EP3224342A1 - Element injecteur de lumiere - Google Patents

Element injecteur de lumiere

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EP3224342A1
EP3224342A1 EP15801801.0A EP15801801A EP3224342A1 EP 3224342 A1 EP3224342 A1 EP 3224342A1 EP 15801801 A EP15801801 A EP 15801801A EP 3224342 A1 EP3224342 A1 EP 3224342A1
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EP
European Patent Office
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light
light source
injector element
energy
vcsel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15801801.0A
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German (de)
English (en)
Inventor
Gaël RUIZ
Mahmoud AFFI
Alain Louis Andre FRIEDERICH
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Huet Holdings
Original Assignee
Huet Holdings
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3224342A1 publication Critical patent/EP3224342A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
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    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
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    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
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    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/20—Lasers with a special output beam profile or cross-section, e.g. non-Gaussian
    • H01S2301/203—Lasers with a special output beam profile or cross-section, e.g. non-Gaussian with at least one hole in the intensity distribution, e.g. annular or doughnut mode

Definitions

  • the present invention relates to the general field of lighting, and in particular that of lighting for the intensive and continuous culture of photosynthetic microorganisms.
  • lighting elements are known in the state of the art, such as for example the luminescent or neon tube, the fluorescent tube or the light emitting diode (or LED).
  • an LED has an energy emission diagram following a lambertian profile, that is to say in the form of a lobe.
  • An LED emits a maximum energy flow in a main direction perpendicular to its emission surface, and this energy flow decreases as one moves away from this main direction.
  • an LED has an emission cone whose solid angle is limited, typically 90 °.
  • An LED therefore does not emit energy in directions having a steep inclination with respect to the main direction, especially beyond 45 °.
  • an LED when an LED is for example installed on the ceiling of a room so as to emit light mainly vertically, it can not illuminate horizontally, thereby reducing the quality of the lighting in the room. room.
  • Such lighting quality can cause comfort problems for a user and requires a multiplication of lighting systems to remedy this defect.
  • LEDs however, has significant advantages, including their high light output which is almost constant in the duration of use of the LED, especially when the LEDs do not heat up.
  • fluorescent or neon tubes allow energy to be emitted in all radial directions, even horizontally when installed as a ceiling lamp.
  • the energy flow emitted by the lighting elements is as uniform as possible in all directions of emission of said element. lighting, so as to improve the production yield of said microalgae.
  • the document WO201 1/080345 proposes for example light injector elements comprising a tubular light guide, at the end of which is placed an LED.
  • the LED is surrounded by a mirror of parabolic or conical shape, or any other shape that returns the rays of large angles emitted by the LED in the axial direction of the injector.
  • the light guide of the injector element is covered at its end on the side of the LED, a mirror whose opacity decreases when moving away from the light source.
  • this metal mirror is total in the upper part of the injector element, becomes progressively semi-transparent, and finally disappears.
  • the amount of energy emitted by the tube along its sidewall decreases exponentially as one moves away from the LED. , which would result in the light energy coming out essentially in the upper part of the injector element. It is therefore understood that the implementation of such mirrors is essential for the injector element to emit the most uniform energy possible along the tube.
  • This document also proposes to place a mirror at the end of the light guide opposite the LED, so as to return along the light guide of the injector element the light rays coming directly from the LED or reflected in directions having a small angle to the main direction of emission, to compensate for increasing energy losses as one moves away from the LED.
  • This mirror has for example a conical shape, half-spherical, or parabolic, or even a more complex shape.
  • conical-shaped mirrors even of more complex shape, makes it possible to limit the number of reflection of the light rays and thus to reduce the losses associated with the absorption of the reflected luminous flux.
  • An object of the invention is therefore to propose a light injector element making it possible to reduce the losses of light energy between the energy emitted by the light source and the energy leaving the injector element.
  • the invention also aims to provide an injector element for providing a generally uniform energy flow in all directions of emission of said injector element.
  • the invention proposes according to a first aspect a light injector element comprising a body extending along a longitudinal axis, and a light source placed opposite one end of the body, the injector element being characterized in that the light source comprises a plurality of laser diodes vertical cavity emitting by the surface, said plurality of diodes being arranged so as to form an emission surface substantially perpendicular to the longitudinal axis of the body.
  • the body has a cylindrical shape, in particular cylindrical straight or parallelepipedic;
  • Each diode has an elementary emission surface, the emission surface comprising at least all of the elementary emission surfaces;
  • Said diodes are associated so as to form an integrated circuit
  • the light source is configured to emit more light in a peripheral area than in a central area of the transmitting surface
  • the light source is configured to emit light only in the peripheral zone
  • the injector element further comprises a control unit configured to control the light source so that the peripheral zone of the emission surface emits more light than the central zone;
  • the injector element further comprises an end mirror disposed at one end of the body opposite the light source, so as to return in the body the portion of the light beam being reflected against said end mirror;
  • the light source is configured to emit a non-uniform energy density in the peripheral zone of the emission surface;
  • the elementary emission surfaces of the diodes of the peripheral zone are of different dimensions to one another so that the light source emits a non-uniform energy density in the peripheral zone of the emission surface;
  • the injector element further comprises current supplies configured to provide the diodes with a non-uniform electrical current density so that the light source emits a non-uniform energy density in the peripheral area of the transmitting surface.
  • the injector element comprises at least one optical element formed inside the body and configured to pass a fraction of the light beam emitted by the light source propagating in a central part of the body, and to deviate towards the outside said body a fraction of the light beam propagating in a peripheral part of the body, so as to locally distribute the energy emitted by the light source
  • the optical element has an aperture substantially coaxial with the longitudinal axis of the body so as to pass the fraction of the beam of light propagating in the central part of the body
  • the injector element comprises a plurality of optical elements arranged inside the body, and extending at a distance from each other along said body, said optical elements being configured to allow a fraction of the light beam to pass through propagating in a central part of the body more and more restricted as the optical elements are moved away from the light source, so as to distribute the energy emitted by the light source along the body
  • the optical elements each have an aperture substantially coaxial with the longitudinal axis of the body so as to pass a fraction of the light beam propagating in the central part of the body, said openings having a decreasing size with the distance from the the light source;
  • the optical element or elements are diverging lenses, or prisms;
  • the invention relates to a photobioreactor intended for the continuous cultivation of photosynthetic microorganisms, preferably microalgae, said photobioreactor comprising at least one culture chamber intended to contain the culture medium (12) of the microorganisms,
  • said photobioreactor being characterized in that it comprises a light injector element according to the first aspect of the invention, the body of said injector element being placed in the culture chamber.
  • FIG. 1 represents a schematic view, in vertical section, of a photobioreactor intended for the continuous cultivation, in particular of photosynthetic microorganisms, comprising a light injector element according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a diagrammatic sectional view of a structure of a surface-emitting vertical cavity laser diode (VCSEL);
  • VCSEL vertical cavity laser diode
  • FIG. 3 represents a schematic view, in vertical section, of a photobioreactor comprising a light injector element according to a variant of the embodiment illustrated in FIG. 1;
  • FIG. 4 represents a first example of an energy emission profile of a plurality of VCSELs in which the energy density emitted is not uniform over the entire emission surface formed by the VCSELs
  • FIG. 5 represents a second example of an energy emission profile of a plurality of VCSELs in which the energy density emitted is not uniform over the entire emission surface formed by the VCSELs;
  • FIG. 6 represents a schematic view, in vertical section, of a photobioreactor comprising a light injector element according to a variant of the embodiments illustrated in FIGS. 1 and 3;
  • FIG. 7 represents the distribution of the energy emitted by the light injector element illustrated in FIG. 6 over its entire length, when the VCSELs have an emission profile as represented in FIG. 4;
  • FIG. 8 represents the distribution of the energy emitted by the light injector element illustrated in FIG. 6 over its entire length, when the VCSELs have an emission profile as represented in FIG. 5;
  • FIG. 9 represents a perspective view, in vertical section, of a planar light injector element according to a variant of the embodiments illustrated in FIGS. 1, 3 and 6;
  • FIG. 10 represents a perspective view, in vertical section, of a planar light injector element according to a variant of the embodiments illustrated in FIGS. 1, 3, 6 and 9.
  • FIG. 1 shows a photobioreactor 10 intended for the continuous cultivation of, in particular, photosynthetic micro-organisms, preferably microalgae, according to one embodiment of the invention.
  • the photobioreactor 10 comprises at least one culture chamber 1 1 intended to contain the culture medium 12 of the microorganisms, and at least one light injector element 20.
  • the light injector element 20 comprises a cylindrical body 21 extending along a longitudinal axis 22.
  • the longitudinal axis 22 of the light injector element 20 substantially coincides with a vertical direction.
  • cylinder is meant the volume generated by the translation of a surface (forming a base) in a direction orthogonal to the surface.
  • the body 21 may have the shape of a cylinder of revolution (cylinder whose base is a disk) or a prism (cylinder whose base is a polygon).
  • the body 21 may have the shape of a rectangular parallelepiped.
  • the body 21 is placed in the culture chamber 1 1.
  • the body 21 is preferably hollow to avoid losses by absorption, but it will be understood that it may optionally be transparent material, see below.
  • two opposite faces of said body 21 are preferably plates 21a, 21b placed at a short distance from each other. one of the other.
