure ou supérieure à sept. En particulier, une fibre FORP multi-cœur 20 conforme à un aspect de l'invention pourra avantageusement présenter une zone de cœur 21 comportant un nombre de fibres FORP 1 0 de l'ordre de un millier, ou de un million.
La figure 8 montre un troisième exemple d'une fibre FORP multi-cœur 20, comportant une zone de gaine 23 entourant une zone de cœur 21 comportant neuf fibres FORP 10 selon le premier mode de réalisation. Chacune desdites neuf fibres FORP 1 0 est, dans l'exemple particulier représenté à la figure 7, de type « Holey Fiber », plus particulièrement décrit précédemment en lien avec la figure 4a. L'avantage particulier de ce troisième exemple de fibre FORP multi-cœur 20 réside dans le fait que plusieurs colorants fluorescents de retournement différents sont utilisés dans les zones de retournement respectives des fibres FORP 1 0. Lesdits colorants fluorescents de retournement sont avantageusement choisis afin que la somme de leurs bandes spectrales d'absorption respectives couvre la plus grande largeur spectrale possible, tout en se recouvrant le moins possible. Ainsi, une fibre FORP multi-cœur 20 selon ce troisième exemple présente avantageusement une efficacité de captage des photons incidents Ph_i accrue. Dans l'exemple particulier représenté à la figure 8, on a ainsi :
- des première, deuxième et troisième fibres FORP 1 0-1 , 1 0-2 et 1 0-3 dont la zone de retournement comporte un premier colorant de retournement ;
- des quatrième et cinquième fibres FORP 1 0-4 et 10-5 dont la zone de retournement comporte un deuxième colorant de retournement, distinct du premier colorant de retournement ;
- des sixième et septième fibres FORP 10-6 et 1 0-7 dont la zone de retournement comporte un troisième colorant de retournement, distinct des premier et deuxième colorants de retournement ;
- des huitième et neuvième fibres FORP 1 0-8 et 1 0-9 dont la zone de retournement comporte un quatrième colorant de retournement, distinct des premier, deuxième et troisième colorants de retournement.
Un dispositif optique à retournement de photons multi-cœur, tel qu'une fibre FORP multi-cœur ou un film FORP multi-cœur, peut avantageusement comporter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le dispositif optique à retournement de photons multi-cœur comporte au moins une zone de conversion comprenant un colorant de conversion, ledit colorant de conversion formant une cascade de colorants fluorescents avec le colorant de retournement de chaque fibre FORP 1 0 ou film FORP 30 dudit dispositif multi-cœur. Le principe de fonctionnement d'une telle cacade de colorants fluorescents a précédemment été décrit. La zone de conversion entoure préférentiellement la zone de gaine du dispositif multi- cœur, ou se trouve alternativement dans au moins une partie de la zone de gaine du dispositif multi-cœur.
- Le dispositif optique à retournement de photons multi-cœur comporte une couche antireflet telle que précédemment décrite, entourant préférentiellement la zone de gaine ou, le cas échéant, la zone de conversion la plus externe de la cascade de colorants fluorescents.
- Le dispositif optique à retournement de photons multi-cœur comporte une couche protectrice anti-UV telle que précédemment décrite, entourant préférentiellement, le cas échéant, la couche antireflet.
- Le dispositif optique à retournement de photons multi-cœur comporte une couche protectrice contre les agressions mécaniques telle que précédemment décrite, entourant préférentiellement, le cas échéant, la couche protectrice anti-UV.
Les figures 9a et 9b, décrites conjointement, montrent respectivement un premier exemple d'une fibre FORP multi-cœur 20, telle que décrite en particulier à la figure 7a, et un deuxième exemple d'une fibre FORP multi-cœur 20, telle que décrite en particulier à la figure 7b, comportant en outre :
- une première zone de conversion 22 comprenant un premier colorant fluorescent de conversion ;
- une deuxième zone de conversion 23 comprenant un deuxième colorant fluorescent de conversion ;
- une troisième zone de conversion 24 comprenant un troisième colorant fluorescent de conversion ;
- une quatrième zone de conversion 25 comprenant un quatrième colorant fluorescent de conversion ;
- une couche protectrice 26 antireflet et anti-UV.
