EP4713726A1 - Dispositif d'émission lumineuse amélioré comprenant un concentrateur de lumière luminescent - Google Patents

Dispositif d'émission lumineuse amélioré comprenant un concentrateur de lumière luminescent

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EP4713726A1
EP4713726A1 EP24737118.0A EP24737118A EP4713726A1 EP 4713726 A1 EP4713726 A1 EP 4713726A1 EP 24737118 A EP24737118 A EP 24737118A EP 4713726 A1 EP4713726 A1 EP 4713726A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
concentrator
radiation
light emission
opening
luminescent
Prior art date
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Pending
Application number
EP24737118.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
François Balembois
Maxime NOURRY MARTIN
Stéphane DARBON
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.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut d'Optique Theorique et Appliquee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Universite Paris Saclay
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Institut d'Optique Theorique et Appliquee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Universite Paris Saclay
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Institut d'Optique Theorique et Appliquee, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA, Universite Paris Saclay filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/60—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction
    • F21K9/61—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction using light guides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0003—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being doped with fluorescent agents
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
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    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S5/0087—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping for illuminating phosphorescent or fluorescent materials, e.g. using optical arrangements specifically adapted for guiding or shaping laser beams illuminating these materials

Definitions

  • the present invention relates to the field of laser source pumped luminescent concentrators.
  • Light sources can be classified into two categories: so-called "classic" sources of large geometric extent (product of the emitting surface by the solid angle of emission) such as halogen lamps, flash lamps or LEDs and sources of small geometric extent such as lasers, laser diodes or fiber laser sources.
  • Figure 1 is a schematic representation of the power of certain sources as a function of their geometric extent.
  • laser sources can pose difficulties of use because of their small geometric extent (related to spatial coherence) and their spectrum (related to temporal coherence). Random interference effects (speckle) can make the illumination inhomogeneous and reduce the quality of the images.
  • incoherent sources do not produce speckle but can be tricky to use to illuminate an area of interest: their large extent makes the collection of their light rays difficult through an optical system.
  • Figure 1 shows that all incoherent sources are below a limiting line that passes through the brightest and most powerful sources: flash lamps and luminescent concentrators.
  • Luminescent concentrators are light sources combining both high power and high luminance. They are optically pumped materials typically cut into a parallelepiped shape. They contain phosphors distributed throughout the volume of the concentrator. They are polished on all faces to allow total internal reflections that will guide the light emitted by the phosphors to the output face.
  • a concentrator is a fluorescent crystal in the visible (red-orange) such as Ce:YAG which absorbs in the blue (around 450 nm), at a wavelength where LEDs are very efficient.
  • the crystal is cut in the form of a plane, lined with hundreds (or even thousands) of LEDs on the two large surfaces and with emission by the edges.
  • FIG. 2A schematically represents a perspective view of an emission module ME0.
  • the emission module ME0 comprises a set of LEDs intended to emit in a first spectral band and a light concentrator CL.
  • the concentrator CL is a fluorescent parallelepiped crystal, having at least one illumination face SI1, SI2, of dimensions L xw, illuminated by the electroluminescent radiation L d emitted by the LEDs.
  • the illumination faces SI1, SI2 are also called “large faces”.
  • the thickness of the concentrator is denoted e.
  • the concentrator crystal is configured to absorb said electroluminescent radiation L d .
  • the luminous flux emitted by the LEDs is directed towards the illumination face. It is absorbed by the phosphors Lum of the fluorescent crystal which are distributed throughout the volume of the crystal and which then emit fluorescence radiation inside the crystal.
  • the emitted rays can be classified into two main categories:
  • L g guided rays denoted L g whose characteristic is to be guided by RTI and to exit on one of the faces of the concentrator
  • L out unguided rays denoted L out which exit directly from the concentrator without being reflected on the faces.
  • Figure 2B is a representation of the angular diagram of the rays emitted and trapped in the concentrator.
  • the dark caps represent the angles corresponding to the untrapped rays (guided and unguided) and the light areas represent the angles corresponding to the trapped rays.
  • the percentage of radiation trapped by RTI relative to the untrapped radiation is fixed by the index of the crystal and that of the ambient medium by the Snell-Descartes law.
  • the power emitted by a luminescent concentrator depends on the number of LEDs that can be placed near its large faces. For example, with a rectangular concentrator with dimensions of 200 mm x 14 mm, it is possible to place more than 2000 LEDs to simultaneously pump the concentrator. In this case, it is possible to obtain output powers reaching kW with a range remaining limited to a value lower than 1 cm 2 . sr ⁇ 1 (see P. Pichon, A. Barbet, JP Blanchot, F. Druon, F. Balembois, P. Georges, Optica, Vol 5, No. 10, pp 1236-1239 (September 2018)).
  • a first option is to send current peaks into the LEDs.
  • This method is effectively used to have an emission of the order of 4W per LED with pumping pulses of 15 ps (see P. Pichon, A. Barbet, JP Blanchot, F. Druon, F. Balembois, P. Georges, Optica, Vol 5, N°10, pp 1236- 1239 (September 2018)).
  • pumping pulses see P. Pichon, A. Barbet, JP Blanchot, F. Druon, F. Balembois, P. Georges, Optica, Vol 5, N°10, pp 1236- 1239 (September 2018)).
  • it is limited by the Auger effect in the semiconductor layers of LEDs.
  • the potential for increasing peak power is only a factor of two by multiplying the current by 10 and reducing the pump duration from 15 ps to 20 ns, this to avoid thermal effects. This increase is therefore achieved at the cost of a significant drop in efficiency.
  • driving thousands of LEDs at a current reaching a hundred amperes would make the system very complex and very inefficient.
  • the second option is to increase the dimensions of the concentrator in order to enlarge the surface exposed to the LEDs and therefore to increase the number of LEDs.
  • the maximum size of the materials being given by their conditions of elaboration for example 100mm*50mm on Ce:YAG crystals
  • the increase in surface can be achieved by optically bonding several concentrators together on the lateral faces.
  • a longer concentrator implies an increase in the propagation distance of the rays in the structure and therefore a decrease in efficiency, due to losses of the material and the glue interface between the two structures.
  • a wider concentrator does not change the propagation distance. However, in this case, the output face becomes more and more flattened, which can make it difficult to use in an optical system with rotational symmetry.
  • FIG. 3A shows that it is possible to extract more rays than those belonging to the output cone (related to total internal reflection) by using mirrors.
  • a mirror on the face opposite the output face makes it possible to gain up to a factor of two.
  • Figure 3B shows that it is possible to increase the output cone by gluing a non-imaging optic to the output face and selectively straightening the most inclined rays so that they can pass through the last diopter (as for example in S. Roelandt, Y. Meuret, D. K. G. de Boer, D. Bruis, P. Van De Voorde, and H. Thienpont, "Incoupling and outcoupling of light from a luminescent rod using a compound parabolic concentrator", Optical Engineering 54(5), 055101 (May 2015)). These improvements in extraction make it possible to gain a factor of up to 4 on the emitted power compared to a conventional concentrator.
  • the invention aims to provide a high-power, low-range source using luminescent concentrators.
  • the invention relates to a light-emitting device comprising a luminescent light concentrator pumped by a laser source.
  • concentration properties of the laser radiation make it possible to have very high pump powers, which results in the emission of a high output power by the concentrator.
