EP4352838A1 - Station de chauffage comprenant un émetteur laser - Google Patents

Station de chauffage comprenant un émetteur laser

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Publication number
EP4352838A1
EP4352838A1 EP22735353.9A EP22735353A EP4352838A1 EP 4352838 A1 EP4352838 A1 EP 4352838A1 EP 22735353 A EP22735353 A EP 22735353A EP 4352838 A1 EP4352838 A1 EP 4352838A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser
heating station
laser diode
support
chips
Prior art date
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Pending
Application number
EP22735353.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Guy Feuilloley
Laurent Danel
Anthony LE PECHOUR
Nicolas Chomel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sidel Participations SAS
Original Assignee
Sidel Participations SAS
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01S5/34306—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000nm, e.g. InP based 1300 and 1500nm lasers
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    • H01S5/4018—Lasers electrically in series

Definitions

  • the present invention relates to a laser transmitter for a heating station of a receptacle manufacturing installation of the type comprising a plurality of laser chips mounted on an external face of at least one support, each laser chip comprising at least one laser diode arranged to emitting laser radiation in the infrared range in an emission direction substantially perpendicular to the outer face of the support.
  • the invention also relates to a heating station of a container manufacturing installation comprising a plurality of such laser emitters.
  • Such a heating station, or oven is equipped with a succession of laser emitters, the laser chips of which are arranged to emit laser radiation in the infrared range in the direction of preforms made of synthetic material moving through the heating station. by rotating on themselves in order to apply a heating profile to these preforms and allow their subsequent deformation, for example by stretch blow molding so as to produce containers from the preforms.
  • Each laser chip includes a plurality of laser diodes emitting the desired laser radiation.
  • Such laser diodes are in particular vertical cavity laser diodes emitting via the surface (Vertical Cavity Surface Emitting Laser or VCSEL).
  • a heating station comprises a large number of laser transmitters each comprising a large number of laser chips.
  • One of the aims of the invention is to overcome these drawbacks by proposing a heating station comprising a plurality of laser emitters whose manufacture and assembly are simplified and whose electrical consumption can be reduced, while limiting losses. electrical.
  • the invention relates to a heating station for a receptacle manufacturing installation comprising a plurality of laser emitters of the aforementioned type, in which each laser diode comprises at least two active regions stacked on top of each other. in the direction of emission, each active region participating in the laser radiation emitted by said laser diode.
  • the laser diodes By using such laser diodes in the laser chips of the transmitter, it is possible to reduce the number of chips needed to obtain laser radiation equivalent to that of traditional laser transmitters, whose laser diodes each comprise a single active region. Thus, the manufacture of a laser transmitter is simplified and its assembly in a heating station as well. The number of electrical wiring operations is also reduced.
  • the laser chips used in the laser transmitter according to the invention can operate at a lower intensity current, which improves the efficiency of the heating station by reducing the electrical consumption and by limiting the electrical losses by effect. joule. Additionally, this lower current also increases the lifetime of laser diodes used in laser chips.
  • the laser transmitter according to the invention may further comprise one or more of the following characteristics, taken in isolation or according to any technically possible combination:
  • each laser diode is a vertical cavity laser diode emitting through the surface, each active region being a quantum well junction extending in a direction substantially perpendicular to the direction of emission and substantially parallel to the external face of the support;
  • the laser radiation is emitted by an active aperture of each laser diode, said active aperture extending substantially parallel to the outer face of the support and having a diameter substantially between 5 ⁇ m and 25 ⁇ m;
  • each laser diode has a wavelength substantially between 1120 nm and 1140 nm;
  • each laser diode comprises three active regions stacked on top of each other in the direction of emission, each active region participating in the laser radiation emitted by said laser diode;
  • each laser chip has an optical power density in irradiation substantially between 1 and 20 W.mm -2 ;
  • the laser transmitter comprises between five and sixty laser chips, said laser chips being arranged in at least one row comprising a plurality of laser chips adjacent to each other in a longitudinal direction substantially perpendicular to the direction of emission;
  • the laser transmitter comprises a cooling device arranged on an inner face of the support, opposite to the outer face of the support, said support being made of a thermally conductive material, so as to allow the cooling of the laser chips by the cooling device , and electrical insulator;
  • the laser chips are supplied with electric current, said electric current having an intensity substantially less than or equal to 10A, preferably less than or equal to 8A.
  • the invention relates to an installation for manufacturing receptacles comprising a heating station which comprises a plurality of laser emitters as described above, said laser emitters being distributed along a direction of elevation corresponding to the height preforms intended to be formed into containers in the manufacturing installation and in a longitudinal direction corresponding to a running direction of the preforms in the heating station facing the laser emitters.
  • heating station 1 or oven, of an installation for manufacturing containers from preforms 2, comprising a plurality of laser emitters 4.
  • the heating station 1 comprises two walls 6 formed in particular by the laser emitters 4, the walls 6 being opposite on either side of the heating station 1.
  • the walls 6 define between them an enclosure within which the preforms pass 2 along a circulation path T defining a longitudinal direction.
  • the walls 6 are spaced from each other in a transverse direction substantially perpendicular to the longitudinal direction so as to extend on either side of the circulation path T.