La quatrième zone de conversion 25 entoure la troisième zone de conversion 24. La troisième zone de conversion 24 entoure la deuxième zone de conversion 23. La deuxième zone de conversion 23 entoure la première zone de conversion 22. L'ensemble des zones de conversion 22, 23, 24 et 25 peut soit entourer la zone de gaine 23, soit se trouver partiellement ou complètement dans la zone de gaine 23. La couche protectrice 26 antireflet et anti-UV entoure la quatrième zone de conversion 25. Dans le cas où la quatrième zone de conversion 25 est dans la zone de gaine 23, la couche protectrice 26 antireflet et anti-UV entoure la zone de gaine 23.
Un ordre de grandeur des dimensions d'une fibre FORP multi-cœur 20 peut par exemple être le suivant :
- diamètre de la zone de cœur 21 , comprenant la pluralité de fibres FORP 10 : de l'ordre de 400 μηι ;
- épaisseur de la zone de gaine 23, comprenant éventuellement une ou plusieurs zones de conversion d'une cascade de colorants fluorescents de conversion : de l'ordre de 50 μηπ, soit un diamètre cumulé pour la zone de cœur et la zone de gaine 23 de l'ordre de 500 μηι ;
- épaisseur de la couche protectrice antireflet et anti-UV éventuelle : de l'ordre de 30 μηπ, soit un diamètre cumulé pour la zone de cœur, la zone de gaine 23 et la couche protectrice antireflet et anti-UV de l'ordre de 560 μηι ;
- épaisseur de la couche protectrice contre les agressions mécaniques éventuelle : de l'ordre de 20 μηπ, soit un diamètre cumulé pour la zone de cœur, la zone de gaine 23, la couche protectrice antireflet et anti-UV et la couche protectrice contre les agressions mécaniques de l'ordre de 600 μπι.
Nous décrivons à présent plusieurs exemples de concentrateurs optiques solaires comportant au moins un dispositif optique à retournement de photons, tel qu'une fibre FORP 10 selon le premier mode de réalisation ou un film FORP 30 selon le deuxième mode de réalisation.
D'une manière générale, un concentrateur optique solaire comprend :
- au moins un dispositif optique à retournement de photons, c'est-à-dire par exemple au moins une fibre FORP 10 ou au moins un film FORP 30 ;
- au moins une cellule photovoltaïque Ce. Un concentrateur optique solaire peut avantageusement comporter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- au moins un moyen de guidage des photons émis par le au moins un dispositif à retournement de photons vers la au moins une cellule photovoltaïque Ce ;
- un film réfléchissant, par exemple réalisé en polymère aluminisé. Le film réfléchissant permet avantageusement d'accroître l'efficacité de collection des photons incidents. En effet, dans le cas où un photon incident a traversé le au moins un dispositif à retournement de photons sans interagir avec un colorant fluorescent de retournement, ce photon incident peut être réfléchi par le film réfléchissant et obtenir ainsi une nouvelle possibilité d'être capté, converti et guidé par ledit au moins un dispositif à retournement de photons ;
- un écran protecteur, permettant avantageusement de protéger le concentrateur optique solaire contre les agressions mécaniques et/ou contre le rayonnement ultra-violet ;
- un châssis, par exemple réalisé en polycarbonate ou en résine époxy. Le châssis permet avantageusement d'augmenter la robustesse du concentrateur optique solaire, et de faciliter l'implantation mécanique des différents éléments du concentrateur optique solaire lors de sa fabrication.
La figure 10a illustre schématiquement un premier exemple d'un concentrateur optique solaire 40 comportant une fibre FORP 10. Le concentrateur optique solaire 40 comporte en outre des première et deuxième cellules photovoltaïques Ce agencées de part et d'autre de la fibre FORP 10.