  • the plates 21a, 21b define the length (height) and the width of the body 21, while the distance between the plates 21a, 21b defines the thickness of the body 21.
  • the plates are for example polymethyl methacrylate (PMMA) or glass.
  • the body 21 of the light injector element 20 is coupled with a light source 23 (disposed at the upper end of the light injector element 20 when the latter is oriented vertically) so as to guide the flow of light emitted by the light source 23 and transmit it into the culture medium 12 by its (their) wall (s) side (s) 24.
  • This coupling is for example via a divergent or convergent input lens 30 configured to deflect the beam of light, as will be explained later.
  • the index jump between the central cavity and the casing of the body 21 defining the side walls 24 makes it possible to control the lateral transmission of the light.
  • the presence of a double-walled structure (so as to have two different indices) with possibly roughnesses is necessary.
  • the light is emitted laterally through the plates 21a, 21b.
  • a radiator (preferred common to all the injector elements) refrigerated by a coolant.
  • the present light-diffusing injector element 20 transfers the light energy from the source 23 to the side wall only by refraction phenomena, that is to say by deflecting the light rays at interfaces between two media. (ie index jumps), whether at the possible lens 30, the side wall 24, or any other optical elements 35i (see below).
  • the light source 23 comprises a plurality of surface-emitting vertical cavity laser diodes, so-called VCSEL (Vertical Cavity Surface Emission Laser), arranged so as to form a transmitting surface 26 substantially perpendicular to the longitudinal axis 22 of the body 21 and emitting a light beam in a transmission direction 27 substantially parallel to the longitudinal axis 22 of the body 21.
  • the VCSELs are supplied with electric current via at least one power supply 28.
  • the power supply (s) 28 are for example controlled by a control unit 29.
  • the emission surface 26 is preferably centered on the entrance (end 25) of the body 21.
  • the emitting surface 26 is preferably of a shape adapted to the cross section of the body 21.
  • the emission surface 26 will preferably be a disk, while in the case of a body 21 of the shape of a rectangular parallelepiped, the emission surface 26 will preferably be a strip, as illustrated in FIG. 9 or in FIG.
  • VCSELs are solid-state solid-state lasers with a direct gap to achieve coherent light emission, unlike LEDs that only generate incoherent light.
  • a VCSEL comprises a structure 100 in superposed layers according to the transmission direction 101 of the light beam.
  • the structure 100 includes in particular:
  • a so-called upper metal contact layer 107 having an opening 108, in which is deposited a transparent and conductive metal oxide layer, and through which the light beam 109 is emitted.
  • a VCSEL thus emits a beam of light by an elementary emission surface 1 10 substantially perpendicular to the stacking direction of the layers 102 to 107, unlike conventional solid lasers which emit by the wafer, that is to say by a surface substantially parallel to the stacking direction of the layers (sidewall of the cavity).
  • the elementary emission surface of a VCSEL is, for example, of the order of one hundred ⁇ 2 and the optical power delivered exceeds a few tens of milliwatts in the visible range for a transmission area of a few hundred ⁇ . 2 .
  • the VCSELs have a layered structure 100 extending perpendicularly to the emission direction 101 (so-called "planar" technology) makes it possible to associate a very large number (a few hundred) on a millimeter surface, so as to form a "integrated laser circuit" C-VCSEL comprising an N number of VCSEL.
  • the light energy emitted by the C-VCSEL is the sum of the light energies emitted by each elementary VCSEL if there is no coupling between VCSEL, in particular by the semiconductor layers 103 to 106. to obtain light emissions of high power with a divergence almost zero, unlike LEDs.
  • a C-VCSEL makes it possible to obtain powers exceeding ten optical watts per mm 2 .
  • the plurality of VCSELs of the light source 23 is thus organized in C-VCSEL so that all the elementary emission surfaces 1 10 of the VCSELs form the emission surface 26.
  • C-VCSEL makes it possible to transport the light energy over the entire length of the body 21 as well as to dispense with the mirrors which, in the prior art, were necessary to correct the Lambertian energy profile of the LEDs, thereby reducing the energy losses that were related to the use of these mirrors, as well as the costs of producing the injector element 20.
  • the C-VCSEL can be configured to have a variable energy density on its emission surface 26.
  • the skilled person knows a plurality of techniques to arrive to this result, and the present light injector element will not be limited to any of them.
  • the complex structure of a VCSEL (Bragg mirrors, active layers, etc.) is produced by epitaxy (molecular beam epitaxy, for example) on a substrate 103 conducting at least the entire surface of the C-VCSEL.
  • the delimitation of the elementary VCSELs i.e., the elementary emission surface of each VCSEL
  • optical masks it is thus possible by means of "optical masks" to define the dimensions of the elementary emission surface 1 10 of each VCSEL and their surface densities (in other words to vary the pitch between two adjacent VCSELs) on a given area of the C -VCSEL.
  • Connector technologies are the subject of deposits through masks adapted to the needs of electrical controls, well known to those skilled in the art. It is thus possible to provide "holes" in the emission surface 26, in other words areas devoid of VCSEL. For the sake of clarity, any zones having zero light emission but surrounded by zones having non-zero light emission will be considered as part of the emission surface 26.
  • each VCSEL can be individually connected to a power supply 28.
  • the control unit 29 can be configured to individually control the power supplies 28 so as to deliver current densities. different according to VCSEL.
  • VCSEL can also be controlled in tension.
  • the C-VCSEL can also be delimited by zones and the VCSELs of each zone can be connected to each other and to a dedicated power supply 28 per zone. In the latter two cases, the control unit 29 is for example a matrix control circuit.
  • the VCSELs can be connected to each other and to a single power supply 28. In this case, the power supply 28 is controlled by the control unit 29 so as to deliver a uniform current density (that is, if the VCSELs have the same impedance per unit area, the voltage is the same for all VCSELs).
  • the light source 23 is associated, upstream of the body 21, with a divergent or convergent input lens 30 configured to deflect the light beam emitted by the VCSEL towards the side wall 24. of the body 21.
  • the input lens 30 makes it possible to adjust the angle of attack of the deflected light beam against the side wall 24 of the body 21, so as to control the energy emitted by the body 21.
  • the angle of attack is chosen so that the energy emitted by the injector element is between a predetermined threshold energy and a so-called saturation energy of the microorganisms.
  • the threshold energy corresponds to the minimum energy required for start photosynthesis.
  • the angle of attack then makes it possible to determine the focal length f of the input lens 30.
  • the C-VCSEL makes it possible to emit a substantially cylindrical light beam, parallel to the longitudinal axis 22 of the body 21. and that therefore the angle of attack of the light beam can be more easily controlled by the input lens 30. Moreover, this allows to spread the light task generated when the beam of light is deflected by the lens 30 along the entire length of the side wall 24 of the body 21 and thus to distribute the energy transmitted over the entire length of the body 21.
  • the entry lens 30 is replaced by a diverging prism 301 having a width and a length substantially equal to the thickness and to the width of the body 21, respectively.
  • the faces of the prism 30 ' may be non-planar in order to best distribute the energy along the plates 21a, 21b of the body 21.
  • the emission surface 26 of the C-VCSEL is substantially of the same dimensions as the cross section of the body 21. If the emission surface 26 of the C-VCSEL is smaller than the cross-sectional area of the body 21, the injector element 20 may further be provided with an optical system projecting an enlarged image of the C-VCSEL, preferably the section of the optical guide, on the divergent lens (or prism) 30 located at the entrance of the body 21.
  • the injector element 20 further comprises a mirror 31 disposed at a distal end of the body 21, ie the end opposite the light source 23.
  • the end mirror 31 is configured to return the light beam into the body 21 so as to compensate for the loss of energy extracted from the body 21 when one moves away from the light source 23.
  • the end mirror 31 thus makes it possible to standardize the flow of energy emitted by the side wall 24 of the body 21.
  • the end mirror 31 has for example a flat, semi-spherical, conical or parabolic reflective surface.
  • the profile of the reflecting surface of the mirror 31 is determined so that the light energy reflected by the end mirror 31 decreases as one approaches the light source 23, so that the maximum energy returning to the light source 23.
  • the injector element 20 it is advantageous to return in the body 21 the fraction of the beam of light arriving directly on the end mirror 31 (that is to say without having been reflected by the side wall 24 of the body 21) and the fraction reflected by the side wall 24 of the body 21 towards the end mirror 31. It will also be understood, again in order to limit the energy losses in the injector element 20, that it is advantageous to reduce the fraction of the light beam returning to the light source 23, in particular to prevent the light source from occurring. heated and some of the emitted energy is not transmitted to the culture medium 12.
  • the mirror 31 is preferably of the same dimensions as the cross section of the body 21.
  • the injector element 20 may also be provided with a divergent or convergent end lens 32 provided inside the body 21 facing the end mirror 31, so as to increase the angle of attack against the side wall 24 of the body 21 of the fraction of the light beam reflected against the end mirror 31.
  • the light source 23 is configured to emit more light in a peripheral zone 33 than in a central zone 34 of the emission surface 26.
  • the central zone 34 of the emission surface 26 emits no light. In this way, the portion of the light beam reflected directly (i.e.
  • FIG. 4 An example of the emission profile of the light source 23 having such a density of energy in the emission surface 26 is illustrated in FIG. 4.
  • the energy density is zero in the central zone 34.