  • the coupling between the pump beam and the concentrator is carried out with an optical pump cavity defining a closed volume in order to increase the volume density of pump power while avoiding laser optical damage and photobleaching effects on the fluorescent material.
  • an object of the invention is a light emission device comprising:
  • an optical pumping cavity defining a closed volume not comprising the laser source and comprising at least one opening such that the incident beam can pass through said at least one opening and be reflected a plurality of times on a surface of the optical pumping cavity, thereby creating so-called pump radiation
  • the surface of the optical pumping cavity diffusely reflects a percentage greater than or equal to 90% of the incident radiation and has a reflection coefficient greater than 90%, preferably greater than 95% for the incident radiation.
  • the surface of the optical cavity is made of spectralon or polytetrafluoroethylene.
  • the laser source is a pulsed source delivering laser pulses of duration T P .
  • the lifetime T L of the luminescent radiation is less than or equal to the duration T P of the pulses.
  • the laser source and the optical pumping cavity are adapted so that a fluence of the pump radiation within the light concentrator is less than 5 J/cm 2 , preferably less than or equal to 1 J/cm 2 .
  • the dimensions of the optical pumping cavity are adapted according to a lifetime T L of the luminescent radiation so that said outgoing light emission is a pulsed light emission of a predetermined duration, for example having a width at half height of between 50 and 250 ns.
  • the light emission device comprises a non-imaging optical device attached to the emitting face in order to collect rays of said outgoing light emission by reducing a solid angle associated with the outgoing light emission so as to form an output beam.
  • the non-imaging optical device is adapted so that a solid angle of the output beam is less than or equal to sr.
  • said at least one opening has a diameter less than or equal to 10 mm.
  • the optical pumping cavity is entirely closed with the exception of a single opening forming said at least one opening.
  • the optical pumping cavity is completely closed except for a first opening and a second opening forming said at least one opening, the incident beam passing through the first opening and the outgoing light emission passing through the second opening.
  • the concentrator is a parallelepiped having a length 10 times greater than its width and its thickness.
  • Another object of the invention is a method for generating an output beam with improved peak power with a luminescent light concentrator comprising the following steps:
  • FIG.1 a schematic representation of the power of certain sources as a function of their geometric extent
  • FIG.2A a schematic view of an example of a light emission module known from the prior art
  • FIG.2B a representation of the rays emitted in a luminescent concentrator, known from the prior art
  • FIG.3A a schematic view of examples of extraction light emission modules improved by coupling several cones towards the output with mirrors, known from the prior art
  • FIG.3B a schematic view of an example of an extraction light emission module improved by increasing the size of the output cone with non-imaging interface optics, known from the prior art
  • FIG.4A a schematic view of a light emitting device according to the invention
  • FIG.4B a schematic perspective view of the concentrator only of the light emitting device according to the invention
  • FIG.4C a schematic view of a light emission device according to the invention with an optical pumping cavity adapted to the geometry of the concentrator
  • FIG.4D a schematic view of a light emitting device according to an embodiment of the invention, with an optical pumping cavity comprising a single opening
  • FIG.6 a schematic view of a light emission device according to an embodiment of the invention with a non-imaging extractor device at the output
  • FIG.7 a schematic view of a light emission device according to an embodiment of the invention with a conventional optic located at the output
  • Figure 4A shows a schematic view of a light emitting device 1 according to the invention comprising a light concentrator CL luminescent optically pumped by a SL laser source via a CP pump optical cavity.
  • Figure 4B illustrates a schematic perspective view of the CL concentrator only, when it is optically pumped.
  • the CL concentrator is a rectangular parallelepiped of length L, width w and thickness e having two large faces FE1, FE2 and four lateral faces FE, FO, FL1, FL2.
  • the light emission device 1 makes it possible to obtain an outgoing light emission L s having a high peak power and a low extent, two characteristics that the light sources of the prior art did not make it possible to obtain simultaneously to date.
  • the laser source SL is adapted to generate an incident beam Fl.
  • This source SL is not specific to the invention and can be any laser source known to those skilled in the art.
  • the source SL is a pulsed source delivering laser pulses of duration T P .
  • a pulsed SL source makes it possible to obtain an outgoing light emission L s of higher peak power than a continuous laser source, while reducing thermal problems within the concentrator.
  • the laser source SL is a Q-switched laser source.
  • the optical pumping cavity CP has a surface SR adapted to reflect the incident beam Fl.
  • the surface SR of the cavity CP defines a closed volume comprising the concentrator CL and in which the laser source SL is not included.
  • the closed volume defined by the surface SR of the cavity CP comprises at least one opening 01 so that the incident beam can pass through the opening 01 and be reflected or diffused a plurality of times on the surface SR of the optical pumping cavity, thus creating pump radiation RP.
  • closed volume is meant here that the surface SR of the cavity CP is entirely closed with the exception of one or more openings having a ST ST total surface ST such that — ⁇ 5%, preferably less than — ⁇ 1%.
  • the use of a closed cavity makes it possible to avoid losses suffered by the incident beam Fl during its propagation in the cavity CP, which is essential for generating an outgoing light emission L s having a high peak power.
  • the concentrator CL is arranged in the cavity CP and comprises phosphors Lum adapted to absorb the pump radiation RP so as to emit the luminescent radiation L L within the concentrator CL.
  • T L the lifetime of the luminescent radiation L .
  • a portion L s of the luminescent radiation L L — called outgoing light emission — passes through a face called the emitter FE of the light concentrator CL, then passes through the opening 02.
  • This portion Ls comprises the guided portion L g reflected on the faces of the concentrator and the unguided portion L out associated with the emitter face FE passing directly through the latter, without being reflected on the faces of the concentrator.
  • the optical pump cavity CP allows the pump radiation RP to pass through the concentrator medium CL a plurality of times, which increases the absorption of the pump radiation RP by the concentrator.
  • the peak power of the outgoing light emission L s is increased.
  • the absorption length can be defined as 1 /oc necessary to absorb 63% of the pump power.
  • the cavity CP makes it possible to “distribute” the pumping on all the faces of the concentrator simultaneously, without resorting to complex optical systems for distributing the light on the different lateral faces.
  • the power density (or fluence in the pulsed case) of the pump radiation RP on the faces of the concentrator (and within the concentrator) is limited and the problems of thermal effect, optical damage threshold and photo-bleaching of the phosphors Lum of the concentrator CL are avoided.
  • pumping the concentrator CL directly with the incident beam Fl would result in a much higher power density in the pumped area which could cause optical damage effects and photo-bleaching problems.
  • a fluorescent medium using organic molecules pumped by laser is limited in luminance and power because of the aforementioned effects.
  • the distribution of the pumping on all the side faces also makes it possible to limit the surface area of the large pumping faces FE1 FE2 and therefore to limit the width w of the concentrator in order to have the most symmetrical output face possible (ideally a square).
  • the light emission device 1 of the invention makes it possible to generate an outgoing light emission L s having a high power and a small extent.
  • the laser source SL is located outside the cavity CP so that it does not obstruct the multiple reflections of the incident beam Fl on the surface SR of the cavity CP, which would reduce the power of the effective pump radiation RP pumping the concentrator CL.
  • the device 1 works for any shape of concentrator CL.