  • the path T has been shown as being straight, but it is understood that it could be curved in certain areas depending on the configuration of the container manufacturing installation.
  • the heating station comprises a system for gripping and moving the preforms 2 (not shown) along the circulation path T between the walls 6.
  • the preforms 2 are more particularly held so that their respective axis extends in a direction of elevation substantially perpendicular to the longitudinal direction and to the transverse direction.
  • the direction of elevation corresponds to the height of the preforms 2 and to the height of the walls 6.
  • the gripping system can be arranged so that the preforms 2 rotate around their axis when they travel along route T.
  • the walls 6 both emit laser radiation, via laser emitters 4 as will be described later, and reflect radiation, for example via reflectors 8 , also forming the walls 6 and extending between columns of emitters 4.
  • the laser emitters 4 are arranged one above the other in the direction of elevation in columns so that the entire height of the preforms, at the except their collar, may be exposed to the radiation emitted by the transmitters.
  • two laser transmitters 4 have been shown one above the other in the elevation direction. Columns of emitters 4 are arranged side by side in the longitudinal direction so that the preforms are exposed to radiation along the entire circulation path T.
  • Such a heating station arrangement is known per se and will not be described in more detail here.
  • All the laser emitters 4 of the heating station 1 are for example similar and one of them will now be described with reference to Figs. 2 and 3.
  • the laser transmitter 4 comprises at least one support 10 , an outer face 12 of which receives laser chips 14 , as shown in the .
  • the outer face 12 of the support 10 extends facing the circulation path T so that the radiation emitted by the laser chips 14 is directed towards the preforms 2, as will be described in more detail later.
  • the laser transmitter comprises several supports 10 each receiving several laser chips 14.
  • a cooling device 16 also known by the term “microcooler”, is mounted on the internal face 18 of the support 10, opposite to the external face 12, that is to say that the internal face 18 extends to the outside the enclosure.
  • the support 10 is for example welded to the cooling device 16 by a layer of solder 17 , as shown in the .
  • the cooling device 16 is arranged to cool the laser chips 14 extending from the other side of the support 10 on the external face 12.
  • the cooling device 16 is mounted on a cold plate 19 comprising for example conduits 20 of supply and evacuation of a heat transfer fluid, as known per se and as shown in the , in order to cool the cooling device 16, which in turn cools the laser chips 14.
  • the support 10 is made of a material having good thermal conduction properties and electrical insulation, such as ceramic for example.
  • the laser chips 14 are arranged on the support 10 in a row next to each other in the longitudinal direction.
  • Each laser transmitter 4 comprises at least one row of laser chips 14.
  • the laser transmitter 4 comprises for example two rows of laser chips 14 arranged on the outer face 12 one above the other. according to the direction of elevation. It is understood that more than two rows can be provided depending on the dimension of the laser emitter 4. It is also understood that other arrangements of laser chips on the support 10 can be envisaged, the arrangement represented on the given only by way of non-limiting example.
  • a laser transmitter 4 comprises for example between five and sixty laser chips, for example between five and thirty laser chips distributed over two rows or between ten and sixty laser chips distributed over four rows.
  • each laser chip 14 comprises at least one laser diode 22 arranged to emit laser radiation in the infrared range. More particularly, the wavelength of the laser radiation emitted by a laser diode 22 is substantially between 1120 nm and 1140 nm, for example substantially equal to 1130 nm. Such a wavelength is suitable for heating the material of the preforms 2 to a temperature above the glass transition temperature of this material in order to allow the subsequent deformation of the preforms to form containers after the preforms have passed through the heating station 1.
  • a material is for example polyethylene terephthalate (PET).
  • each laser chip 14 comprises a plurality of laser diodes 22, for example so that each laser chip 14 has an optical power density in irradiation substantially between 1 and 20 W.mm-2, more particularly for example between 1 and 5 W.mm-2.
  • Such an optical power density in irradiation is for example obtained by a laser chip 14 comprising between one thousand and two thousand five hundred laser diodes 22 depending on the size of the laser diodes 22.
  • a laser diode 22 used in a laser transmitter 4 according to the invention will now be described in more detail with reference to Figs. 4 and 5.
  • the laser diode 22 comprises at least two active regions 24 stacked one on top of the other along the emission direction E.
  • the stack of active regions 24 extends between reflective mirrors 26 , 28 extending on either side of the stack of active regions 24 and between a cathode 30 and an anode 32 extending on either side of the reflecting mirrors 26, 28.
  • the laser diode in the stacking direction E, the laser diode successively comprises a cathode 30, a lower reflecting mirror 26, the stacking of at least two active regions 24, an upper reflective mirror 28 and an anode 32.
  • a substrate 34 extends for example between the cathode 30 and the lower reflective mirror 26.
  • the various elements of the laser diode 22 extend substantially perpendicularly to the direction of emission E e t are therefore substantially parallel to the upper face 12 of the support 10 on which the laser diode 22 is arranged.
  • the lower reflective mirror 26 is for example a Bragg mirror formed of an n-type doped material (also known as n DBr) and the upper reflective mirror 28 is for example a Bragg mirror formed of a doped material of p-type (also known as p DBr).