  • the body 21 is a cylinder of revolution and the emission profile has a symmetry of revolution about the longitudinal axis 22 of the body 21.
  • the central zone 34 of the emission surface 26 has the shape of a disk and the peripheral zone 35 of the transmission surface 26 has the shape of a ring.
  • the central zone 34 of the transmission surface 26 does not comprise, for example, VCSEL.
  • the photolithographically processed substrate may also be configured to disable the VCSELs (the elementary emission surfaces of the VCSELs) of the central zone 24, so that only the VCSELs of the peripheral zone 33 emit light.
  • control unit 29 controls the light source 23 so that the peripheral area 33 of the transmission surface 26 emits more light than the central area 34.
  • the control unit 22 controls for example, the current supply (s) 28 connected to the VCSELs of the central zone 34 to deliver a low or zero current density, and the current supply (s) 28 connected to the VCSELs of the peripheral zone 33 to deliver a higher current density strong.
  • the VCSELs of the central zone 34 are preferably extinguished. VCSELs can also be controlled in tension.
  • the light source 23 is furthermore configured to emit a non-uniform energy density in the peripheral zone 33 of the emission surface 26.
  • the substrate (after the deposition of the layers defining the structure 100 illustrated in FIG. FIG. 2) treated by photolithography can configured to modulate the elemental emission surface of the VCSELs of the peripheral zone 33 of the transmission surface 26 so as to obtain a non-uniform energy density (in the C-VCSEL).
  • the control unit 29 controls the current supplies 28 so as to deliver a non-uniform current density in the peripheral zone 33 of the transmission surface 26.
  • FIG. 5 An exemplary emission profile of C-VCSEL having such a density of energy in the peripheral zone 33 of the emission surface 26 is illustrated in FIG. 5.
  • the body 21 is a cylinder of revolution and the emission profile has a symmetry of revolution about the longitudinal axis 22 of the body 21.
  • FIG. 5 shows that the light source 23 is configured to emit a decreasing energy from the edge of the central zone 34 towards the edge of the emission surface 26.
  • the energy decreases as one moves away from the central zone 34 passing from a high energy level to a medium high energy level, then, on a second zone s extending from the edge of the first zone towards the edge of the emission surface 26, the energy decreases again as one moves away from the central zone 34 from a low average energy level at a low energy level.
  • the energy level is discontinuous.
  • the injector element 20 further comprises a plurality of optical elements 35i formed inside the body 21 at a distance from each other along said body 21, the optical elements 35i being further configured to pass a fraction of the light beam propagating through an increasingly restricted central portion 36i as the optical elements 35i are moved away from the light source 23.
  • the optical elements 35i thus make it possible to distribute the energy of the light beam along the body 21.
  • first optical element 35i can play the role of the input lens, and thus replace it.
  • the energy emitted by the light source 23 so as to distribute it uniformly along the body 21, so that the average energy along said body 21 is sufficient to allow the development microorganisms.
  • the energy emitted along the body 21 is in particular between a predetermined threshold energy and a so-called saturation energy of the microorganisms.
  • the threshold energy is the minimum energy required to start photosynthesis.
  • the optical elements 35i are preferably of the same shape and substantially of the same dimensions as the cross section of the body 21, the edge of the optical elements 35i being placed against the inner surface of the side wall of the body 21.
  • the optical elements 35i in the case of a body 21 of circular cross section, the optical elements 35i have a diameter substantially equal to the diameter of the body 21, whereas in the case of a body 21 of the shape of a rectangular parallelepiped, the optical elements 35i have a length and a width substantially equal to the width and the thickness of the body 21, respectively.
  • the optical elements 35i are "perforated", they have an opening 38i substantially coaxial with the longitudinal axis 22 of the body 21, so as to pass only the fraction of the light beam propagating in the central portion 36i of the body 21 without deflecting it.
  • the openings 38i are furthermore smaller and smaller as the optical elements 35i are moved away from the light source 23.
  • the opening 38i of the optical elements 35i is preferably of the same shape as the cross section of the body 21.
  • the opening 38i of the optical elements 35i is preferably circular, the diameter Di of the openings 38i then being smaller and smaller as the optical elements 35i are moved away from the light source 23
  • the optical elements 35i are, for example, divergent lenses or prisms deflectors, especially annular prisms.
  • the lenses 35i may have an identical or different focal length.
  • the prisms 35i may have identical or different geometries.
  • each lens 35i is for example positioned in said body by means of an elastic ring (not shown) of plastic, glued against the inner wall of the body 21.
  • the injector element 20 is tubular and the optical elements 35i are diverging lenses having an aperture 38i of diameter Di smaller and smaller as the lens 35i is moved away from the source of 23.
  • the optical elements 35i are diverging lenses having an aperture 38i of diameter Di smaller and smaller as the lens 35i is moved away from the source of 23.
  • a lens 35i intercepts a fraction of the light beam and deflects it outside the body 21.
  • the lens 35i thus makes it possible to output a mean energy of the body over a length Li depending on the focal length of the lens 35i and its diameter Di.
  • the fraction of the light beam intercepted by the lens 35i determines the energy injected over the length Li.
  • a new fraction of the light beam is intercepted by a lens 35i + 1 (to the extent that the lens 35i + 1 has an aperture 38i + 1 of diameter Di + 1 smaller than the lens 35i) and is deflected outwards of the body 21 over a length Li + 1 depending on the focal length fi + 1 of the lens 35i + 1 and its diameter Di + 1.
  • the power received by the lens 35i + 1 is proportional to the difference in surfaces between the openings 38i and 38i + 1. It will be understood that by performing this operation n times (that is to say by positioning n lenses 35i in the body), it is possible to gradually take energy from the beam of light to distribute it uniformly over any the length of the body 21.
  • the length Li corresponds to the distance between the lens 35i and the point of attack of the fraction of the light beam deflected by the edge of the opening 38i of the lens 35i on the side wall 24 of the body 21. It will be understood that to distribute the energy uniformly over the entire length of the body 21, the lens 35i + 1 is preferably placed at a distance from the lens 35i corresponding to the length Li.
  • each lens 35i are optimized according to the number n of lenses 35i. These parameters are as follows: the diameter Di, the length Li (or distance between two consecutive lenses 35i and 35i + 1), and the focal length fi of each lens 35i. It will also be noted that the optimization of the parameters of the lenses 35i may furthermore take into account, for the growth of photosynthetic microorganism, the fact that the average energy emitted by the body 21 must be between the threshold energy and the so-called saturation energy of microorganisms.
  • the injector element 20 thus makes it possible to progressively tap the energy conveyed in the light beam and to deflect it outwardly of the body 21 in a controlled manner.
  • the optical elements 35i are configured to deflect outside the body 21 all the light emitted by the peripheral zone 33 of the emission surface 26.
  • the central zone 34 of the emission surface 26 is dimensions greater than or equal to those of the opening 38i of the optical element 35i farthest from the laser source 23. It will be understood that in this case, all the light beam is deflected by the optical elements 35i and that no fraction of the light beam is directly reflected against the end mirror 31 without having been previously deflected. This prevents the end mirror 31 from reflecting the light beam directly onto the light source 23, which would cause energy losses and overheating of said light source 23.
  • the openings 38i may be formed by pairs of deflector prisms 35i placed opposite and at a distance from one another. the other.
  • Each prism 35i of a pair of prisms then has a first edge placed against the inner surface of a plate 21a, 21b opposite of the body 21, and a second edge extending opposite and at a distance di from the second edge of the other prism 35i of the pair of prisms, the distance di between the premiums 35i of each pair thus forming the opening 38i.
  • the distance di is smaller and smaller as the optical elements 35i are moved away from the light source 23.
  • FIGS. 7 and 8 illustrate the distribution of the energy emitted by a cylindrical body injector element 20 comprising optical elements 35i, respectively when the C-VCSELs follow the emission profiles illustrated in FIGS. 5 and 6.
  • the injector element 20 makes it possible to emit a generally uniform energy level along the entire body 21, when the C-VCSELs have the emission profile shown in FIG. 5, and the emission profile illustrated in FIG. FIG. 6 further improves the uniformity of the distribution of the energy emitted by the injector element 20 along the body 21. Similar results are obtained with an injector element 20 as illustrated in Figure 10, the latter then having a generally uniform emission profile over the entire surface of the plates 21a, 21b.
  • optical elements 35i in combination with a C-VCSEL makes it possible to produce injection elements 20 of great length (greater than one meter) (case of the cylindrical body 21 illustrated in FIGS. ) or large area (case of the body 21 of the shape of a rectangular parallelepiped illustrated in Figure 10) and which has a yield (power transferred to the culture medium / power emitted by C-VCSEL) particularly high, especially higher at 90%.
  • the control unit 29 may also be configured to drive the light source 23 to emit pulsed light.
  • the light can be modulated at high frequencies, especially beyond GHz. On the contrary, LEDs can hardly go beyond 100 MHz.
  • the injector element 20 may also be leaned against a planar heat pipe configured to recover the heat losses of the light source 23.
  • the plane heat pipe is placed in contact with the light source 23, outside the culture chamber 1 1. In this way, the temperature of the culture chamber 11 is maintained more easily at an appropriate temperature for the growth of photosynthetic microorganisms.