  • the shape of the concentrator directly influences the outgoing light emission L s , in particular its luminance and its geometric extent. It is therefore preferable to choose a shape of the concentrator adapted for:
  • the luminance of the outgoing light emission L s This parameter is controlled by the ratio L/e between the length and the thickness of the concentrator in the example of Figure 4B.
  • the concentrator is in the form of a "rod", that is to say a parallelepiped having a length at least 5 times, preferably 10 times, still preferably 20 times, greater than its width and its thickness in order to achieve a significant "concentrator” effect by total internal reflections in the structure.
  • the length of the concentrator is however limited by the propagation losses intrinsic to the concentrator. It is therefore preferable to find an optimal compromise between maximum concentrator effect and high propagation losses.
  • the emitting face has a square or close to square shape with an area adapted to the imaging system which will follow the source (for example a few mm 2 ).
  • the surface of the optical pump cavity CP diffusely reflects a percentage greater than or equal to 90% of the incident radiation and has a reflection coefficient greater than 90%, preferably greater than 95% for the incident radiation.
  • the most homogeneous pump radiation possible is obtained and efficiently pumps a larger volume of the concentrator CL.
  • This characteristic is critical to guarantee a high peak power of the outgoing light emission L s while limiting the volume density of pump power within the concentrator.
  • a surface of the optical pump cavity CP specularly reflecting a majority of the incident beam would generate less homogeneous pump radiation that could lead to hot spots in the concentrator where the volume density of power could exceed the threshold for optical damage or photobleaching.
  • the surface of the optical cavity is made of Spectralon or polytetrafluoroethylene.
  • Spectralon has a reflection coefficient of 99% for a spectral range from 400 nm to 1500 nm. This implies that the incident beam Fl can be reflected by diffusion 100 times before having lost 63% of its power.
  • the pumping cavity CP is a sphere of diameter D comprising two openings 01, 02.
  • FIG. 4C shows a cylindrical diffusing pumping cavity CP with a length adapted to the length L of the luminescent concentrator.
  • a diffusing medium MD arranged in the cavity CP.
  • the latter is covered with a reflective layer SR.
  • This cavity can also be adapted to allow air to circulate to cool the concentrator heating up due to optical pumping.
  • the lifetime T L of the phosphors is very advantageous for the lifetime T L of the phosphors to be less than or equal to the duration T P of the pulses.
  • the emission of the concentrator is not "slowed down" by the lifetime of the excited level of the phosphor. This makes it possible to maximize the peak power of outgoing light remission L s .
  • the laser source SL and the optical pumping cavity are adapted so that a fluence (or energy density) of the pump radiation within the light concentrator is less than 5 J/cm 2 , preferably less than or equal to 1 J/cm 2 .
  • the laser optical damage threshold is typically between 5 J/cm 2 and 10 J/cm 2 for a pulsed laser delivering 10 ns pulses, depending on the experimental conditions.
  • the optical pumping cavity CP is entirely closed except for a first and a second opening 01, 02, the incident beam passing through the first opening 01 and the outgoing light emission L out passing through the second opening 02. This embodiment has the advantage of being easy to implement.
  • the optical pumping cavity CP is entirely closed except for a single opening 01 crossed by the incident beam Fl and by the outgoing light emission L s .
  • This embodiment is for example implemented using a dichroic mirror MR arranged so as to reflect the incident beam Fl by directing it through the single opening, the dichroic mirror further transmitting the outgoing light emission L s .
  • This embodiment has the advantage of minimizing the power losses of the pump radiation RP caused by the presence of two openings (as in the embodiment of FIG. 4A for example). Even more preferably, as illustrated in FIG.
  • the mirror MD is arranged so that the incident beam Fl does not cross the concentrator before a first reflection on the surface of the cavity CP in order to limit the power density of the laser beam during its first crossing of the concentrator. This avoids the effects of photobleaching and laser optical damage.
  • the dimension of the opening of the optical cavity crossed by the incident beam Fl is adapted according to the waist w 0 of the incident beam Fl. More precisely, the opening is arranged so that the incident beam Fl passes through the opening at its smallest transverse dimension, i.e. when the incident beam has a transverse radius of dimension w 0 , the opening having a radius greater than or equal to w 0 but less than 3w 0 .
  • This makes it possible to limit the losses associated with the cavity CP by preventing the incident beam from being diaphragmed by the opening it passes through.
  • the opening of the optical cavity crossed by the incident beam Fl has a diameter less than or equal to 10 mm in order to limit the losses associated with the cavity CP.
  • the dimension of the opening of the optical cavity crossed by the outgoing light emission L s is adapted taking into account the Lambertian remission of the concentrator, so that none of the rays of the outgoing light emission L s are blocked by the opening.
  • the emitting face FE is attached to the opening of the optical cavity crossed by the outgoing light emission L s , the latter having the same dimensions as the emitting face FE (for example wxe in the embodiment of FIG. 4B).
  • the cavity CP has dimensions adapted according to the lifetime T L of the luminescent radiation so that the outgoing light emission L s is a pulsed light emission of a predetermined duration. Indeed, it is possible to adapt the dimensions of the cavity in order to adapt the duration of pulsed light remission, the lower limit of the duration of the pulsed light emission being fixed by the lifetime T L of the luminescent radiation of the fluorophores. The upper limit is linked to the average propagation time of a pump photon inside the pumping cavity. This characteristic gives a modularity to the device according to the invention which is not usually available in the light sources of the prior art. This result is illustrated in FIG.
  • the luminescent emission in the concentrator is Lambertian.
  • the solid angle of emission of the outgoing light emission L s is equal to Ti sr , which makes it difficult to use this radiation for practical purposes, for example when it is desired to couple it to a conventional optical system.
  • the light emission device 1 comprises a non-imaging optical device ONI attached to the emitting face FE in order to collect rays of outgoing light remission by reducing a solid angle associated with the outgoing light emission so as to form an output beam FS.
  • This non-imaging optical device ONI is preferably bonded to the emitting face FE with a high-index glue in order to maximize the extraction efficiency of the outgoing light emission L s .
  • Another advantage of using the non-imaging optical device ONI attached to the emitting face FE is that it allows the mechanical maintenance of the concentrator CL within the cavity CP without using an additional mechanical element which would reduce the effective pump power.
  • the non-imaging optical device ONI is a parabolic concentrator (concentrator parabolic compound in English) attached to the emitting face FE using a photo-polymerizable UV glue in order to extract a maximum of light trapped in the concentrator and to straighten the rays in the output beam FS.
  • the parabolic concentrator ONI has an input diameter of 2.5 mm attached to the face FE and an output diameter of 5 mm.
  • the solid angle at the output of the parabolic concentrator ONI is estimated at sr and the geometric extent of the output beam is therefore of the order of 0.1 cm 2 sr.
  • the non-imaging optical device ONI it is preferable for the non-imaging optical device ONI to have a structure adapted so that a solid angle of the output beam is less than or equal to sr in order to facilitate the use of the output radiation of the device 1.
  • the output beam FS shaped by the non-imaging optical device ONI can be coupled into a conventional optical device SO as illustrated in FIG. 7 in order to provide a beam FE usable by an optical system of low numerical aperture for example.
  • the concentrator CL is a parallelepiped having a square emitting face FE because this facilitates the coupling of the outgoing light emission L s with the non-imaging optical device ONI and possibly the conventional optical device SO.