  • These Bragg mirrors 26, 28 are formed of a plurality of layers alternately presenting a high refractive index and a low refractive index. According to one embodiment, the layers are formed alternately of gallium arsenide (GaAs) and aluminum-gallium arsenide (GaAlAs).
  • GaAs gallium arsenide
  • GaAlAs aluminum-gallium arsenide
  • An opening 36 is formed in the anode 32 and through which the laser beam emitted by the laser diode 22 passes.
  • This opening 36 called the active opening, extends substantially parallel to the outer face 12 of the support 10.
  • the active opening 36 has for example a diameter substantially between 5 ⁇ m and 25 ⁇ m. According to one embodiment, the diameter of the active opening 36 is close to 7 ⁇ m, which makes it possible to have an adequate space requirement for the laser diode 22 to place the desired number of laser diodes 22 per laser chip 14, while maintaining an acceptable size of laser chip 14.
  • the active regions 24 of the laser diode 22 emit laser radiation which is amplified by the lower and upper reflecting mirrors 26, 28 and which is emitted in the direction of emission E towards the outside of the laser diode 22 passing through the active aperture 36.
  • a laser diode 22 is known under the name of vertical cavity laser diode emitting by the surface or VCSEL (acronym for Vertical Cavity Surface Emitting Laser) and has the particularity of having several active regions whereas such diodes with a single active region are normally used.
  • the equivalent electric circuit of such a laser diode 22 is represented on the .
  • the stack of active regions 24 corresponds to light-emitting diodes 38 in series between which tunnel diodes 40 are arranged.
  • Each reflecting mirror 26, 28 corresponds to a resistor 42, arranged in series on each side of the light-emitting diodes 38.
  • the cathode 30 corresponds to the ground 44 connected in series to a resistor 42 and the anode 32 corresponds to a terminal connection 46 connected in series to the other resistor 42.
  • each laser diode 22 comprises three active regions 24 extending between the reflecting mirrors 26, 28, which makes it possible to obtain particularly satisfactory performances, as will be described later.
  • the cathodes 30 of the laser diodes 22 of this laser chip 14 extend from the side of the external face 12 of the support 10 and the anodes 32 extend from the side of the outside of the laser chip 14 so that the laser radiation is emitted towards the preforms 2, as described previously.
  • the electrical supply to the laser diodes 22 is ensured via electrical connections 48 connected to the cathodes 30 and electrical connections 50 connected to the anodes 32, as shown in Figs. 2 and 3.
  • surface-emitting vertical-cavity laser diodes 22 comprising several active regions as part of a laser emitter 4 of a heating station 1 has several advantages.
  • laser transmitter 4 As can be seen by comparing Figs 2 and 6. More particularly, the operations of cutting the laser chips 14 and placing the laser chips 14 on the support 10 are reduced, as are the operations of connections electrical (or "wire bonding"). This can be seen by comparing the and the , which shows a laser transmitter according to the prior art. Indeed, as can be seen in the a greater number of electrical connections 50 are required to power the various laser diodes 22 compared to the laser transmitter shown in the . On the , the reference numerals identical to those of the refer to the same elements.
  • each laser diode 22 with several active regions 24 is greater than the voltage necessary to supply laser diodes with a single active region.
  • the intensity of the current supplying the laser diodes 22 is reduced, the power being the product of the voltage by the intensity. This drop in intensity makes it possible to reduce the electrical losses by Joule effect in the heating station 1.
  • the electric current supplying the laser chips 14 has an intensity substantially less than or equal to 10A, preferably less than or equal to 8A.
  • Laser diodes 22 with three active regions 24 are particularly advantageous for obtaining this result because they make it possible to lower the intensity while maintaining equivalent efficiency. An optimum number of active regions is defined according to the materials constituting the laser diodes 22, beyond which the efficiency may decrease.
  • this higher voltage also allows for improved control of laser radiation by monitoring the voltage across the transmitter terminals.
  • This voltage is measured at the end of the power cables connected to the transmitter, taking into account the impedance of the cables.
  • the impedance of the cables is not known, it is calculated according to the intensity, which can lead to errors due to voltage drops in the cables which increase with the intensity of the current. in these cables.
  • the voltage across the diodes is higher, the current intensity in the cables is lower at equal power.
  • the drop in voltage leads to a drop in voltage drops and therefore a reduction in the error in determining the voltage at the terminals of the emitters 4 while the voltage is measured at the end of the power cables. The reduction of the relative error linked to these voltage drops thus makes it possible to improve the control of the correct operation of the laser transmitter 4.
  • a current of lower intensity also makes it possible to increase the service life of the components of the laser emitter 4, and in particular of the laser chips 14. Moreover, by operating at a reduced intensity, the driving components of the laser emitters 4 can have a reduced cost and the power cables can have a smaller section, which reduces the costs of implementing the heating station 1.