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Abstract

L'invention concerne un élément injecteur de lumière (20) comprenant un corps (21) s'étendant selon un axe longitudinal (22), et une source de lumière (23) placée en regard d'une extrémité (25) du corps (21), la source de lumière (23) comprenant une pluralité de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL), ladite pluralité de diodes étant disposées de sorte à former une surface d'émission (26) sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal (22) du corps (21). L'invention concerne également un photobioréacteur (10) comprenant un tel élément injecteurde lumière (20).

Description

ELEMENT INJECTEUR DE LUMIERE
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
La présente invention concerne le domaine général de l'éclairage, et en particulier celui de l'éclairage pour la culture intensive et continue de microorganismes photosynthétiques.
ETAT DE L'ART
De nombreux éléments d'éclairage sont connus de l'état de la technique, comme par exemple le tube luminescent ou néon, le tube fluorescent ou la diode électroluminescente (ou LED).
En particulier, une LED présente un diagramme d'émission énergétique suivant un profil lambertien, c'est-à-dire sous la forme d'un lobe. Une LED émet un flux d'énergie maximum dans une direction principale perpendiculaire à sa surface d'émission, et ce flux énergie décroit à mesure que l'on s'éloigne de cette direction principale.
Par ailleurs, une LED présente un cône d'émission dont l'angle solide est limité, typiquement de 90°. Une LED ne permet donc pas d'émettre d'énergie dans des directions présentant une forte inclinaison par rapport à la direction principale, notamment au-delà de 45°. Ainsi, lorsqu'une LED est par exemple installée au plafond d'une pièce de sorte à émettre de la lumière principalement à la verticale, elle ne peut pas éclairer à l'horizontal, réduisant de ce fait la qualité de l'éclairage dans la pièce. Une telle qualité d'éclairage peut poser des problèmes de confort pour un utilisateur et nécessite une multiplication des systèmes d'éclairage pour remédier à ce défaut.
L'utilisation de LEDs présente cependant des avantages non négligeables, notamment leur rendement lumineux important qui est quasi-constant dans la durée d'utilisation de la LED, en particulier quand les LEDs ne s'échauffent pas. Contrairement aux LEDs, les tubes fluorescents ou néons permettent d'obtenir une émission d'énergie dans toutes les directions radiales, même à l'horizontal lorsqu'ils sont installés en plafonnier.
Cependant, de tels éléments d'éclairage présentent des rendements lumineux bien plus faibles que les LEDs et leur intensité lumineuse diminue avec le temps. Par ailleurs, il arrive souvent que de tels éléments d'éclairage scintillent, ce qui peut être particulièrement gênant pour un utilisateur.
Dans le domaine particulier de l'éclairage pour la culture intensive de microorganismes photosynthétiques, notamment des microalgues, il est essentiel que le flux d'énergie émis par les éléments d'éclairage soit le plus uniforme possible dans toutes les directions d'émission dudit élément d'éclairage, de sorte à améliorer le rendement de production desdites microalgues.
On comprend en effet que d'une façon générale la production dépende directement de la qualité de l'éclairage dans le volume du photobioréacteur dans lequel sont cultivées les microalgues. Il est nécessaire que l'ensemble du liquide biologique soit correctement éclairé avec une énergie moyenne optimale, qui dépend de la nature de la micro-algue. Par conséquent, il faut que l'interface entre les sources lumineuses et le liquide biologique soit la plus grande possible ce qui maximise le volume utile du liquide biologique (bain).
Pour fixer les idées on notera qu'à des concentrations d de l'ordre du gramme par litre, la lumière est absorbée sur une profondeur de λ = 0.5cm. Pour un réacteur d'1 m3, avec une surface de 1 m2 d'éclairement (source de lumière plane de 1 m2), le volume de liquide biologique concerné sera seulement de 1/200 m3. Le réacteur idéal serait tel que le volume éclairé soit égal au volume du réacteur. Plus généralement le facteur de qualité d'un réacteur peut se définir par la relation : Q = SA/V0, où S est la surface éclairée (à la bonne puissance) dans le volume V0 du réacteur, et λ la profondeur de pénétration de la lumière.
Ve étant le volume des éléments éclairants dispersés dans le réacteur la production en Masse M peut s'exprimer par la relation : M = (V0 - Ve)d (où d est la masse de algues par unité de volume). Ces deux relations doivent être maximisées simultanément.
Pour cela, le document WO201 1/080345 propose par exemple des éléments injecteurs de lumière comprenant un guide de lumière de forme tubulaire, à l'extrémité duquel est placée une LED. La LED est entourée d'un miroir de forme parabolique ou conique, ou toute autre forme qui permet de renvoyer les rayons de grands angles émis par la LED dans la direction axiale de l'injecteur.
De plus, le guide de lumière de l'élément injecteur est recouvert, à son extrémité du côté de la LED, d'un miroir dont l'opacité décroit lorsqu'on s'éloigne de la source lumineuse. En d'autres termes, ce miroir métallique est total dans la partie haute de l'élément injecteur, devient progressivement semi-transparent, et in fine disparait. En effet, sans ces miroirs, compte-tenu du profil d'émission énergétique lambertien de la LED, la quantité d'énergie émise par le tube le long de sa paroi latérale décroîtrait exponentiellement à mesure que l'on s'éloigne de la LED, ce qui aurait pour conséquence que l'énergie lumineuse sortirait pour l'essentiel dans la partie haute de l'élément injecteur. On comprend donc que la mise en œuvre de tels miroirs soit essentielle pour que l'élément injecteur émette une énergie la plus uniforme possible le long du tube.
Ce document propose également de placer un miroir à l'extrémité du guide de lumière opposée à la LED, de sorte à renvoyer le long du guide de lumière de l'élément injecteur les rayons lumineux provenant directement de la LED ou réfléchis dans des directions présentant un angle faible par rapport à la direction principale d'émission, afin de compenser les pertes d'énergie croissantes à mesure que l'on s'éloigne de la LED. Ce miroir présente par exemple une forme conique, demi-sphérique, ou parabolique, voire une forme plus complexe.
Or, l'utilisation de tels miroirs introduit une absorption significative du flux d'énergie réfléchi par les miroirs, ce qui en plus d'entraîner une perte d'énergie utile, induit un échauffement local de l'élément injecteur, et in fine un échauffement du liquide biologique (bain). En effet, considérant un miroir de bonne qualité et une émission de lumière d'une longueur d'onde de Ο.δμηη, 5% de l'énergie lumineuse est absorbée lors d'une réflexion sur ledit miroir. Ainsi, s'il n'y a qu'une seule réflexion des rayons lumineux à réorienter et que ces rayons représentent par exemple 50% du flux lumineux, c'est donc 2.5% de l'énergie lumineuse qui peut être absorbée.
Or, notamment dans le cas du miroir entourant la LED, les rayons lumineux présentant les angles les plus forts par rapport à la direction principale d'émission sont réfléchis à plusieurs reprises. Cet effet est par ailleurs renforcé pour des LEDs de grande surface d'émission en comparaison avec la section de l'élément injecteur (surface de quelques dizaines de mm2). Ainsi, une absorption énergétique supérieure à 10% peut être observée, et ce même avec un miroir de bonne qualité.
L'utilisation de miroirs de forme conique voire de forme plus complexe permet de limiter le nombre de réflexion des rayons lumineux et donc de réduire les pertes liées à l'absorption du flux lumineux réfléchi.
Cependant, outre le fait que certains de ces miroirs peuvent être industriellement difficiles à réaliser, l'absorption du flux lumineux qu'ils induisent reste importante.
On comprend donc que la mise en œuvre de tels miroirs est particulièrement compliquées et coûteuse énergétiquement.
Il existe donc un besoin de développer un élément injecteur de lumière pour photobioréacteur permettant de réduire les pertes d'énergie lumineuse.