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Abstract

Dispositif (1) d'émission lumineuse comprenant : une source laser (SL) adaptée pour générer un faisceau incident (Fl) une cavité optique de pompage (CP) définissant un volume fermé ne comprenant pas la source laser (SL) et comprenant au moins une ouverture (O1, O2) de sorte que le faisceau incident puisse traverser ladite au moins une ouverture et se réfléchir une pluralité de fois sur une surface (SR) de la cavité optique de pompage créant ainsi un rayonnement dit de pompe (RP), un concentrateur (CL) de lumière luminescent disposé dans le volume fermé et adapté pour absorber ledit rayonnement de pompe (RP) puis émettre un rayonnement luminescent (LL) au sein dudit concentrateur présentant une durée de vie TL, une portion (Ls) dite émission lumineuse sortante dudit rayonnement luminescent (LL) traversant une face dite émettrice (FE) du concentrateur de lumière puis traversant ladite au moins une ouverture.

Description

DESCRIPTION
Titre de l'invention : Dispositif d’émission lumineuse amélioré comprenant un concentrateur de lumière luminescent
Domaine technique :
[0001] La présente invention concerne le domaine des concentrateurs luminescents pompés par source laser.
Technique antérieure :
[0002] Les sources de lumière peuvent être classées en deux catégories : les sources dites "classiques" de grande étendue géométrique (produit de la surface émettrice par l'angle solide d'émission) comme les lampes halogène, les lampes flash ou les LED et les sources de faible étendue géométrique comme les lasers, les diodes lasers ou les sources lasers fibrées.
[0003] La figure 1 est une représentation schématique de la puissance de certaines sources en fonction de leur étendue géométrique. Pour l'imagerie ou la métrologie, les sources lasers peuvent poser des difficultés d'utilisation à cause de leur faible étendue géométrique (en lien avec la cohérence spatiale) et de leur spectre (en lien avec la cohérence temporelle). Des effets d'interférences aléatoires (speckle) peuvent rendre l'éclairage inhomogène et réduire la qualité des images. A l'inverse, les sources incohérentes ne produisent pas de speckle mais peuvent être délicates à utiliser pour éclairer une zone d'intérêt : leur grande étendue rend la collection de leurs rayons lumineux difficile à travers un système optique.
[0004] Il est possible de réduire la dimension transverse d’un faisceau pour réduire l'étendue mais au prix d'une baisse de puissance. En effet, la conservation de la luminance (L) indique que la puissance (P) et l'étendue (e) sont proportionnelles: P = L x e. Ainsi, par réduction de la dimension transverse du faisceau ou par variation de la puissance émise, une source prédéterminée permettra d'adresser les couples puissance-étendue qui sont sous la droite P=L e (en noir sur la figure 1 pour des lampes flash par exemple).
[0005] La figure 1 montre que toutes les sources incohérentes sont en dessous d'une droite limite qui passe par les sources les plus lumineuses et les plus puissantes : les lampes flash et les concentrateurs luminescents. [0006] Les concentrateurs luminescents sont des sources de lumière combinant à la fois une forte puissance et une forte luminance. Ce sont des matériaux pompés optiquement typiquement taillés en forme de parallélépipède. Ils contiennent des luminophores répartis dans tout le volume du concentrateur. Ils sont polis sur toutes les faces afin de permettre des réflexions totales internes qui vont guider la lumière émise par les luminophores jusqu'à la face de sortie.
[0007] Il est connu de pomper les concentrateurs par LED (voir par exemple Barbet, Adrien, et al. "Light-emitting diode pumped luminescent concentrators: a new opportunity for low-cost solid-state lasers." Optica 3.5 (2016): 465-468.). Un exemple de concentrateur est un cristal fluorescent dans le visible (rouge- orange) comme le Ce:YAG qui absorbe dans le bleu (vers 450 nm), à une longueur d'onde où les LED sont très performantes. Le cristal est taillé sous la forme d'un plan, tapissé par des centaines (voire des milliers) de LED sur les deux grandes surfaces et avec une émission par les tranches. Ces concentrateurs permettent d’obtenir des valeurs de luminance 10 à 20 fois plus élevée que celle d'une LED.
[0008] La figure 2A représente, de façon schématique, une vue en perspective d’un module d’émission ME0. Le module d’émission ME0 comprend un ensemble de LED destinées à émettre dans une première bande spectrale et un concentrateur de lumière CL. Le concentrateur CL est un cristal parallélépipédique fluorescent, présentant au moins une face d’éclairement SI1 , SI2, de dimensions L x w, illuminée par le rayonnement électroluminescent Ld émis par les LED. On appelle aussi les faces d’éclairements SI1 , SI2 « grandes faces ». L'épaisseur du concentrateur est notée e.
[0009] Le cristal du concentrateur est configuré pour absorber ledit rayonnement électroluminescent Ld. Le flux lumineux émis par les LED est dirigé vers la face d’éclairement. Il est absorbé par les luminophores Lum du cristal fluorescent qui sont répartis dans l’ensemble du volume du cristal et qui émettent alors un rayonnement de fluorescence à l'intérieur du cristal. Les rayons émis peuvent être classés en deux grandes catégories :
- les rayons piégés notés Lp : ces rayons sont piégés dans le cristal du fait de la réflexion totale interne (RTI) sur les différentes faces du cristal. Ces rayons existent si le cristal est un parallélépipède doté de 6 faces parallèles deux à deux et perpendiculaires entre elles. Les rayons piégés ne sortent jamais du cristal, aux imperfections près de ce dernier.
- les rayons non piégés sont les rayons qui finissent par sortir du cristal. Ils se séparent en deux sous-catégories : les rayons guidés notés Lg dont la caractéristique est d'être guidés par RTI et de sortir sur l'une des faces du concentrateur et les rayons non guidés notés Lout qui sortent directement du concentrateur sans se réfléchir sur les faces.
[0010] La figure 2B est une représentation du diagramme angulaire des rayons émis et piégés dans le concentrateur. Les calottes sombres représentent les angles correspondant aux rayons non piégés (guidés et non guidés) et les zones claires représentent les angles correspondant aux rayons piégés, Dans cette représentation donnée à titre d’exemple, le milieu choisi comme cristal concentateur CL est un cristal de Ce:YAG (indice n2=1 ,82) présentant un angle critique de 33° lorsque le milieu ambiant est l’air. Le pourcentage de rayonnement piégé par RTI par rapport au rayonnement non piégé est fixé par l’indice du cristal et celui du milieu ambiant par la loi de Snell-Descartes.
[0011] La puissance émise par un concentrateur luminescent dépend du nombre de LED qu'il est possible de poser à proximité de ses grandes faces. Par exemple, avec un concentrateur rectangulaire de dimension de 200 mm x 14 mm, il est possible de mettre plus de 2000 LED pour pomper simultanément le concentrateur. Dans ce cas, il est possible d'obtenir des puissances de sortie atteignant le kW avec une étendue restant limitée à une valeur inférieure à 1 cm2. sr~1 (voir P.Pichon, A.Barbet, J-P Blanchot, F.Druon, F.Balembois, P.Georges, Optica, Vol 5, N°10, pp 1236-1239 (Septembre 2018)).