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Abstract

La présente invention concerne une station de chauffage (1) d'une installation de fabrication de récipients, ladite station de chauffage (1) comportant une pluralité d'émetteurs laser (4) qui comprennent respectivement une pluralité de puces laser (14) montées sur une face externe (12) d'au moins un support (10), chaque puce laser (14) comprenant au moins une diode laser (22) agencée pour émettre un rayonnement laser dans le domaine de l'infrarouge selon une direction d'émission (E) sensiblement perpendiculaire à la face externe (12) du support (10). Chaque diode laser (22) comprend au moins deux régions actives (24) empilées l'une sur l'autre selon la direction d'émission (E), chaque région active (24) participant au rayonnement laser émis par ladite diode laser (22).

Description

    Station de chauffage comprenant un émetteur laser
  • La présente invention concerne un émetteur laser pour station de chauffage d’une installation de fabrication de récipients du type comprenant une pluralité de puces laser montées sur une face externe d’au moins un support, chaque puce laser comprenant au moins une diode laser agencée pour émettre un rayonnement laser dans le domaine de l’infrarouge selon une direction d’émission sensiblement perpendiculaire à la face externe du support.
  • L’invention concerne également une station de chauffage d’une installation de fabrication de récipients comprenant une pluralité de tels émetteurs laser.
  • Une telle station de chauffage, ou four, est équipée d’une succession d’émetteurs laser dont les puces laser sont agencées pour émettre un rayonnement laser dans le domaine de l’infrarouge en direction de préformes en matériau synthétique défilant dans la station de chauffage en tournant sur elles-mêmes afin d’appliquer un profil de chauffage sur ces préformes et permettre leur déformation ultérieure par exemple par étirage soufflage de sorte à réaliser des récipients à partir des préformes. Chaque puce laser comprend une pluralité de diodes laser émettant le rayonnement laser souhaité. De telles diodes laser sont notamment des diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (Vertical Cavity Surface Emitting Laser en anglais ou VCSEL).
  • Afin d’appliquer le profil de chauffage souhaité sur toute la hauteur d’une préforme, plusieurs émetteurs sont disposés les uns au-dessus des autres selon une direction d’élévation correspondant à la hauteur des préformes. En outre afin de chauffer l’ensemble d’une préforme de façon adéquate, des émetteurs sont prévus les uns à côté des autres le long de toute la trajectoire de défilement des préformes dans la station de chauffage et possiblement les uns en regard des autres de part et d’autre des préformes. Ainsi, une station de chauffage comprend un grand nombre d’émetteurs laser comprenant chacun un grand nombre de puces laser.
  • De tels nombres complexifient la fabrication et l’assemblage des émetteurs laser, nécessitant un grand nombre d’opérations de connexion de câbles électriques pour alimenter les émetteurs laser en électricité. En outre, le fonctionnement des émetteurs laser implique une consommation électrique importante, d’autant plus que des pertes électriques relativement importantes se produisent par effet joule dans les câbles électriques.
  • L’un des buts de l’invention est de pallier ces inconvénients en proposant une station de chauffage comprenant une pluralité d’émetteurs laser dont la fabrication et l’assemblage sont simplifiés et dont la consommation électrique peut être réduite, tout en limitant les pertes électriques.
  • A cet effet, l’invention concerne une station de chauffage d’une installation de fabrication de récipients comprenant une pluralité d’émetteurs laser du type précité, dans lequel chaque diode laser comprend au moins deux régions actives empilées l’une sur l’autre selon la direction d’émission, chaque région active participant au rayonnement laser émis par ladite diode laser.
  • En utilisant de telles diodes laser dans les puces laser de l’émetteur, il est possible de réduire le nombre de puces nécessaires pour obtenir un rayonnement laser équivalent à celui des émetteurs laser traditionnels, dont les diodes laser comprennent chacune une seule région active. Ainsi, la fabrication d’un émetteur laser est simplifié et son assemblage dans une station de chauffage également. Le nombre d’opérations de câblage électrique est également réduit. En outre, les puces laser utilisées dans l’émetteur laser selon l’invention peuvent fonctionner à un courant d’intensité plus faible, ce qui améliore le rendement de la station de chauffage en réduisant la consommation électrique et en limitant les pertes électriques par effet joule. De plus, ce courant plus faible augmente également la durée de vie des diodes laser utilisées dans les puces laser.
  • L’émetteur laser selon l’invention peut en outre comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise isolément ou selon toute combinaison techniquement envisageable :
  • - chaque diode laser est une diode laser à cavité verticale émettant par la surface, chaque région active étant une jonction à puits quantique s’étendant selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction d’émission et sensiblement parallèle à la face externe du support ;
  • - le rayonnement laser est émis par une ouverture active de chaque diode laser, ladite ouverture active s’étendant sensiblement parallèlement à la face externe du support et présentant un diamètre sensiblement compris entre 5 μm et 25 μm ;
  • - le rayonnement laser émis par chaque diode laser présente une longueur d’onde sensiblement comprise entre 1120 nm et 1140 nm ;
  • - chaque diode laser comprend trois régions actives empilées les unes sur les autres selon la direction d’émission, chaque région active participant au rayonnement laser émis par ladite diode laser ;
  • - chaque puce laser présente une densité de puissance optique en irradiation sensiblement comprise entre 1 et 20 W.mm-2 ;
  • - l’émetteur laser comprend entre cinq et soixante puces laser, lesdites puces laser étant agencées en au moins une rangée comprenant une pluralité de puces laser adjacentes les unes aux autres selon une direction longitudinale sensiblement perpendiculaire à la direction d’émission ;
  • - l’émetteur laser comprend un dispositif de refroidissement agencé sur une face intérieure du support, opposée à la face externe du support, ledit support étant réalisé en un matériau conducteur thermique, de sorte à permettre le refroidissement des puces laser par le dispositif de refroidissement, et isolant électrique ;
  • - les puces laser sont alimentées en courant électrique, ledit courant électrique présentant une intensité sensiblement inférieure ou égale à 10A, de préférence inférieure ou égale à 8A.