La figure 10a montre une source S de lumière polychromatique et multidirectionnelle ; cette source S est typiquement le soleil. La source S émet un rayonnement R polychromatique, dont le spectre est par exemple compris entre 400 nm et 800 nm. Ce rayonnement R est représenté à la figure 10a pour un angle d'incidence a donné. La fibre FORP 10 capte latéralement au moins une partie du rayonnement R polychromatique et multidirectionnel dans sa zone de gaine micro-structurée 13. La fibre FORP 1 0 convertit dans sa zone de retournement 12 au moins une partie du rayonnement R capté en un flux F quasi- monochromatique et unidirectionnel, selon l'axe de la fibre optique FORP. Enfin, la fibre FORP 1 0 guide le flux F dans sa zone de cœur 1 1 . Des première et deuxième cellules photovoltaïques Ce sont agencées de part et d'autre de la fibre FORP 1 0 de manière à capter le flux F émis en sortie de la fibre FORP 1 0. Les cellules photovoltaïques Ce peuvent ainsi assurer une conversion du flux F lumineux en électricité. La figure 1 0b illustre schématiquement un deuxième exemple d'un concentrateur optique solaire 40 comportant une pluralité de fibres FORP 10, formant un premier tapis T1 de premières fibres FORP 1 0. Le premier tapis T1 s'étend parallèlement à un premier plan P1 . Les premières fibres FORP 1 0 s'étendent suivant un premier axe A1 . Le concentrateur optique solaire de la figure 1 0b comporte en outre des premier et deuxième ensembles de cellules photovoltaïques Ce, formant des première et deuxième lignes photovoltaïques L1 et L2. Les première et deuxième lignes photovoltaïques L1 et L2 sont agencés de part et d'autre du premier tapis T1 , perpendiculairement au premier axe A1 , de manière à pouvoir capter puis convertir en électricité le flux lumineux émis par les premières fibres FORP 1 0.
La figure 1 0c illustre schématiquement une vue éclatée d'un troisième exemple d'un concentrateur optique solaire 40 comportant des premier et deuxième tapis T1 et T2 de fibres FORP 1 0. Plus précisément, le concentrateur optique solaire 40 comporte un châssis 43 s'étendant suivant le premier plan P1 , et un film réfléchissant 41 s'étendant sur le châssis 43.
Le premier tapis T1 de premières fibres FORP 1 0 s'étend sur le film réfléchissant 41 et un deuxième tapis T2 de deuxièmes fibres FORP 10 s'étend sur le premier tapis T1 . Les premières fibres FORP 1 0 du premier tapis T1 s'étendent parallèlement au premier axe A1 . Les deuxièmes fibres FORP 1 0 du deuxième tapis T2 s'étendent parallèlement à un deuxième axe A2 sensiblement perpendiculaire au premier axe A1 . Le concentrateur optique solaire 40 selon le troisième exemple illustré à la figure 10c comporte des première, deuxième, troisième et quatrième lignes photovoltaïques L1 , L2, L3 et L4, chaque ligne photovoltaïque comprenant au moins une cellule photovoltaïque Ce.
Les première et deuxième lignes photovoltaïques L1 et L2 sont destinées à recevoir des photons émis par les premières fibres FORP 10 du premier tapis T1 . Les première et deuxième lignes photovoltaïques L1 et L2 sont avantageusement agencées de part et d'autre du premier tapis T1 , selon un axe sensiblement perpendiculaire au premier axe A1 . Les première et deuxième lignes T1 et T2 peuvent par exemple s'étendre sur le châssis 43. On pourra utiliser des premier et deuxième prismes P1 et P2 afin de contribuer à guider des photons émis par les premières fibres FORP du premier tapis T1 , respectivement vers les première et deuxième lignes photovoltaïques L1 et L2.
De manière analogue, les troisième et quatrième lignes photovoltaïques L3 et L4 sont destinées à recevoir des photons émis par les deuxièmes fibres FORP 10 du deuxième tapis T2. Les troisième et quatrième lignes photovoltaïques L3 et L4 sont avantageusement agencées de part et d'autre du deuxième tapis T2, selon un axe sensiblement perpendiculaire au deuxième axe A2. Les troisième et quatrième lignes T3 et T4 peuvent par exemple s'étendre sur le châssis 43. On pourra utiliser des troisième et quatrième prismes P3 et P4 afin de contribuer à guider des photons émis par les deuxièmes fibres FORP du deuxième tapis T2, respectivement vers les troisième et quatrième lignes photovoltaïques L3 et L4. Enfin, un écran protecteur 42 peut avantageusement s'étendre sur le deuxième tapis T2.
Dans l'exemple qui vient d'être décrit, chacun des premier et deuxième tapis T1 et T2 s'étend parallèlement au premier plan P1 . Alternativement, les premier et deuxième tapis T1 et T2 de fibres FORP peuvent respectivement s'étendre suivant un plan courbe.
Nous avons décrit le cas particulier où les premières fibres FORP du premier tapis T1 sont agencées sensiblement perpendiculairement aux deuxièmes fibres FORP du deuxième tapis T2. Toutefois, l'angle entre l'axe des premières fibres FORP du premier tapis T1 d'une part, et l'axe des deuxièmes fibres FORP du deuxième tapis T2 d'autre part, pourra plus généralement être compris entre 0° et 360°.