PRESENTATION DE L'INVENTION
Un objectif de l'invention est donc de proposer un élément injecteur de lumière permettant de réduire les pertes d'énergie lumineuse entre l'énergie émise par la source de lumière et l'énergie sortant de l'élément injecteur. L'invention a également pour objectif de proposer un élément injecteur permettant de fournir un flux d'énergie globalement uniforme dans toutes les directions d'émission dudit élément injecteur. A cet effet, l'invention propose selon un premier aspect un élément injecteur de lumière comprenant un corps s'étendant selon un axe longitudinal, et une source de lumière placée en regard d'une extrémité du corps, l'élément injecteur étant caractérisé en ce que la source de lumière comprend une pluralité de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface, ladite pluralité de diodes étant disposées de sorte à former une surface d'émission sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal du corps.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives :
• le corps présente une forme cylindrique, en particulier cylindrique droite ou parallélépipédique ;
• chaque diode présente une surface d'émission élémentaire, la surface d'émission comprenant au moins l'ensemble des surfaces d'émission élémentaire ;
• lesdites diodes sont associées de sorte à former un circuit intégré ;
· la source de lumière est configurée pour émettre davantage de lumière dans une zone périphérique que dans une zone centrale de la surface d'émission ;
• la source de lumière est configurée pour n'émettre de la lumière que dans la zone périphérique ;
• la zone centrale de la surface d'émission ne comprend pas de diodes ;
· l'élément injecteur comprend en outre une unité de commande configurée pour piloter la source de lumière de sorte que la zone périphérique de la surface d'émission émette davantage de lumière que la zone centrale ;
• l'élément injecteur comprend en outre un miroir d'extrémité disposé à une extrémité du corps opposée à la source de lumière, de sorte à renvoyer dans le corps la partie du faisceau de lumière venant se réfléchir contre ledit miroir d'extrémité ;
• la source de lumière est configurée pour émettre une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique de la surface d'émission ; • les surfaces d'émission élémentaires des diodes de la zone périphérique sont de dimensions différentes entre elles de sorte que la source de lumière émette une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique de la surface d'émission ;
· l'élément injecteur comprend en outre des alimentations en courant configurées pour délivrer aux diodes une densité de courant électrique non uniforme de sorte que la source de lumière émette une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique de la surface d'émission
• l'élément injecteur comprend au moins un élément optique ménagé à l'intérieur du corps et configuré pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière émis par la source de lumière se propageant dans une partie centrale du corps, et dévier vers l'extérieur dudit corps une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie périphérique du corps, de sorte à distribuer localement l'énergie émise par la source de lumière
· l'élément optique présente une ouverture sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal du corps de sorte à laisser passer la fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale du corps
• l'élément injecteur comprend une pluralité d'éléments optiques ménagés à l'intérieur du corps, et s'étendant à distance les uns des autres le long dudit corps, lesdits éléments optiques étant configurés pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie centrale du corps de plus en plus restreinte à mesure que les éléments optiques sont éloignés de la source de lumière, de sorte à répartir l'énergie émise par la source de lumière le long du corps
· les éléments optiques présentent chacun une ouverture sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal du corps de sorte à laisser passer une fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale du corps, lesdites ouvertures présentant une taille décroissante avec l'éloignement par rapport à la source de lumière ; • le ou les éléments optiques sont des lentilles divergentes, ou des prismes ;
• les éléments optiques sont configurés pour dévier vers l'extérieur du corps toute la lumière émise par la zone périphérique de la surface d'émission. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un photobioréacteur destiné à la culture notamment en continu de microorganismes photosynthétiques, de préférence de microalgues, ledit photobioréacteur comprenant au moins une enceinte de culture destinée à contenir le milieu de culture (12) des microorganismes,
ledit photobioréacteur étant caractérisé en ce qu'il comprend un élément injecteur de lumière selon le premier aspect de l'invention, le corps dudit élément injecteur étant placé dans l'enceinte de culture.
PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 représente une vue schématique, en coupe verticale, d'un photobioréacteur destiné à la culture notamment en continu de micro- organismes photosynthétiques, comprenant un élément injecteur de lumière selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 représente une vue schématique, en coupe, d'une structure d'une diode laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) ;
- la figure 3 représente une vue schématique, en coupe verticale, d'un photobioréacteur comprenant un élément injecteur de lumière selon une variante du mode de réalisation illustré à la figure 1 ;
- la figure 4 représente un premier exemple de profil d'émission d'énergie d'une pluralité de VCSEL dans lequel la densité d'énergie émise n'est pas uniforme sur toute la surface d'émission formée par les VCSEL ; - la figure 5 représente un deuxième exemple de profil d'émission d'énergie d'une pluralité de VCSEL dans lequel la densité d'énergie émise n'est pas uniforme sur toute la surface d'émission formée par les VCSEL ;
- la figure 6 représente une vue schématique, en coupe verticale, d'un photobioréacteur comprenant un élément injecteur de lumière selon une variante des modes de réalisation illustrés aux figures 1 et 3 ;
- la figure 7 représente la répartition de l'énergie émise par l'élément injecteur de lumière illustré à la figure 6 sur toute sa longueur, lorsque les VCSEL ont un profil d'émission tel que représenté à la figure 4 ;
- la figure 8 représente la répartition de l'énergie émise par l'élément injecteur de lumière illustré à la figure 6 sur toute sa longueur, lorsque les VCSEL ont un profil d'émission tel que représenté à la figure 5 ;
- la figure 9 représente une vue en perspective, en coupe verticale, d'un élément injecteur de lumière plan selon une variante des modes de réalisation illustrés aux figures 1 , 3 et 6 ;
- la figure 10 représente une vue en perspective, en coupe verticale, d'un élément injecteur de lumière plan selon une variante des modes de réalisation illustrés aux figures 1 , 3, 6 et 9. DESCRIPTION DETAILLEE
La figure 1 montre un photobioréacteur 10 destiné à la culture notamment en continu de micro-organismes photosynthétiques, de préférence de microalgues, selon un mode de réalisation de l'invention.
Le photobioréacteur 10 comprend au moins une enceinte de culture 1 1 destinée à contenir le milieu de culture 12 des micro-organismes, et au moins un élément injecteur de lumière 20.
L'élément injecteur de lumière 20 comprend un corps 21 cylindrique s'étendant selon un axe longitudinal 22. Dans une utilisation en photobioréacteur, l'axe longitudinal 22 de l'élément injecteur de lumière 20 coïncide sensiblement avec une direction verticale. On entend par cylindre, le volume engendré par la translation d'une surface (formant une base) selon une direction orthogonale à la surface. Par exemple, le corps 21 peut présenter la forme d'un cylindre de révolution (cylindre dont la base est un disque) ou d'un prisme (cylindre dont la base est un polygone). En particulier, le corps 21 peut présenter la forme d'un parallélépipède rectangle.
Le corps 21 est placé dans l'enceinte de culture 1 1 . Le corps 21 est de façon préférée creux pour éviter des pertes par absorption, mais on comprendra qu'il peut éventuellement être en matériau transparent, voir plus loin. Dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 9 ou à la figure 10, deux faces opposées dudit corps 21 sont de préférence des plaques 21 a, 21 b placées à faible distance l'une de l'autre. Les plaques 21 a, 21 b définissent la longueur (hauteur) et la largeur du corps 21 , tandis que la distance entre les plaques 21 a, 21 b définit l'épaisseur du corps 21 . Les plaques sont par exemple en polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ou en verre.
Le corps 21 de l'élément injecteur de lumière 20 est couplé avec une source de lumière 23 (disposé en extrémité haute de l'élément injecteur de lumière 20 lorsque celui-ci est orienté verticalement) de façon à guider le flux de lumière émis par la source de lumière 23 et le transmettre dans le milieu de culture 12 par sa (ses) paroi(s) latérale (s) 24. Ce couplage est par exemple via une lentille d'entrée 30 divergente ou convergente configurée pour dévier le faisceau de lumière, comme il sera expliqué plus loin.
Dans le cas d'un élément 20 creux, le saut d'indice entre la cavité centrale et l'enveloppe du corps 21 définissant les parois latérales 24 (plaques 21 a, 21 b pour un corps parallélépipédique) permet de contrôler la transmission latérale de la lumière. Dans le cas d'un élément plein, la présence d'une structure à double enveloppe (de sorte à avoir deux indices différents) avec éventuellement des rugosités est nécessaire.
Dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 9 ou à la figure 10, la lumière est émise latéralement à travers les plaques 21 a, 21 b. De préférence et pour des raisons de gestion des pertes thermiques de la source de lumière 23, on place celle-ci à l'extérieur de l'enceinte de culture 1 1 , en regard d'une extrémité 25 proximale dudit corps, notamment au contact d'un radiateur (préféré commun à tous les éléments injecteurs) réfrigéré par un fluide caloporteur.
On comprendra que le présent élément injecteur diffuseur de lumière 20 ne transfère l'énergie lumineuse du la source 23 à la paroi latérale que par des phénomènes de réfraction, c'est-à-dire de déviation des rayons lumineux à des interfaces entre deux milieu (i.e. des sauts d'indice), que ce soit au niveau de l'éventuelle lentille 30, de la paroi latérale 24, ou d'éventuels autres éléments optiques 35i (voir plus loin).
Les phénomènes dits de diffusion (déviation des rayons lumineux par des particules dans un milieu hétérogène) sont quant à eux au maximum évités (au sein d'un milieu donné, on favorise la transparence maximale). Cela permet de ne perdre quasiment aucune énergie dans le milieu et de restituer 100% de l'énergie fournie par la source 23. Des milieux diffusant ont en effet tendance à chauffer sous l'effet du rayonnement.
La source de lumière 23 comprend une pluralité de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface, dites VCSEL (en terminologie anglo-saxonne « Vertical Cavity Surface Emission Laser »), disposées de sorte à former une surface d'émission 26 sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal 22 du corps 21 et à émettre un faisceau de lumière dans une direction d'émission 27 sensiblement parallèle à l'axe longitudinal 22 du corps 21 . Les VCSEL sont alimentées en courant électrique par l'intermédiaire d'au moins une alimentation en courant 28. La ou les alimentations en courant 28 sont par exemple pilotées par une unité de commande 29. La surface d'émission 26 est de préférence centrée sur l'entrée (extrémité 25) du corps 21 . La surface d'émission 26 est de préférence de forme adaptée à la section transversale du corps 21 . Ainsi, dans le cas d'un corps 21 présentant une section transversale circulaire, la surface d'émission 26 sera de préférence un disque, tandis que dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, la surface d'émission 26 sera de préférence une bande, comme illustré à la figure 9 ou à la figure 10.
Les VCSEL sont des lasers solides à semi-conducteur à gap direct permettant d'obtenir une émission de lumière cohérente, contrairement aux LEDs qui ne permettent que de générer une lumière incohérente.