  • Selon un autre aspect, l’invention concerne une installation de fabrication de récipients comportant une station de chauffage qui comprend une pluralité d’émetteurs laser tels que décrits ci-dessus, lesdits émetteurs laser étant répartis selon une direction d’élévation correspondant à la hauteur de préformes destinées à être formées en récipients dans l’installation de fabrication et selon une direction longitudinale correspondant à une direction de défilement des préformes dans la station de chauffage en regard des émetteurs laser.
  • D’autres aspects et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, donnée à titre d’exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
  • - la est une représentation schématique en coupe d’une partie d’une station de chauffage comprenant une pluralité d’émetteurs laser selon l’invention,
  • - la est une représentation schématique de face de deux émetteurs laser selon l’invention,
  • - la est une représentation schématique en coupe d’un émetteur selon l’invention,
  • - la est une représentation schématique en coupe d’une diode laser utilisée dans un émetteur laser selon l’invention,
  • - la est une représentation schématique du circuit électrique équivalent de la diode laser de la ,
  • - la est une représentation schématique de face de deux émetteurs laser selon l’art antérieur, et
  • - la est une représentation schématique en coupe d’un émetteur selon l’art antérieur.
  • En référence à la , on décrit une station de chauffage 1, ou four, d’une installation de fabrication de récipients à partir de préformes 2, comprenant une pluralité d’émetteurs laser 4.
  • La station de chauffage 1 comprend deux parois 6 formées notamment par les émetteurs laser 4, les parois 6 étant opposées de part et d’autre de la station de chauffage 1. Les parois 6 définissent entre elles une enceinte au sein de laquelle défilent les préformes 2 selon un trajet de circulation T définissant une direction longitudinale. Les parois 6 sont espacées l’une de l’autre selon une direction transversale sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale de sorte à s’étendre de part et d’autre du trajet de circulation T. Sur la , le trajet T a été représenté comme étant rectiligne, mais il est entendu qu’il pourrait être incurvé dans certaines zones en fonction de la configuration de l’installation de fabrication de récipients. La station de chauffage comprend un système de préhension, et de déplacement des préformes 2 (non représenté) selon le trajet de circulation T entre les parois 6. Les préformes 2 sont plus particulièrement maintenues de sorte que leur axe respectif s’étende selon une direction d’élévation sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale et à la direction transversale. En d’autres termes, la direction d’élévation correspond à la hauteur des préformes 2 et à la hauteur des parois 6. De façon connue, le système de préhension peut être agencé pour que les préformes 2 tournent autour de leur axe lorsqu’elles circulent selon le trajet T.
  • Les parois 6 sont à la fois émettrices d’un rayonnement laser, par l’intermédiaire des émetteurs laser 4 comme cela va être décrit ultérieurement, et réfléchissantes du rayonnement, par exemple par l’intermédiaire de réflecteurs 8, formant également les parois 6 et s’étendant entre des colonnes d’émetteurs 4. Ainsi, pour chaque paroi, les émetteurs laser 4 sont disposés les uns au-dessus des autres selon la direction d’élévation en colonnes de sorte que toute la hauteur des préformes, à l’exception de leur col, puisse être exposée au rayonnement émis par les émetteurs. Sur la , deux émetteurs laser 4 ont été représentés l’un au-dessus de l’autre selon la direction d’élévation. Des colonnes d’émetteurs 4 sont disposées les unes à côtés des autres selon la direction longitudinale de sorte que les préformes soient exposées au rayonnement le long de tout le trajet de circulation T.
  • Un tel agencement de station de chauffage est connu en soi et ne sera pas décrit plus en détail ici.
  • Tous les émetteurs laser 4 de la station de chauffage 1 sont par exemple similaires et l’un d’entre eux va à présent être décrit en référence aux Figs. 2 et 3.
  • L’émetteur laser 4 comprend au moins un support 10, dont une face externe 12 reçoit des puces laser 14, comme représenté sur la . La face externe 12 du support 10 s’étend en regard du trajet de circulation T de sorte que le rayonnement émis par les puces laser 14 soit dirigé vers les préformes 2, comme cela sera décrit plus en détail ultérieurement. Généralement, l’émetteur laser comprend plusieurs supports 10 recevant chacun plusieurs puces laser 14.