Il est également tout à fait envisageable d'utiliser au moins une fibre multi-cœur 20 dans un concentrateur optique solaire 40, et par exemple au moins un tapis de fibres multi-cœur 20. De même, on peut utiliser au moins un film multi-cœur dans un concentrateur optique solaire 40.
Les cellules photovoltaïques Ce sont choisies ainsi que leur plage de maximum d'efficacité quantique d'effet photovoltaïque coïncide avec la longueur d'onde des photons émis en sortie du dispositif optique à retournement de photons.
Les cellules photovoltaïques Ce peuvent typiquement être réalisées à partir d'un matériau semi-conducteur. Les cellules photovoltaïques Ce sont alors choisies de manière que la longueur d'onde de bande spectrale interdite dudit matériau semiconducteur soit différente de la longueur d'onde des photons émis en sortie du dispositif optique à retournement de photons.
On considère le cas où le concentrateur optique solaire 40 comporte plusieurs dispositifs optiques à retournement de photons, comportant respectivement des colorants fluorescents de retournement différents et permettant respectivement rémission de photons appartenant à différentes plages de longueur d'onde. Dans ce cas, on pourra naturellement utiliser, pour chaque plage de longueur d'onde, un type différent de cellules photovoltaïques Ce, par exemple réalisées à partir de matériaux semi-conducteurs différents, choisis pour optimiser le captage des photons appartenant à ladite plage de longueur d'onde.
Alternativement, les cellules photovoltaïques peuvent être des cellules semi- conductrices multi-jonctions. Ainsi, plusieurs faisceaux de photons de différentes longueurs d'onde peuvent être efficacement captés par un seul type de cellule photovoltaïque. Cette possibilité est notamment intéressante dans le cas d'un concentrateur optique solaire 40 comportant :
- plusieurs fibres FORP 10 ou plusieurs films FORP 30 émettant dans différentes plages de longueurs d'onde, et/ou
- au moins une fibre multi-cœur 20 ou au moins un film multi-cœur émettant dans différentes plages de longueurs d'onde. D'autres dispositifs peuvent être envisagés, qui mettent en œuvre au moins un dispositif optique à retournement de photons selon un mode de réalisation de l'invention. Ainsi, un dispositif optique à retournement de photons selon un mode de réalisation de l'invention peut avantageusement être utilisé pour concentrer un flux de lumière incident, par exemple un rayonnement solaire, sur les dispositifs suivants :
- une cellule catalytique, par exemple une cellule d'hydrogénation par catalyse, notamment afin de synthétiser des carburants tels que l'hydrogène, ou des hydrocarbures tels que des alcanes ou des alcools ;
- un barreau laser, afin de le pomper.

Claims

REVENDICATIONS
Dispositif optique à retournement de photons (10, 30) pour la conversion d'un flux de lumière incident en un faisceau de lumière quasi- monochromatique, le dispositif optique comportant :
une zone de gaine (13, 33) comprenant une microstructure à cristal photonique, la microstructure à cristal photonique présentant une bande spectrale autorisée (B_aut) et une bande spectrale interdite (B_int) ;
une zone de retournement (12, 32) comprenant un colorant fluorescent de retournement présentant :
o une bande spectrale d'absorption de fluorescence (S_abs) recouvrant au moins partiellement la bande spectrale autorisée
(B_aut) de la microstructure à cristal photonique, et
o une bande spectrale d'émission de fluorescence (S_em) recouvrant au moins partiellement la bande spectrale interdite (B_int) de la microstructure à cristal photonique ;
une zone de cœur (1 1 , 31 ) agencée pour permettre la propagation d'un faisceau de lumière monochromatique ayant une longueur d'onde appartenant à la bande spectrale interdite (B_int) de la microstructure à cristal photonique, la zone de cœur (1 1 , 31 ) étant entourée par la microstructure à cristal photonique de la zone de gaine (13, 33) ;
le dispositif optique (10, 30) étant caractérisé en ce que la zone de cœur (1 1 , 31 ) présente une épaisseur E1 inférieure ou égale à cinq fois la longueur d'onde du maximum d'émission de fluorescence du colorant fluorescent de retournement.
Dispositif optique (10, 30) selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'épaisseur E1 de la zone de cœur (1 1 , 31 ) est inférieure ou égale à trois fois la longueur d'onde du maximum d'émission de fluorescence du colorant fluorescent de retournement.