[0012] Pour augmenter la puissance crête de l’émission d’un concentrateur, une première option consiste à envoyer des pics de courant dans les LEDs. Plus les pics de courant sont brefs et plus il est possible d'augmenter la puissance crête. Cette méthode est effectivement utilisée pour avoir une émission de l'ordre de 4W par LED avec des impulsions de pompage de 15 ps (voir P.Pichon, A.Barbet, J-P Blanchot, F.Druon, F.Balembois, P.Georges, Optica, Vol 5, N°10, pp 1236- 1239 (Septembre 2018)). Elle est cependant limitée par l'effet Auger dans les couches semiconductrices des LEDs. Par exemple, le potentiel d'augmentation en puissance crête n'est que d'un facteur deux en multipliant le courant par 10 et en réduisant la durée de pompe de 15 ps à 20 ns, ceci pour éviter les effets thermiques. Cette augmentation se fait donc au prix d'une forte baisse de rendement. De plus, le pilotage de milliers de LEDs à un courant atteignant la centaine d'ampères rendrait le système très complexe et très peu efficace.
[0013] Pour augmenter la puissance crête de l’émission d’un concentrateur, la deuxième option est d'augmenter les dimensions du concentrateur afin d'agrandir la surface exposée aux LED et donc d'augmenter le nombre de LED. La taille maximale des matériaux étant donnée par leurs conditions d'élaboration (par exemple 100mm*50mm sur des cristaux de Ce:YAG), l'augmentation de surface peut être réalisée en collant optiquement plusieurs concentrateurs entre eux sur les faces latérales. Un concentrateur plus long implique une augmentation de la distance de propagation des rayons dans la structure et donc une baisse de rendement, du fait des pertes du matériau et de l’interface de colle entre les deux structures. Un concentrateur plus large ne change pas la distance de propagation. Cependant, dans ce cas, la face de sortie devient de plus en plus aplatie, ce qui peut rendre difficile l'utilisation dans un système optique à symétrie de révolution.
[0014] Enfin, une dernière option pour augmenter la puissance crête de l’émission est d'augmenter le rendement d'extraction du concentrateur. La figure 3A montre qu'il est possible d'extraire plus de rayons que ceux appartenant au cône de sortie (lié à la réflexion totale interne) en utilisant des miroirs. Dans une structure paraléllépipèdique, un miroir sur la face opposée à la face de sortie permet de gagner jusqu'à un facteur deux. En rajoutant une face additionnelle et des miroirs sur toutes les faces latérales, il est possible de gagner jusqu'à un facteur 4 (voir par exemple Pierre Pichon, Lisa Lopez, Maxime Nourry-Martin, Stéphane Darbon, Frederic Druon, Patrick Georges and François Balembois, "Light extraction and brightness enhancement of luminescent rectangular slabs" Adv. Photonics Res. 2100356 (2022)). La figure 3B montre qu'il est possible d'augmenter le cône de sortie en collant une optique non imageante sur la face de sortie et en redressant sélectivement les rayons les plus inclinés pour qu'ils puissent traverser le dernier dioptre (comme par exemple dans S.Roelandt, Y. Meuret, D. K. G. de Boer, D. Bruis, P. Van De Voorde, and H. Thienpont, "Incoupling and outcoupling of light from a luminescent rod using a compound parabolic concentrator", Optical Engineering 54(5), 055101 (May 2015)). Ces améliorations de l'extraction permettent de gagner un facteur 4 au maximum sur la puissance émise par rapport à un concentrateur classique.
[0015] L’invention vise à fournir une source de forte puissance et de faible étendue en utilisant des concentrateurs luminescents. Pour cela, l’invention porte sur un dispositif d’émission lumineuse comprenant un concentrateur de lumière luminescent pompé par source laser. Les propriétés de concentration du rayonnement laser permettent de disposer de très fortes puissances de pompe, ce qui entraine l'émission d'une forte puissance de sortie par le concentrateur. Dans la configuration de l'invention, le couplage entre le faisceau de pompe et le concentrateur est effectué avec une cavité optique de pompage définissant un volume fermé afin d’augmenter la densité volumique de puissance de pompe tout en évitant des effets de dommage optique laser et de photo-blanchiment sur le matériau fluorescent.
Résumé de l’invention :
[0016] A cet effet, un objet de l’invention est un dispositif d’émission lumineuse comprenant :
- une source laser adaptée pour générer un faisceau incident
- une cavité optique de pompage définissant un volume fermé ne comprenant pas la source laser et comprenant au moins une ouverture de sorte que le faisceau incident puisse traverser ladite au moins une ouverture et se réfléchir une pluralité de fois sur une surface de la cavité optique de pompage créant ainsi un rayonnement dit de pompe,
- un concentrateur de lumière luminescent disposé dans le volume fermé et adapté pour absorber ledit rayonnement de pompe puis émettre un rayonnement luminescent au sein dudit concentrateur présentant une durée de vie TL, une portion dite émission lumineuse sortante dudit rayonnement luminescent traversant une face dite émettrice du concentrateur de lumière puis traversant ladite au moins une ouverture. [0017] De manière préférentielle, la surface de la cavité optique de pompage réfléchit de manière diffuse un pourcentage supérieur ou égal à 90 % du rayonnement incident et présente un coefficient de réflexion supérieur à 90%, préférentiellement supérieur à 95% pour le rayonnement incident.
[0018] Selon un mode de réalisation, la surface de la cavité optique est en spectralon ou en polytétrafluoroéthylène.
[0019] Selon un mode de réalisation, la source laser est une source impulsionnelle délivrant des impulsions laser de durée TP. De manière préférentielle, la durée de vie TL du rayonnement luminescent est inférieure ou égale à la durée TP des impulsions. De manière préférentielle, la source laser et la cavité optique de pompage sont adaptées pour qu’une fluence du rayonnement de pompe au sein du concentrateur de lumière soit inférieure à 5 J /cm2, préférentiellement inférieure ou égale à 1 J/cm2.
[0020] Selon un mode de réalisation, les dimensions de la cavité optique de pompage sont adaptées en fonction d’une durée de vie TL du rayonnement luminescent de manière à ce que ladite émission lumineuse sortante soit une émission lumineuse impulsionnelle d’une durée prédéterminée, par exemple présentant une largeur à mi hauteur comprise entre 50 et 250 ns.
[0021] Selon un mode de réalisation, le dispositif d’émission lumineuse comprend un dispositif optique non imageant accolé à la face émettrice afin de collecter des rayons de ladite émission lumineuse sortante en réduisant un angle solide associé à l’émission lumineuse sortante de manière à former un faisceau de sortie. De manière préférentielle, le dispositif optique non imageant est adapté pour qu’un angle solide du faisceau de sortie soit inférieur ou égal à sr.
[0022] Selon un mode de réalisation, ladite au moins une ouverture présente un diamètre inférieur ou égal à 10 mm.
[0023] Selon un mode de réalisation, la cavité optique de pompage est entièrement fermée à l’exception d’une unique ouverture formant ladite au moins une ouverture.
[0024] Alternativement, selon un autre mode de réalisation, la cavité optique de pompage est entièrement fermée à l’exception d’une première ouverture et d’une deuxième ouverture formant ladite au moins une ouverture, le faisceau incident traversant la première ouverture et l'émission lumineuse sortante traversant la deuxième ouverture.
[0025] Selon un mode de réalisation, le concentrateur est un parallélépipède présentant une longueur 10 fois plus grande que sa largeur et que son épaisseur.