  • Un dispositif de refroidissement 16, également connu sous le terme « microcooler », est monté sur la face interne 18 du support 10, opposée à la face externe 12, c’est-à-dire que la face interne 18 s’étend à l’extérieur de l’enceinte. Les support 10 est par exemple soudé sur le dispositif de refroidissement 16 par une couche de soudure 17, comme représenté sur la . Le dispositif de refroidissement 16 est agencé pour refroidir les puces laser 14 s’étendant de l’autre côté du support 10 sur la face externe 12. Le dispositif de refroidissement 16 est monté sur une plaque froide 19 comprenant par exemple des conduits 20 d’amenée et d’évacuation d’un fluide caloporteur, comme connu en soi et comme représenté sur la , afin de refroidir le dispositif de refroidissement 16, qui refroidit à son tour les puces laser 14.
  • Afin de permettre les échanges thermiques entre le dispositif de refroidissement 16 et les puces laser 14 et afin de permettre la bonne isolation électrique des puces laser 14 les unes des autres, le support 10 est réalisé en un matériau présentant des bonnes propriétés de conduction thermique et d’isolation électrique, tel que de la céramique par exemple.
  • Les puces laser 14 sont disposées sur le support 10 en rangée les unes à côté des autres selon la direction longitudinale. Chaque émetteur laser 4 comprend au moins une rangée de puces laser 14. Selon un mode de réalisation, l’émetteur laser 4 comprend par exemple deux rangées de puces laser 14 disposées sur la face externe 12 l’une au-dessus de l’autre selon la direction d’élévation. Il est entendu que plus de deux rangées peuvent être prévues en fonction de la dimension de l’émetteur laser 4. Il est également entendu que d’autres agencements de puces laser sur le support 10 peuvent être envisagés, l’agencement représenté sur la n’étant donné qu’à titre d’exemple non limitatif. Un émetteur laser 4 comprend par exemple entre cinq et soixante puces laser, par exemple entre cinq et trente puces lasers réparties sur deux rangées ou entre dix et soixante puces laser réparties sur quatre rangées. Comme cela sera décrit plus en détail ultérieurement, grâce aux performances de chaque puce laser, il est possible de réduire le nombre de puces laser 14 par émetteur laser 4 par rapport aux émetteurs laser traditionnels et ainsi faciliter l’assemblage de l’émetteur laser 4 et sa connectique, comme on peut le constater en comparant la et la , qui montre deux émetteurs laser de l’art antérieur. Sur la , les références numériques identiques à celles de la désignent les mêmes éléments.
  • Comme représenté sur la , chaque puce laser 14 comprend au moins une diode laser 22 agencée pour émettre un rayonnement laser dans le domaine de l’infrarouge. Plus particulièrement, la longueur d’onde du rayonnement laser émis par une diode laser 22 est sensiblement compris entre 1120 nm et 1140 nm, par exemple sensiblement égale à 1130 nm. Une telle longueur d’onde est adaptée pour chauffer le matériau des préformes 2 à une température supérieure à la température de transition vitreuse de ce matériau afin de permettre la déformation ultérieure des préformes pour former des récipients après le passage des préformes dans la station de chauffage 1. Un tel matériau est par exemple du polytéréphtalate d’éthylène (PET). Le rayonnement laser émis par la diode laser 22 est dirigé selon une direction d’émission E, qui est par exemple sensiblement perpendiculaire à la face externe 12 du support 10 sur lequel est installé la puce laser 14, comme représenté sur la . Lorsque l’émetteur laser 4 est installé dans une station de chauffage, la direction d’émission E est orientée vers les préformes 2 circulant dans la station de chauffage 1 et vers la paroi 6 opposée à la paroi 6 portant cet émetteur laser 4, comme représenté sur la . Selon un mode de réalisation, chaque puce laser 14 comprend une pluralité de diodes laser 22, par exemple afin que chaque puce laser 14 présente une densité de puissance optique en irradiation sensiblement comprise entre 1 et 20 W.mm-2, plus particulièrement par exemple entre 1 et 5 W.mm-2. Une telle densité de puissance optique en irradiation est par exemple obtenue par une puce laser 14 comprenant entre mille et deux mille cinq cents diodes laser 22 en fonction de la taille des diodes laser 22.
  • Une diode laser 22 utilisée dans un émetteur laser 4 selon l’invention va à présent être décrite plus en détail en référence aux Figs. 4 et 5.
  • La diode laser 22 comprend au moins deux régions actives 24 empilées l’une sur l’autre selon la direction d’émission E. Chaque région active 24, également dénommée jonction p-n ou jonction à puits quantique, participe au rayonnement laser émis par la diode laser 22. L’empilement de régions actives 24 s’étend entre des miroirs réfléchissants 26, 28 s’étendant de part et d’autre de l’empilement de régions actives 24 et entre une cathode 30 et une anode 3 2 s’étendant de part et d’autre des miroirs réfléchissants 26, 28. En d’autres termes, selon la direction d’empilement E, la diode laser comprend successivement une cathode 30, un miroir réfléchissant inférieur 26, l’empilement d’au moins deux régions actives 24, un miroir réfléchissant supérieur 28 et une anode 32. En outre, un substrat 3 4 s’étend par exemple entre la cathode 30 et le miroir réfléchissant inférieur 26. Les différents éléments de la diode laser 22 s’étendent sensiblement perpendiculairement à la direction d’émission E et sont donc sensiblement parallèles à la face supérieure 12 du support 10 sur lequel la diode laser 22 est disposée.