3. Dispositif optique (10, 30) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la zone de retournement (12, 32) présente une épaisseur E2 telle que :
E2 <——
4 * n
avec λΕ la longueur d'onde du maximum d'émission de fluorescence du colorant fluorescent de retournement et n l'indice de réfraction de la zone de retournement (12, 32).
Dispositif optique (10, 30) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la zone de retournement (12, 32) est située dans au moins une partie de la zone de gaine (13, 33).
Dispositif optique (10, 30) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la zone de retournement (12, 32) est située dans au moins une partie de la zone de cœur (1 1 , 31 ), et préférentiellement dans au moins une partie centrale de la zone de cœur (1 1 , 31 ).
Dispositif optique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il présente une géométrie de fibre optique, le dispositif optique (10) s'étendant suivant un axe de référence (A) et présentant une symétrie de révolution autour dudit axe de référence (A).
Dispositif optique (30) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il présente une géométrie de film optique, le dispositif optique (30) s'étendant suivant un plan de référence (P) et présentant une symétrie par rapport audit plan de référence (P).
Dispositif optique (10, 30) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une première zone de conversion (C1 ) située autour de la zone de retournement (12, 32), la première zone de conversion (C1 ) comprenant un premier colorant fluorescent de conversion présentant une bande spectrale d'émission de fluorescence recouvrant au moins partiellement la bande spectrale d'absorption de fluorescence (S_abs) du colorant fluorescent de retournement.
9. Dispositif optique à retournement de photons multi-cœur (20) caractérisé en ce qu'il comporte :
- une zone de cœur (21 ) comportant une pluralité de dispositifs optiques à retournement de photons (1 0, 30) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, et
- une zone de gaine (23) entourant la zone de cœur (21 ).
10. Dispositif de production d'électricité (40) caractérisé en ce qu'il comporte :
- au moins un dispositif optique à retournement de photons (1 0, 30) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, et
- au moins une cellule photovoltaïque (Ce) agencée pour pouvoir capter le faisceau de lumière quasi-monochromatique émis en sortie du au moins un dispositif optique à retournement de photons (1 0, 30). 1 1 . Dispositif de catalyse caractérisé en ce qu'il comporte :
au moins un dispositif optique à retournement de photons (10, 30) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, et
- au moins une cellule catalytique agencée pour pouvoir capter le faisceau de lumière quasi-monochromatique émis en sortie du au moins un dispositif à retournement de photons (10, 30).
1 2. Dispositif d'émission laser caractérisé en ce qu'il comporte :
- au moins un dispositif optique à retournement de photons (1 0, 30) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, et
- au moins un laser agencé pour pouvoir capter le faisceau de lumière quasi- monochromatique émis en sortie du au moins un dispositif à retournement de photons (10, 30).
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2017264006B2 (en) * 2016-05-12 2021-10-28 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Multicore optical fiber, fiber bragg grating, and method for manufacturing fiber bragg grating
US10302865B1 (en) * 2017-12-20 2019-05-28 The Boeing Company Remote optical amplifiers powered by scattered light
RU2729064C1 (ru) * 2019-11-14 2020-08-04 Валерий Владимирович Крюков Способ преобразования ядерной энергии (энергии радиоактивного распада и/или деления) в оптическую энергию и устройство для его осуществления
EP4320469A1 (fr) * 2021-04-05 2024-02-14 PERA Complexity, B.V. Guide d'ondes optique, système de guide d'ondes optique, structures de confinement de lumière, structure de stockage d'énergie lumineuse, système de stockage d'énergie lumineuse et système de stockage et/ou de conversion d'énergie

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6744960B2 (en) * 2000-03-06 2004-06-01 Teledyne Lighting And Display Products, Inc. Lighting apparatus having quantum dot layer
WO2004100327A2 (fr) * 2003-03-05 2004-11-18 California Institute Of Technology Sources de laser a cristaux photoniques pour detection chimique
US7499619B2 (en) * 2004-12-03 2009-03-03 Searete Photonic crystal energy converter
US7333705B2 (en) * 2004-12-03 2008-02-19 Searete Llc Photonic crystal energy converter
US7787734B2 (en) * 2004-12-03 2010-08-31 The Invention Science Fund I, Llc Photonic crystal energy converter
JP2014519621A (ja) * 2011-05-13 2014-08-14 ザ リージェンツ オブ ザ ユニヴァシティ オブ ミシガン 焦点調節ルミネッセンス集光器および熱照射集光器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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