Comme illustré à la figure 2, une VCSEL comprend une structure 100 en couches superposées selon la direction d'émission 101 du faisceau de lumière. La structure 100 comprend notamment :
- une couche de contact métallique dite inférieure 102,
- un substrat de semi-conducteur 103 présentant un dopage de type n,
- un miroir de Bragg dit inférieur 104 présentant un dopage de type n,
- au moins un puits quantique 105 formant la cavité verticale résonnante,
- un miroir de Bragg dit supérieur 106 présentant un dopage de type p,
- une couche de contact métallique 107 dite supérieure présentant une ouverture 108, dans laquelle est déposée une couche d'oxyde métallique transparente et conductrice, et par laquelle le faisceau de lumière 109 est émis.
Une VCSEL émet donc un faisceau de lumière par une surface d'émission élémentaire 1 10 sensiblement perpendiculaire à la direction d'empilement des couches 102 à 107, contrairement aux lasers solides conventionnels qui émettent par la tranche, c'est-à-dire par une surface sensiblement parallèle à la direction d'empilement des couches (flanc de la cavité).
La surface d'émission élémentaire d'une VCSEL est par exemple de l'ordre de la centaine de μιτι2 et la puissance optique délivrée dépasse les quelques dizaines de milliwatts dans le domaine du visible pour une surface d'émission de quelques centaines de μιτι2.
Le fait que les VCSEL aient une structure 100 en couches s'étendant perpendiculairement à la direction d'émission 101 (technologie dite « planar ») permet d'en associer un très grand nombre (quelques centaines) sur une surface millimétrique, de sorte à former un « circuit intégré laser » C-VCSEL comprenant un nombre N de VCSEL. L'énergie lumineuse émise par le C-VCSEL est la somme des énergies lumineuses émises par chaque VCSEL élémentaire s'il n'y a pas de couplage entre VCSEL, notamment par les couches semi-conductrices 103 à 106 Un C-VCSEL permet ainsi d'obtenir des émissions lumineuses de forte puissance avec une divergence quasiment nulle, contrairement aux LEDs. Un C- VCSEL permet par exemple d'obtenir des puissances dépassant la dizaine de watts optiques par mm2.
La pluralité de VCSEL de la source de lumière 23 est ainsi organisée en C- VCSEL de sorte que l'ensemble des surfaces d'émission élémentaire 1 10 des VCSEL forment la surface d'émission 26.
On comprendra que l'utilisation d'un C-VCSEL permet de transporter l'énergie lumineuse sur toute la longueur du corps 21 ainsi que de se passer des miroirs qui dans l'art antérieur étaient nécessaires pour corriger le profil d'énergie lambertien des LEDs, réduisant de ce fait les pertes énergétiques qui étaient liées à l'utilisation de ces miroirs, ainsi que les coûts de réalisation de l'élément injecteur 20.
Comme l'on verra plus loin, de façon avantageuse le C-VCSEL peut être configuré de sorte à présenter une densité d'énergie variable sur sa surface d'émission 26. L'homme du métier connaît une pluralité de techniques permettant d'arriver à ce résultat, et le présent élément injecteur de lumière ne sera limité à aucune d'entre elles.
En particulier, la structure complexe d'un VCSEL (miroirs de Bragg, couches actives, etc.) est réalisée par épitaxie (épitaxie par jets moléculaires par exemple) sur un substrat 103 conducteur d'au moins toute la surface du C- VCSEL. La délimitation des VCSEL élémentaires (c'est-à-dire de la surface d'émission élémentaire de chaque VCSEL) est faite par lithographie optique. Il est ainsi possible par le biais de « masques optiques » de définir les dimensions de la surface d'émission élémentaire 1 10 de chaque VCSEL et leurs densités surfaciques (autrement dit faire varier le pas entre deux VCSEL adjacentes) sur une zone donnée du C-VCSEL. Les technologies de connectiques font l'objet de dépôts à travers des masques adaptés aux besoins de commandes électriques, bien connues de l'homme de l'art. Il est ainsi possible de prévoir des « trous » dans la surface d'émission 26, en d'autres termes des zones dépourvues de VCSEL. Pour la clarté de la description, les éventuelles zones présentant une émission de lumière nulle mais entourées par des zones présentant une émission de lumière non nulle seront considérées comme faisant partie de la surface d'émission 26.
Alternativement, dans le C-VCSEL, chaque VCSEL peut être connectée individuellement à une alimentation en courant 28. Dans ce cas, l'unité de commande 29 peut être configurée pour commander individuellement les alimentations en courant 28 de sorte à délivrer des densités de courant différentes selon les VCSEL. On peut aussi commander les VCSEL en tension. Le C-VCSEL peut également être délimité par zones et les VCSEL de chaque zone peuvent être connectées entre elles et à une alimentation en courant 28 dédiée par zone. Dans ces deux derniers cas, l'unité de commande 29 est par exemple un circuit de commande matricielle. Les VCSEL peuvent au contraire être connectées entre elles et à une unique alimentation en courant 28. Dans ce cas, l'alimentation en courant 28 est pilotée par l'unité de commande 29 de sorte à délivrer une densité de courant uniforme (autrement dit, si les VCSEL ont la même impédance par unité de surface, la tension est la même pour tous les VCSEL).
Dans l'exemple illustré à la figure 1 , la source de lumière 23 est associée, en amont du corps 21 , à une lentille d'entrée 30 divergente ou convergente configurée pour dévier le faisceau de lumière émis par les VCSEL vers la paroi latérale 24 du corps 21 . La lentille d'entrée 30 permet d'ajuster l'angle d'attaque du faisceau de lumière dévié contre la paroi latérale 24 du corps 21 , de sorte à contrôler l'énergie émise par le corps 21 . De préférence, l'angle d'attaque est choisi de sorte que l'énergie émise par l'élément injecteur soit comprise entre une énergie seuil prédéterminée et une énergie dite de saturation des micro- organismes. L'énergie seuil correspond à l'énergie minimale nécessaire pour amorcer la photosynthèse. L'angle d'attaque permet ensuite de déterminer la focale f de la lentille d'entrée 30. On comprendra que le C-VCSEL permet d'émettre un faisceau de lumière sensiblement cylindrique, parallèle à l'axe longitudinal 22 du corps 21 , et que de ce fait l'angle d'attaque du faisceau de lumière peut être plus aisément contrôlé par la lentille d'entrée 30. Par ailleurs, cela permet d'étaler la tâche lumineuse générée lorsque le faisceau de lumière est dévié par la lentille d'entrée 30 sur toute la longueur de la paroi latérale 24 du corps 21 et ainsi de répartir l'énergie émise sur toute la longueur du corps 21 .
Dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 9, la lentille d'entrée 30 est remplacée par un prisme divergent 301 présentant une largeur et une longueur sensiblement égales à l'épaisseur et à la largeur du corps 21 , respectivement. Les faces du prisme 30' peuvent être non planes afin de distribuer au mieux l'énergie le long des plaques 21 a, 21 b du corps 21 .
Dans les exemples illustrés aux figures 1 et 3, la surface d'émission 26 du C-VCSEL est sensiblement de mêmes dimensions que la section transversale du corps 21 . Si la surface d'émission 26 du C-VCSEL est de dimensions inférieures à la section transversale du corps 21 , l'élément injecteur 20 peut en outre être pourvu d'un système optique projetant une image agrandie du C-VCSEL, de préférence de la section du guide optique, sur la lentille (ou le prisme) divergente 30 située en entrée du corps 21 .
Dans l'exemple illustré à la figure 1 , l'élément injecteur 20 comprend en outre un miroir 31 disposé à une extrémité distale du corps 21 , i.e. l'extrémité opposée à la source de lumière 23. Le miroir d'extrémité 31 est configuré pour renvoyer le faisceau de lumière dans le corps 21 de sorte à compenser la perte d'énergie extraite du corps 21 lorsque l'on s'éloigne de la source de lumière 23. Le miroir d'extrémité 31 permet ainsi d'uniformiser le flux d'énergie émis par la paroi latérale 24 du corps 21 . Le miroir d'extrémité 31 présente par exemple une surface réfléchissante plane, demi-sphérique, conique ou parabolique. De préférence, le profil de la surface réfléchissante du miroir 31 est déterminée de sorte que l'énergie lumineuse réfléchie par le miroir d'extrémité 31 diminue à mesure que l'on s'approche de la source de lumière 23, afin que réduire au maximum l'énergie revenant sur la source de lumière 23. On comprendra en effet que pour limiter les pertes d'énergie dans l'élément injecteur 20, il est avantageux de renvoyer dans le corps 21 la fraction du faisceau de lumière arrivant directement sur le miroir d'extrémité 31 (c'est-à-dire sans avoir été réfléchie par la paroi latérale 24 du corps 21 ) et la fraction réfléchie par la paroi latérale 24 du corps 21 vers le miroir d'extrémité 31 . On comprendra également, toujours pour limiter les pertes d'énergie dans l'élément injecteur 20, qu'il est avantageux de réduire la fraction du faisceau de lumière revenant sur la source de lumière 23 afin notamment d'éviter que cette dernière ne s'échauffe et qu'une partie de l'énergie émise ne soit pas transmise au milieu de culture 12. Le miroir 31 est de préférence de mêmes dimensions que la section transversale du corps 21 .