[0026] Un autre objet de l’invention est une méthode pour générer un faisceau de sortie avec une puissance crête améliorée avec un concentrateur de lumière luminescent comprenant les étapes suivantes :
- générer un faisceau laser dit faisceau incident avec une source laser
- diriger le faisceau incident au travers d’au moins une ouverture formée dans une cavité optique de pompage définissant un volume fermé ne comprenant pas la source laser, le faisceau incident se réfléchissant une pluralité de fois sur une surface de la cavité optique de pompage créant ainsi un rayonnement dit de pompe,
- absorber ledit rayonnement de pompe avec le concentrateur de lumière luminescent disposé dans le volume fermé de manière à émettre un rayonnement luminescent présentant une durée de vie TL au sein dudit concentrateur, une portion dite émission lumineuse sortante dudit rayonnement luminescent traversant une face dite émettrice du concentrateur de lumière puis traversant ladite au moins une ouverture.
- collecter des rayons de ladite émission lumineuse sortante en réduisant un angle solide associé à l’émission lumineuse sortante de manière à former un faisceau de sortie.
Brève description des figures :
[0027] D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :
[0028] [Fig.1], une représentation schématique de la puissance de certaines sources en fonction de leur étendue géométrique,
[0029] [Fig.2A] une vue schématique d’un exemple de module d’émission lumineuse connu de l’art antérieur, [0030] [Fig.2B] une représentation des rayons émis dans un concentrateur luminescent, connu de l’art antérieur,
[0031] [Fig.3A], une vue schématique d'exemples de modules d’émission lumineuse d'extraction amélioré par couplage de plusieurs cônes vers la sortie avec des miroirs, connu de l’art antérieur,
[0032] [Fig.3B], une vue schématique d'un exemple de module d’émission lumineuse d'extraction amélioré par augmentation de la taille du cône de sortie avec une optique d'interface non imageante, connu de l’art antérieur,
[0033] [Fig.4A], une vue schématique d’un dispositif d’émission lumineuse selon l’invention,
[0034] [Fig.4B], une vue schématique de perspective du concentrateur uniquement du dispositif d’émission lumineuse selon l’invention,
[0035] [Fig.4C], une vue schématique d’un dispositif d’émission lumineuse selon l’invention avec une cavité optique de pompage adaptée à la géométrie du concentrateur,
[0036] [Fig.4D], une vue schématique d’un dispositif d’émission lumineuse selon un mode de réalisation de l’invention, avec une cavité optique de pompage comprenant une seule ouverture
[0037] [Fig.5], le profil temporel de l’émission lumineuse sortante pour deux diamètres différents d’une cavité optique de pompage sphérique,
[0038] [Fig.6], une vue schématique d’un dispositif d’émission lumineuse selon un mode de réalisation de l’invention avec un dispositif extracteur non imageant en sortie,
[0039] [Fig.7], une vue schématique d’un dispositif d’émission lumineuse selon un mode de réalisation de l’invention avec une optique classique située en sortie,
[0040] Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle.
Description détaillée :
[0041] La figure 4A présente une vue schématique d’un dispositif d’émission lumineuse 1 selon l’invention comprenant un concentrateur CL de lumière luminescent pompé optiquement par une source laser SL via une cavité optique de pompage CP.
[0042] La figure 4B illustre une vue schématique de perspective du concentrateur CL uniquement, lorsqu’il est pompé optiquement. A titre d’exemple non limitatif, dans le mode de réalisation des figures 4A et 4B, le concentrateur CL est un parallélépipède rectangle de longueur L, de largeur w et d’épaisseur e présentant deux grandes faces FE1 , FE2 et quatre faces latérales FE, FO, FL1 , FL2.
[0043] Comme cela sera expliqué par la suite, le dispositif d’émission lumineuse 1 selon l’invention permet d’obtenir une émission lumineuse sortante Ls présentant une forte puissance crête et une faible étendue, deux caractéristiques que les sources lumineuses de l’art antérieur ne permettaient pas d’obtenir simultanément à ce jour.
[0044] La source laser SL est adaptée pour générer un faisceau incident Fl. Cette source SL n’est pas spécifique à l’invention et peut être toute source laser connue de l’homme de l’art. De manière préférentielle, la source SL est une source impulsionnelle délivrant des impulsions laser de durée TP. Une source SL impulsionnelle permet d’obtenir une émission lumineuse sortante Ls de plus forte puissance crête qu’une source laser continue, tout en réduisant les problèmes thermiques au sein du concentrateur.
[0045] Selon un mode de réalisation, la source laser SL est une source laser à mode déclenché (Q-switched en anglais). A titre d’exemple non limitatif, la source laser SL est un laser Q-switched Nd:YAG triplé en fréquence et délivrant des impulsions avec une énergie de 15 mJ à 355 nm et avec une durée d’impulsion TP = 5 ns et avec une cadence de 20 Hz.
[0046] La cavité optique de pompage CP présente une surface SR adaptée pour réfléchir le faisceau incident Fl. La surface SR de la cavité CP définit un volume fermé comprenant le concentrateur CL et dans lequel n’est pas compris la source laser SL. Le volume fermé défini par la surface SR de la cavité CP comprend au moins une ouverture 01 de sorte que le faisceau incident puisse traverser l’ouverture 01 et se réfléchir ou se diffuser une pluralité de fois sur la surface SR de la cavité optique de pompage créant ainsi un rayonnement de pompe RP. [0047] Par « volume fermé », on entend ici que la surface SR de la cavité CP est entièrement fermée à l’exception d’une ou plusieurs ouvertures présentant une ST ST surface totale ST telle que — < 5%, préférentiellement inférieure à — < 1%. L’utilisation d’une cavité fermée permet d’éviter les pertes subies par le faisceau incident Fl lors de sa propagation dans la cavité CP, ce qui est primordial pour générer une émission lumineuse sortante Ls présentant une forte puissance crête.
[0048] Le concentrateur CL est disposé dans la cavité CP et comprend des luminophores Lum adaptés pour absorber le rayonnement de pompe RP de manière à émettre le rayonnement luminescent LL au sein du concentrateur CL. On note TL la durée de vie du rayonnement luminescent L .
[0049] Comme évoqué plus haut, de manière connue en soi, une portion Ls du rayonnement luminescent LL — dite émission lumineuse sortante - traverse une face dite émettrice FE du concentrateur de lumière CL, puis traverse l’ouverture 02. Cette portion Ls comprend la portion guidée Lg réfléchie sur les faces du concentrateur et la portion non guidée Lout associée à la face émettrice FE traversant directement cette dernière, sans être réfléchie sur les faces du concentrateur.
[0050] La cavité optique de pompage CP permet au rayonnement de pompe RP de traverser le milieu concentrateur CL une pluralité de fois, ce qui augmente l'absorption du rayonnement de pompe RP par le concentrateur. Ainsi, on augmente la puissance crête de l’émission lumineuse sortante Ls. Connaissant le coefficient d'absorption du concentrateur pour le rayonnement de pompe (cc=1 cm-1 par exemple), on peut définir la longueur d'absorption comme 1 /oc nécessaire pour absorber 63% de la puissance de pompe. En utilisant une cavité avec une surface présentant un coefficient de réflexion ou de diffusion élevé entraînant des réflexions/diffusions multiples sur la surface de la cavité CP et donc des passages multiples dans le concentrateur, il est possible d’utiliser un concentrateur CL dans un matériau présentant une longueur d'absorption pour le faisceau incident Fl très inférieure à l'épaisseur e du concentrateur. Par exemple, il est possible d’utiliser un matériau concentrateur avec un coefficient d'absorption de l'ordre du cm-1 ou d'une fraction de cm-1 et une épaisseur e de l’ordre du mm, impliquant une longueur d'absorption au moins 10 fois plus grande que l’épaisseur.