  • Le miroir réfléchissant inférieur 26 est par exemple un miroir de Bragg formé d’un matériau dopé de type n (également connu sous le terme n DBr) et le miroir réfléchissant supérieur 28 est par exemple un miroir de Bragg formé d’un matériau dopé de type p (également connu sous le terme p DBr). Ces miroirs de Bragg 26, 28 sont formés d’une pluralité de couches présentant alternativement un haut indice de réfraction et un bas indice de réfraction. Selon un mode de réalisation, les couches sont formées alternativement d’arséniure de gallium (GaAs) et d’arséniure d’aluminium-gallium (GaAlAs). De tels miroirs 26, 28 autour de l’empilement de régions actives 24 forment un résonateur laser agencé pour amplifier le rayonnement laser émis par les régions actives 24.
  • Une ouverture 36 est formée dans l’anode 32 et par laquelle passe le faisceau laser émis par la diode laser 22. Cette ouverture 36, dite ouverture active, s’étend sensiblement parallèlement à la face externe 12 du support 10. L’ouverture active 36 présente par exemple un diamètre sensiblement compris entre 5 μm et 25 μm. Selon un mode de réalisation, le diamètre de l’ouverture active 36 est proche de 7 μm, ce qui permet d’avoir un encombrement de la diode laser 22 adéquat pour placer le nombre souhaité de diodes laser 22 par puce laser 14, tout en conservant une dimension de puce laser 14 acceptable.
  • En faisant circuler un courant entre la cathode 30 et l’anode 32, les régions actives 24 de la diode laser 22 émettent un rayonnement laser qui est amplifié par les miroirs réfléchissants inférieur et supérieur 26, 28 et qui est émis selon la direction d’émission E vers l’extérieur de la diode laser 22 en passant par l’ouverture active 36. Une telle diode laser 22 est connue sous le nom de diode laser à cavité verticale émettant par la surface ou VCSEL (acronyme anglais de Vertical Cavity Surface Emitting Laser) et présente la particularité d’avoir plusieurs régions actives alors que de telles diodes avec une seule région active sont normalement utilisées. Le circuit électrique équivalent d’une telle diode laser 22 est représenté sur la . L’empilement de régions actives 24 correspond à des diodes électroluminescentes 38 en série entre lesquelles des diodes tunnel 40 sont agencées. Chaque miroir réfléchissant 26, 28 correspond à une résistance 42, disposées en série de chaque côté des diodes électroluminescentes 38. La cathode 30 correspond à la mise à la terre 44 connectée en série à une résistance 42 et l’anode 32 correspond à une borne de connexion 46 connectée en série à l’autre résistance 42.
  • Selon un mode de réalisation, chaque diode laser 22 comprend trois régions actives 24 s’étendant entre les miroirs réfléchissants 26, 28, ce qui permet d’obtenir des performances particulièrement satisfaisantes, comme cela sera décrit ultérieurement.
  • Lorsque les puces laser 14 sont installées sur le support 10, les cathodes 30 des diodes laser 22 de cette puce laser 14 s’étendent du côté de la face externe 12 du support 10 et les anodes 32 s’étendent du côté de l’extérieur de la puce laser 14 de sorte que le rayonnement laser est émis vers les préformes 2, comme décrit précédemment.
  • L’alimentation électrique des diodes lasers 22 est assurée par l’intermédiaire de connexions électriques 48 reliées aux cathodes 30 et de connexions électriques 50 reliées aux anodes 32, comme représenté sur les Figs. 2 et 3.
  • L’utilisation de diodes laser 22 à cavité verticale émettant par la surface comprenant plusieurs régions actives dans le cadre d’un émetteur laser 4 d’une station de chauffage 1 présente plusieurs avantages.
  • Comparé à des diodes laser avec une seule région active et à performances équivalentes, l’utilisation de diodes laser à plusieurs régions actives permet de réduire le nombre de puces laser 14 par émetteur laser 4 et ainsi de simplifier l’assemblage et la connectique de l’émetteur laser 4, comme on peut le constater en comparant les Figs 2 et 6. Plus particulièrement, les opérations de découpage des puces laser 14 et de placement des puces laser 14 sur le support 10 sont réduites, de même que les opérations de raccordements électriques (ou « wire bonding » en anglais). Cela peut se constater en comparant la et la , qui montre un émetteur laser selon l’art antérieur. En effet, comme on peut le constater sur la un plus grand nombre de connexions électriques 50 est nécessaire pour alimenter les différentes diodes laser 22 par rapport à l’émetteur laser représenté sur la . Sur la , les les références numériques identiques à celles de la désignent les mêmes éléments.
  • En variante, en conservant le même nombre de puces laser 14, de meilleures performances peuvent être obtenues pour un émetteur laser 4 comprenant des diodes laser 22 à plusieurs régions actives 24.