Comme illustré à la figure 3, l'élément injecteur 20 peut également être muni d'une lentille d'extrémité 32 divergente ou convergente ménagée à l'intérieur du corps 21 en regard du miroir d'extrémité 31 , de sorte à augmenter l'angle d'attaque contre la paroi latérale 24 du corps 21 de la fraction du faisceau de lumière réfléchie contre le miroir d'extrémité 31 . De cette manière, l'énergie réfléchie par le miroir d'extrémité 31 est plus rapidement consommée et les risques que cette énergie ne retourne sur la source de lumière 23 sont limités. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la source de lumière 23 est configurée pour émettre davantage de lumière dans une zone périphérique 33 que dans une zone centrale 34 de la surface d'émission 26. De préférence, la zone centrale 34 de la surface d'émission 26 n'émet aucune lumière. De cette manière, la partie du faisceau de lumière réfléchie directement (c'est-à-dire sans avoir été réfléchie par la paroi latérale 24 du corps 21 ) contre le miroir d'extrémité 31 est limitée voire supprimée, réduisant de ce fait l'énergie réfléchie par le miroir d'extrémité 31 directement vers la source de lumière 23. Cela permet en outre de limiter la quantité d'énergie réfléchie par le miroir d'extrémité 31 , et ainsi de réduire les pertes énergétiques liées à cette réflexion.
Un exemple de profil d'émission de la source de lumière 23 présentant une telle densité d'énergie dans la surface d'émission 26 est illustré à la figure 4. Dans cet exemple, la densité d'énergie est nulle dans la zone centrale 34 et uniforme dans la zone périphérique 33. Dans cet exemple, le corps 21 est un cylindre de révolution et le profil d'émission présente une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal 22 du corps 21 . La zone centrale 34 de la surface d'émission 26 présente la forme d'un disque et la zone périphérique 35 de la surface d'émission 26 présente la forme d'un anneau.
Selon ce mode de réalisation préféré, la zone centrale 34 de la surface d'émission 26 ne comprend par exemple pas de VCSEL. Le substrat traité par photolithographie peut également être configuré pour désactiver les VCSEL (les surfaces d'émission élémentaires des VCSEL) de la zone centrale 24, de sorte que seules les VCSEL de la zone périphérique 33 émettent de la lumière.
Selon une variante, l'unité de commande 29 pilote la source de lumière 23 de sorte que la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26 émette davantage de lumière que la zone centrale 34. Pour cela, l'unité de commande 22 commande par exemple la ou les alimentations en courant 28 reliées aux VCSEL de la zone centrale 34 de délivrer une densité de courant faible voire nulle, et la ou les alimentations en courant 28 reliées aux VCSEL de la zone périphérique 33 de délivrer une densité de courant plus forte. Les VCSEL de la zone centrale 34 sont de préférence éteintes. Les VCSEL peuvent également être commandées en tension.
Avantageusement, la source de lumière 23 est en outre configurée pour émettre une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26. Pour cela, le substrat (après le dépôt des couches définissant la structure 100 illustrée à la figure 2) traité par photolithographie peut être configuré pour moduler la surface d'émission élémentaire des VCSEL de la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26 de sorte à obtenir une densité d'énergie non uniforme (dans le C-VCSEL). En variante, l'unité de commande 29 commande les alimentations en courant 28 de sorte à délivrer une densité de courant non uniforme dans la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26.
Un exemple de profil d'émission du C-VCSEL présentant une telle densité d'énergie dans la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26 est illustré à la figure 5. Dans cet exemple, le corps 21 est un cylindre de révolution et le profil d'émission présente une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal 22 du corps 21 . On voit sur la figure 5 que la source de lumière 23 est configurée pour émettre une énergie décroissante depuis le bord de la zone centrale 34 vers le bord de la surface d'émission 26. Plus précisément, sur une première zone s'étendant depuis le bord de la zone centrale 34, l'énergie décroît à mesure que l'on s'éloigne de la zone centrale 34 passant d'un niveau d'énergie élevé à un niveau d'énergie moyen haut, puis, sur une deuxième zone s'étendant depuis le bord de la première zone vers le bord de la surface d'émission 26, l'énergie décroît à nouveau à mesure que l'on s'éloigne de la zone centrale 34 passant d'un niveau d'énergie moyen faible à un niveau d'énergie faible. A l'interface entre la première zone et la deuxième zone, le niveau d'énergie est donc discontinu.
Dans l'exemple illustré à la figure 6, l'élément injecteur 20 comprend en outre une pluralité d'éléments optiques 35i ménagés à l'intérieur du corps 21 à distance les uns des autres le long dudit corps 21 , les éléments optiques 35i étant en outre configurés pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie centrale 36i de plus en plus restreinte à mesure que les éléments optiques 35i sont éloignés de la source de lumière 23. De cette manière, à chaque fois que le faisceau de lumière traverse un élément optique 35i, ce dernier est ponctionné d'une partie de son énergie pour la transmettre vers l'extérieur du corps 21 . Les éléments optiques 35i permettent ainsi de répartir l'énergie du faisceau de lumière le long du corps 21 . On comprendra que le premier élément optique 35i peut jouer le rôle de la lentille 30 d'entrée, et ainsi la remplacer.
On comprendra qu'il est ainsi possible de prélever l'énergie émise par la source de lumière 23 de manière à la répartir uniformément le long du corps 21 , de sorte que l'énergie moyenne le long dudit corps 21 soit suffisante pour permettre le développement des microorganismes. L'énergie émise le long du corps 21 est notamment comprise entre une énergie seuil prédéterminée et une énergie dite de saturation des micro-organismes. L'énergie seuil correspond à l'énergie minimale nécessaire pour amorcer la photosynthèse.
Les éléments optiques 35i sont de préférence de même forme et sensiblement de mêmes dimensions que la section transversale du corps 21 , le bord des éléments optiques 35i étant placé contre la surface intérieure de la paroi latérale du corps 21 . Ainsi, dans le cas d'un corps 21 de section transversale circulaire, les éléments optiques 35i présentent un diamètre sensiblement égal au diamètre du corps 21 , tandis que dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, les éléments optiques 35i présentent une longueur et une largeur sensiblement égales à la largeur et à l'épaisseur du corps 21 , respectivement.
Par exemple, les éléments optiques 35i sont « troués », ils présentent une ouverture 38i sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal 22 du corps 21 , de sorte à ne laisser passer que la fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale 36i du corps 21 sans la dévier. Les ouvertures 38i sont en outre de plus en plus petites à mesure que les éléments optiques 35i sont éloignés de la source de lumière 23.
L'ouverture 38i des éléments optiques 35i est de préférence de même forme que la section transversale du corps 21 . Ainsi, lorsque le corps 21 est tubulaire, l'ouverture 38i des éléments optiques 35i est de préférence circulaire, le diamètre Di des ouvertures 38i étant alors de plus en plus petit à mesure que les éléments optiques 35i sont éloignés de la source de lumière 23. Les éléments optiques 35i sont par exemple des lentilles divergentes ou des prismes déflecteurs, notamment des prismes annulaires. Les lentilles 35i peuvent présenter une focale identique ou différente. De même, les prismes 35i peuvent présenter des géométries identiques ou différentes.
Lorsque le corps 21 est tubulaire, chaque lentille 35i est par exemple positionnée dans ledit corps au moyen d'un anneau élastique (non représenté) en plastique, collé contre la paroi intérieure du corps 21 .
Dans l'exemple illustré à la figure 6, l'élément injecteur 20 est tubulaire et les éléments optiques 35i sont des lentilles divergentes présentant une ouverture 38i de diamètre Di de plus en plus petite à mesure que la lentille 35i est éloignée de la source de lumière 23. Dans cet exemple, lorsque la source de lumière 23 émet le faisceau de lumière dans la direction d'émission, une lentille 35i intercepte une fraction du faisceau de lumière et la dévie vers l'extérieur du corps 21 . La lentille 35i permet ainsi de faire sortir une énergie moyenne du corps sur une longueur Li dépendant de la focale fi de la lentille 35i et de son diamètre Di. La fraction du faisceau de lumière interceptée par la lentille 35i détermine l'énergie injectée sur la longueur Li. Au bout de la longueur Li, une nouvelle fraction du faisceau de lumière est interceptée par une lentille 35i+1 (dans la mesure où la lentille 35i+1 présente une ouverture 38i+1 de diamètre Di+1 inférieur à la lentille 35i) et est déviée vers l'extérieur du corps 21 sur une longueur Li+1 dépendant de la focale fi+1 de la lentille 35i+1 et de son diamètre Di+1 . La puissance reçue par la lentille 35i+1 est proportionnelle à la différence de surfaces entre les ouvertures 38i et 38i+1 . On comprendra qu'en réalisant cette opération n fois (c'est-à-dire en positionnant n lentilles 35i dans le corps), il est possible de prélever progressivement de l'énergie du faisceau de lumière pour la distribuer de manière uniforme sur toute la longueur du corps 21 .
La longueur Li correspond à la distance entre la lentille 35i et le point d'attaque de la fraction du faisceau de lumière déviée par le bord de l'ouverture 38i de la lentille 35i sur la paroi latérale 24 du corps 21 . On comprendra que pour répartir l'énergie de manière uniforme sur toute la longueur du corps 21 , la lentille 35i+1 est de préférence placée à une distance de la lentille 35i correspondant à la longueur Li.