[0051] De plus, la cavité CP permet de « répartir » le pompage sur toutes les faces du concentrateur simultanément, sans avoir recours à des systèmes optiques complexes permettant de répartir la lumière sur les différentes faces latérales. Ainsi, on limite la densité de puissance (ou fluence dans le cas impulsionnel) du rayonnement de pompe RP sur les faces du concentrateur (et au sein du concentrateur) et on évite les problèmes d’effet thermique, de seuil de dommage optique et de photo-blanchiment des luminophores Lum du concentrateur CL. A l’inverse, pomper le concentrateur CL directement avec le faisceau incident Fl entraînerait une densité de puissance beaucoup plus élevée dans la zone pompée ce qui pourrait provoquer des effets dommage optique et les problèmes de photo-blanchiment. Par exemple, un milieu fluorescent utilisant des molécules organiques pompé par laser est limité en luminance et en puissance à cause des effets précités.
[0052] La répartition du pompage sur toutes les faces latérales permet aussi de limiter la surface des grandes faces de pompage FE1 FE2 et donc de limiter la largeur w du concentrateur afin d'avoir une face de sortie la plus symétrique possible (idéalement un carré).
[0053] Ainsi, le dispositif 1 d’émission lumineuse de l’invention permet de générer une émission lumineuse sortante Ls présentant une forte puissance et une faible étendue. Pour cela, il est essentiel que la source laser SL soit située à l’extérieur de la cavité CP afin qu’elle n’obstrue pas les réflexions multiples du faisceau incident Fl sur la surface SR de la cavité CP, ce qui réduirait la puissance du rayonnement de pompe RP effective pompant le concentrateur CL.
[0054] Dans une première approximation, le dispositif 1 selon l’invention fonctionne pour n’importe quelle forme de concentrateur CL. Cependant, la forme du concentrateur influe directement sur l’émission lumineuse sortante Ls, notamment sa luminance et son étendue géométrique. Il est donc préférable de choisir une forme du concentrateur adaptée pour :
- produire un effet concentrateur important du rayonnement luminescent par réflexions totales internes dans la structure. Ainsi, on augmente la luminance de l’émission lumineuse sortante Ls Ce paramètre est contrôlé par le ratio L/e entre la longueur et l’épaisseur du concentrateur dans l’exemple de la figure 4B.
- produire une émission lumineuse sortante Ls avec une étendue géométrique adaptée à l’application choisie. Ce paramètre est contrôlé par la forme et la dimension de la face émettrice FE.
[0055] Aussi, de manière préférentielle, le concentrateur est en forme de "baguette", c’est-à-dire un parallélépipède présentant une longueur au moins 5 fois, préférentiellement 10 fois, encore préférentiellement 20 fois, plus grande que sa largeur et que son épaisseur afin de réaliser un effet "concentrateur" important par réflexions totales internes dans la structure. La longueur du concentrateur est cependant limitée par les pertes par propagations intrinsèques au concentrateur. Il est donc préférable de trouver un compromis optimal entre effet concentrateur maximal et pertes par propagation élevées.
[0056] De manière encore préférentielle, la face émettrice présente une forme carré ou proche d’un carré avec une aire adaptée au système d'imagerie qui suivra la source (par exemple quelques mm2).
[0057] Dans un mode de réalisation préféré, la surface de la cavité optique de pompage CP réfléchit de manière diffuse un pourcentage supérieur ou égal à 90 % du rayonnement incident et présente un coefficient de réflexion supérieur à 90 %, préférentiellement supérieur à 95 % pour le rayonnement incident. Ainsi, on obtient un rayonnement de pompe le plus homogène possible et pompant de manière efficace un volume plus important du concentrateur CL Cette caractéristique est critique pour garantir une puissance crête importante de l’émission lumineuse sortante Ls tout en limitant la densité volumique de puissance de pompe au sein du concentrateur. A l’inverse, une surface de la cavité optique de pompage CP réfléchissant de manière spéculaire une majorité du faisceau incident générerait un rayonnement de pompe moins homogène pouvant entrainer des points chauds dans le concentrateur où la densité volumique de puissance pourrait dépasser le seuil de dommage optique ou de photo-blanchiment. [0058] Par exemple, la surface de la cavité optique est en spectralon ou en polytétrafluoroéthylène. Le spectralon présente un coefficient de réflexion de 99% pour une gamme spectrale allant de 400 nm à 1500 nm. Cela implique que le faisceau incident Fl peut être réfléchi par diffusion 100 fois avant d'avoir perdu 63 % de sa puissance.
[0059] A titre d’exemple non limitatif, dans l’exemple de la figure 4A, la cavité de pompage CP est une sphère de diamètre D comprenant deux ouvertures 01 , 02.
[0060] Il est important de noter que la forme de la cavité peut s’adapter à la géométrie du concentrateur. Par exemple, la figure 4C montre une cavité de pompage CP diffusante de forme cylindrique de longueur adaptée à la longueur L du concentrateur luminescent. Dans cette structure compacte, l'éclairage direct du concentrateur par la source laser SL est évité par diffusion du faisceau incident Fl dès l'entrée dans la cavité de pompage grâce à un milieu diffusant MD disposé dans la cavité CP. Afin de compléter le confinement de la lumière à l'intérieur de la cavité, celle-ci est recouverte d'une couche réfléchissante SR. Cette cavité peut aussi être adaptée pour laisser circuler de l'air permettant de refroidir le concentrateur s'échauffant du fait du pompage optique.
[0061] Dans le mode de réalisation préféré où la source laser SL fonctionne en régime impulsionnel, il est très avantageux que la durée de vie TL des luminophores soit inférieure ou égale à la durée TP des impulsions. Ainsi, l'émission du concentrateur n'est pas "ralentie" par la durée de vie du niveau excité du luminophore. Ceci permet de maximiser la puissance crête de rémission lumineuse sortante Ls.
[0062] De même, dans le mode de réalisation où la source laser SL fonctionne en régime impulsionnel, il est préférable que la source laser SL et la cavité optique de pompage (via ses caractéristiques de réflexions du faisceau incident) soient adaptées pour qu’une fluence (ou densité d’énergie) du rayonnement de pompe au sein du concentrateur de lumière soit inférieure à 5 J/cm2, préférentiellement inférieure ou égale à 1 J/cm2. En effet, le seuil de dommage optique laser est typiquement compris entre 5 J/cm2 et 10 J/cm2 pour un laser impulsionnel délivrant des impulsions de 10 ns, selon les conditions expérimentales. [0063] Dans le mode de réalisation de la figure 4A, la cavité optique de pompage CP est entièrement fermée à l’exception d’une première et d’une deuxième ouverture 01 , 02, le faisceau incident traversant la première ouverture 01 et l’émission lumineuse sortante Lout traversant la deuxième ouverture 02. Ce mode de réalisation présente l’avantage d’être facile à mettre en oeuvre.