  • En outre, la tension aux bornes de chaque diode laser 22 à plusieurs régions actives 24 est supérieure à la tension nécessaire pour alimenter des diodes laser à simple région active. Ainsi pour une même puissance d’alimentation, l’intensité du courant alimentant les diodes laser 22 est diminuée, la puissance étant le produit de la tension par l’intensité. Cette baisse d’intensité permet de réduire les pertes électriques par effet joule dans la station de chauffage 1. Ainsi, le courant électrique alimentant les puces laser 14 présente une intensité sensiblement inférieure ou égale à 10A, de préférence inférieure ou égale à 8A. Les diodes laser 22 à trois régions actives 24 sont particulièrement avantageuses pour obtenir ce résultat car elles permettent de faire baisser l’intensité tout en conservant un rendement équivalent. Un nombre optimum de régions actives est défini en fonction des matériaux constituant les diodes laser 22, au-delà duquel le rendement peut diminuer.
  • En outre, cette tension plus élevée permet également d’améliorer le contrôle du rayonnement laser en surveillant la tension aux bornes de l’émetteur. Cette tension est mesurée à l’extrémité des câbles d’alimentation reliés à l’émetteur en tenant compte de l’impédance des câbles. Cependant, dans la mesure où l’impédance des câbles n’est pas connues, elle est calculée en fonction de l’intensité, ce qui peut entraîner des erreurs en raison des chutes de tension dans les câbles qui augmentent avec l’intensité du courant dans ces câbles. Comme la tension aux bornes des diodes est plus élevée, l’intensité du courant dans les câbles est plus faible à puissance égale. Ainsi, la baisse de tension entraîne une baisse des chutes de tension et donc une réduction de l’erreur dans la détermination de la tension aux bornes des émetteurs 4 alors que la tension est mesurée à l’extrémité des câbles d’alimentation. La réduction de l’erreur relative liée à ces chutes de tension permet ainsi d’améliorer le contrôle du bon fonctionnement de l’émetteur laser 4.
  • Un courant de plus faible intensité permet également d’augmenter la durée de vie des composants de l’émetteur laser 4, et en particulier des puces laser 14. De plus, en fonctionnant à une intensité réduite, les composants de pilotage des émetteurs laser 4 peuvent présenter un coût réduit et les câbles d’alimentation peuvent présenter une section plus faible, ce qui réduit les coûts de l’implémentation de la station de chauffage 1.

Claims (10)

  1. Station de chauffage (1) d’une installation de fabrication de récipients, ladite station de chauffage (1) comportant une pluralité d’émetteurs laser (4), chaque émetteur laser comprenant une pluralité de puces laser (14) montées sur une face externe (12) d’au moins un support (10), chaque puce laser (14) comprenant au moins une diode laser (22) agencée pour émettre un rayonnement laser dans le domaine de l’infrarouge selon une direction d’émission (E) sensiblement perpendiculaire à la face externe (12) du support (10), caractérisée en ce que chaque diode laser (22) comprend au moins deux régions actives (24) empilées l’une sur l’autre selon la direction d’émission (E), chaque région active (24) participant au rayonnement laser émis par ladite diode laser (22).
  2. Station de chauffage (1) selon la revendication 1, dans lequel chaque diode laser (22) est une diode laser à cavité verticale émettant par la surface, chaque région active (24) étant une jonction à puits quantique s’étendant selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction d’émission (E) et sensiblement parallèle à la face externe (12) du support (10).
  3. Station de chauffage (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le rayonnement laser est émis par une ouverture active (36) de chaque diode laser (22), ladite ouverture active (36) s’étendant sensiblement parallèlement à la face externe (12) du support (10) et présentant un diamètre sensiblement compris entre 5 μm et 25 μm.
  4. Station de chauffage (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le rayonnement laser émis par chaque diode laser (22) présente une longueur d’onde sensiblement comprise entre 1120 nm et 1140 nm.
  5. Station de chauffage (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque diode laser (22) comprend trois régions actives (24) empilées les unes sur les autres selon la direction d’émission (E), chaque région active (24) participant au rayonnement laser émis par ladite diode laser (22).
  6. Station de chauffage (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque puce laser (14) présente une densité de puissance optique en irradiation sensiblement comprise entre 1 et 20 W.mm-2.
  7. Station de chauffage (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant entre cinq et soixante puces laser (14), lesdites puces laser (14) étant agencées en au moins une rangée comprenant une pluralité de puces laser (14) adjacentes les unes aux autres selon une direction longitudinale sensiblement perpendiculaire à la direction d’émission (E).
  8. Station de chauffage (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant un dispositif de refroidissement (16) agencé sur une face intérieure (18) du support (10), opposée à la face externe (12) du support (10), ledit support (10) étant réalisé en un matériau conducteur thermique, de sorte à permettre le refroidissement des puces laser (14) par le dispositif de refroidissement (16), et isolant électrique.
  9. Station de chauffage (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les puces laser (14) sont alimentées en courant électrique, ledit courant électrique présentant une intensité sensiblement inférieure ou égale à 10A, de préférence inférieure ou égale à 8A.
  10. Installation de fabrication de récipients comportant une station de chauffage (1) comprenant une pluralité d’émetteurs laser (4) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, lesdits émetteurs laser (4) étant répartis selon une direction d’élévation correspondant à la hauteur de préformes (2) destinées à être formées en récipients dans l’installation de fabrication et selon une direction longitudinale correspondant à une direction de défilement des préformes (2) dans la station de chauffage en regard des émetteurs laser (4).
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