On comprendra par ailleurs que pour obtenir une distribution de l'énergie uniforme sur toute la longueur du corps 21 , les paramètres de chaque lentille 35i sont optimisés en fonction du nombre n de lentilles 35i. Ces paramètres sont les suivants : le diamètre Di, la longueur Li (ou distance entre deux lentilles consécutives 35i et 35i+1 ), et la focale fi de chaque lentille 35i. On notera également que l'optimisation des paramètres des lentilles 35i peut en outre prendre en compte, pour la croissance de micro-organisme photosynthétique, le fait que l'énergie moyenne émise par le corps 21 doit être comprise entre l'énergie seuil et l'énergie dite de saturation des micro-organismes.
L'élément injecteur 20 permet ainsi de ponctionner progressivement l'énergie véhiculée dans le faisceau de lumière et de la dévier vers l'extérieur du corps 21 de manière contrôlée.
Avantageusement, les éléments optiques 35i sont configurés pour dévier vers l'extérieur du corps 21 toute la lumière émise par la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26. Pour cela, la zone centrale 34 de la surface d'émission 26 est de dimensions supérieures ou égales à celles de l'ouverture 38i de l'élément optique 35i le plus éloigné de la source laser 23. On comprendra en effet que dans ce cas, tout le faisceau de lumière est dévié par les éléments optiques 35i et qu'aucune fraction du faisceau de lumière ne vient directement se réfléchir contre le miroir d'extrémité 31 sans avoir été préalablement déviée. On évite ainsi que le miroir d'extrémité 31 ne réfléchisse le faisceau de lumière directement sur la source de lumière 23, ce qui entraînerait des pertes d'énergie et une surchauffe de ladite source de lumière 23.
En variante, dans le cas particulier d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 10, les ouvertures 38i peuvent être formées par des couples de prismes déflecteurs 35i placés en regard et à distance l'un de l'autre. Chaque prisme 35i d'un couple de prismes présente alors un premier bord placé contre la surface intérieure d'une plaque 21 a, 21 b opposée du corps 21 , et un deuxième bord s'étendant en regard et à une distance di du deuxième bord de l'autre prisme 35i du couple de prismes, la distance di entre les primes 35i de chaque couple formant ainsi l'ouverture 38i. La distance di est de plus en plus petite à mesure que les éléments optiques 35i sont éloignés de la source de lumière 23.
Les figures 7 et 8 illustrent la répartition de l'énergie émise par un élément injecteur 20 à corps 21 cylindrique comprenant des éléments optiques 35i, respectivement lorsque les C-VCSEL suivent les profils d'émission illustrés aux figures 5 et 6. On observe que l'élément injecteur 20 permet d'émettre un niveau d'énergie globalement uniforme sur tout le long du corps 21 , lorsque les C-VCSEL ont le profil d'émission illustré à la figure 5, et que le profil d'émission illustré à la figure 6 permet d'améliorer encore l'uniformité de la répartition de l'énergie émise par l'élément injecteur 20 le long du corps 21 . Des résultats similaires sont obtenus avec un élément injecteur 20 tel qu'illustré à la figure 10, ce dernier présentant alors un profil d'émission globalement uniforme sur toute la surface des plaques 21 a, 21 b.
Le fait d'utiliser des éléments optiques 35i en combinaison d'un C-VCSEL comme source de lumière 23 permet de réaliser des éléments injecteurs 20 de grande longueur (supérieure à un mètre) (cas du corps 21 cylindrique illustré aux figures 1 et 3) ou de grande surface (cas du corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle illustré à la figure 10) et qui présente un rendement (puissance transférée au milieu de culture/puissance émise par le C-VCSEL) particulièrement élevé, notamment supérieur à 90%. L'unité de commande 29 peut également être configurée pour piloter la source de lumière 23 de sorte qu'elle émette une lumière puisée. En particulier, avec les VCSEL, la lumière peut être modulée à des fréquences élevées, notamment au-delà du GHz. Au contraire, les LEDs peuvent difficilement aller au- delà de 100 MHz. L'élément injecteur 20 peut également être adossé à un caloduc plan configuré pour récupérer les pertes thermiques de la source de lumière 23. Le caloduc plan est placé en contact avec la source de lumière 23, à l'extérieur de l'enceinte de culture 1 1 . De cette manière, la température de l'enceinte de culture 1 1 est maintenue plus facilement à une température ad hoc pour la croissance de micro-organismes photosynthétiques.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Elément injecteur de lumière (20) comprenant un corps (21 ) s'étendant selon un axe longitudinal (22), et une source de lumière (23) placée en regard d'une extrémité (25) du corps (21 ),
l'élément injecteur (20) étant caractérisé en ce que la source de lumière (23) comprend une pluralité de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL), ladite pluralité de diodes étant disposées de sorte à former une surface d'émission (26) sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal (22) du corps (21 ), la source de lumière (23) étant associée, en amont du corps (21 ), à une lentille d'entrée (30) divergente ou convergente configurée pour dévier le faisceau de lumière émis par ladite pluralité de diodes vers une paroi latérale (24) du corps (21 ).
2. Elément injecteur (20) selon la revendication 1 , dans lequel le corps (21 ) présente une forme cylindrique, en particulier cylindrique droite ou parallélépipédique.
3. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel chaque diode (VCSEL) présente une surface d'émission élémentaire (1 10), la surface d'émission (26) comprenant au moins l'ensemble des surfaces d'émission élémentaire (1 10).
4. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel lesdites diodes (VCSEL) sont associées de sorte à former un circuit intégré (C-VCSEL).
5. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la source de lumière (23) est configurée pour émettre davantage de lumière dans une zone périphérique (33) que dans une zone centrale (34) de la surface d'émission (26).
6. Elément injecteur (20) selon la revendication 5, dans lequel la source de lumière (23) est configurée pour n'émettre de la lumière que dans la zone périphérique (33).
7. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 5 et 6, dans lequel la zone centrale (34) de la surface d'émission (26) ne comprend pas de diodes (VCSEL).
8. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 5 et 6, comprenant en outre une unité de commande (29) configurée pour piloter la source de lumière
(23) de sorte que la zone périphérique (33) de la surface d'émission (26) émette davantage de lumière que la zone centrale (24).
9. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 5 à 8, comprenant en outre un miroir d'extrémité (31 ) disposé à une extrémité du corps (21 ) opposée à la source de lumière (23), de sorte à renvoyer dans le corps (21 ) la partie du faisceau de lumière venant se réfléchir contre ledit miroir d'extrémité (31 ).
10. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 5 à 9, dans lequel la source de lumière (23) est configurée pour émettre une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique (33) de la surface d'émission (26).
1 1 . Elément injecteur (20) selon la revendication 3 en combinaison avec la revendication 10, dans lequel les surfaces d'émission élémentaires des diodes (VCSEL) de la zone périphérique (33) sont de dimensions différentes entre elles de sorte que la source de lumière (23) émette une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique (33) de la surface d'émission (26).
12. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 10 et 1 1 , comprenant en outre des alimentations en courant (28) configurées pour délivrer aux diodes (VCSEL) une densité de courant électrique non uniforme de sorte que la source de lumière (23) émette une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique (33) de la surface d'émission (26).
13. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 1 à 12, comprenant au moins un élément optique (35i) ménagé à l'intérieur du corps (21 ) et configuré pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière émis par la source de lumière (23) se propageant dans une partie centrale (36i) du corps (21 ), et dévier vers l'extérieur dudit corps (21 ) une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie périphérique (37i) du corps (21 ), de sorte à distribuer localement l'énergie émise par la source de lumière (23).
14. Elément injecteur (20) selon la revendication 13, dans lequel l'élément optique (35i) présente une ouverture (38i) sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal (22) du corps (21 ) de sorte à laisser passer la fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale (36i) du corps (21 ).
15. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 14, comprenant une pluralité d'éléments optiques (35i) ménagés à l'intérieur du corps (21 ), et s'étendant à distance les uns des autres le long dudit corps (21 ), lesdits éléments optiques (35i) étant configurés pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie centrale (36i) du corps (21 ) de plus en plus restreinte à mesure que les éléments optiques (35i) sont éloignés de la source de lumière (23), de sorte à répartir l'énergie émise par la source de lumière (23) le long du corps (21 ).
16. Elément injecteur (20) selon la revendication 15, dans lequel les éléments optiques (35i) présentent chacun une ouverture (38i) sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal (22) du corps (21 ) de sorte à laisser passer une fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale (36i) du corps (21 ), lesdites ouvertures (38i) présentant une taille décroissante avec l'éloignement par rapport à la source de lumière (23).
17. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 13 à 16, dans lequel le ou les éléments optiques (35i) sont des lentilles divergentes, ou des prismes.
18. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 13 à 17, dans lequel les éléments optiques (35i) sont configurés pour dévier vers l'extérieur du corps (21 ) toute la lumière émise par la zone périphérique (33) de la surface d'émission (26).
19. Photobioréacteur (10) destiné à la culture notamment en continu de microorganismes photosynthétiques, de préférence de microalgues, ledit photobioréacteur (10) comprenant au moins une enceinte de culture (1 1 ) destinée à contenir le milieu de culture (12) des microorganismes,
ledit photobioréacteur (10) étant caractérisé en ce qu'il comprend un élément injecteur de lumière (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, le corps (21 ) dudit élément injecteur (20) étant placé dans l'enceinte de culture (1 1 ).
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