[0064] Alternativement, selon un autre mode de réalisation illustré dans la figure 4D, la cavité optique de pompage CP est entièrement fermée à l’exception d’une unique ouverture 01 traversée par le faisceau incident Fl et par l’émission lumineuse sortante Ls. Ce mode de réalisation est par exemple mis en oeuvre en utilisant un miroir dichroïque MR disposé de manière à réfléchir le faisceau incident Fl en le dirigeant au travers de l’unique ouverture, le miroir dichroïque transmettant en outre l’émission lumineuse sortante Ls. Ce mode de réalisation présente l’avantage de minimiser les pertes de puissance du rayonnement de pompe RP provoquées par la présence de deux ouvertures (comme dans le mode de réalisation de la figure 4A par exemple). De manière encore préférentielle, comme illustré dans la figure 4D, le miroir MD est agencé de manière à ce que le faisceau incident Fl ne traverse pas le concentrateur avant une première réflexion sur la surface de la cavité CP afin de limiter la densité de puissance du faisceau laser lors de sa première traversée du concentrateur. On évite ainsi les effets de photo-blanchiment et de dommage optique laser.
[0065] De manière préférentielle, dans tous les modes de réalisation de l’invention, la dimension de l’ouverture de la cavité optique traversée par le faisceau incident Fl (ex : l’ouverture 01 dans le mode de réalisation de la figure 4A) est adaptée en fonction du waist w0 du faisceau incident Fl. Plus précisément, l’ouverture est disposée de manière à ce que le faisceau incident Fl traverse l’ouverture à sa plus petite dimension transverse, c’est-à-dire lorsque le faisceau incident présente un rayon transverse de dimension w0, l’ouverture présentant un rayon supérieur ou égal à w0 mais inférieur à 3w0. Cela permet de limiter les pertes associées à la cavité CP en évitant que le faisceau incident soit diaphragmé par l’ouverture qu’il traverse. Plus généralement, l’ouverture de la cavité optique traversée par le faisceau incident Fl présente un diamètre inférieur ou égal à 10 mm afin de limiter les pertes associées à la cavité CP. [0066] De même, de manière préférentielle, la dimension de l’ouverture de la cavité optique traversée par l’émission lumineuse sortante Ls (ex : l’ouverture 02 dans le mode de réalisation de la figure 4A) est adaptée en tenant compte de rémission lambertienne du concentrateur, de manière à ce qu’aucun des rayons de l’émission lumineuse sortante Ls ne soient pas bloqués par l’ouverture. Par exemple, la face émettrice FE est accolée à l’ouverture de la cavité optique traversée par l’émission lumineuse sortante Ls, cette dernière présentant les mêmes dimensions que la face émettrice FE (par exemple w x e dans le mode de réalisation de la figure 4B).
[0067] Selon un mode de réalisation dans laquelle la source SL est impulsionnelle, la cavité CP présente des dimensions adaptées en fonction de la durée de vie TL du rayonnement luminescent de manière à ce que l’émission lumineuse sortante Ls soit une émission lumineuse impulsionnelle d’une durée prédéterminée. En effet, il est possible d’adapter les dimensions de la cavité afin d'adapter la durée de rémission lumineuse impulsionnelle, la borne inférieure de la durée de l’émission lumineuse impulsionnelle étant fixée par le temps de vie TL du rayonnement luminescent des fluorophores. La borne supérieure est liée au temps de propagation moyen d'un photon de pompe à l'intérieur de la cavité de pompage. Cette caractéristique confère une modularité au dispositif selon l’invention qui n’est pas habituellement pas disponible dans les sources lumineuses de l’art antérieur. Ce résultat est illustré dans la figure 5 qui représente le profil temporel de rémission lumineuse sortante Ls pour deux diamètres différents d’une cavité CP sphérique. A titre d’exemple non limitatif, les courbes de la figure 5 sont obtenues pour une source laser SL Nd:YAG triplée en fréquence et délivrant des impulsions avec une énergie de 15 mJ à 355 nm et avec une durée d’impulsion TP = 5 ns et avec une cadence de 20 Hz. De plus, le concentrateur CL est un volume rectangle en PMMA présentant les dimensions suivantes L = 40 mm; w = 2 mm; e = 2 mm et présentant des fluorophores avec une durée de vie TL d’environ 10 ns.
[0068] Le profil temporel C1 est obtenu pour une cavité sphérique de diamètre D = 50 mm alors que le profil temporel C2 est obtenu pour une cavité sphérique de diamètre D = 100 mm. On remarque que le profil temporel C1 présente une largeur à mi-hauteur d’environ 27 ns. Avec le profil temporel C2 obtenu pour une sphère de diamètre D = 100 mm, la durée l’émission lumineuse sortante Ls est plus longue (largeur à mi-hauteur d’environ 35 ns) à cause des distances de propagation dans la sphère plus importantes. L'élargissement temporel enregistré avec la cavité sphérique de plus grand diamètre est dû au temps de trajet plus long des photons de pompe entre chaque diffusion à la surface de la sphère.
[0069] Dans l’exemple de la figure 5, pour le profil C1 on mesure une puissance crête maximale de 6 kW pour l’émission lumineuse sortante Ls, pour une énergie de pompe de 15 mJ. Ceci correspond à une luminance de 20 kW /cm2 /sr, 5 fois plus élevée que la luminance obtenue dans le document M.Nourry-Martin, P.Pichon, F. Druon, S.Darbon, F.Balembois, and P. Georges "Light recycling in LED-pumped Ce:YAG luminescent concentrators" Optics Express Vol.29, No.16 25302-25313 (2021 ), avec un concentrateur en Ce:YAG pompé par LED avec des impulsions de 15 ps. Cependant, les inventeurs ont estimé préférable de limiter l’énergie de pompe à 10 mJ afin d’éviter l’apparition de phénomène de photo-blanchiment des colorants des concentrateurs.
[0070] De manière connue en soi, l’émission luminescente dans le concentrateur est lambertienne. Aussi, l’angle solide d’émission de l’émission lumineuse sortante Ls vaut Ti sr ce qui rend difficile l’utilisation de ce rayonnement à des fins pratiques, par exemple lorsqu’on souhaite le coupler à un système optique conventionnel. Pour pallier ce problème, dans le mode de réalisation illustré en figure 6, le dispositif d’émission lumineuse 1 comprend un dispositif optique non imageant ONI accolé à la face émettrice FE afin de collecter des rayons de rémission lumineuse sortante en réduisant un angle solide associé à la émission lumineuse sortante de manière à former un faisceau de sortie FS. Ce dispositif optique non imageant ONI est préférentiellement collé à la face émettrice FE avec une colle d’indice élevé pour maximiser l’efficacité d’extraction de l’émission lumineuse sortante Ls. Un autre avantage lié à l’utilisation du dispositif optique non imageant ONI accolé à la face émettrice FE est qu’il permet le maintien mécanique du concentrateur CL au sein de la cavité CP sans utiliser un élément mécanique additionnel qui réduirait la puissance de pompe effective.
[0071] Selon un mode de réalisation, le dispositif optique non imageant ONI est un concentrateur parabolique (concentrator parabolic compound en anglais) accolé à la face émettrice FE à l’aide d’une colle UV photo-polymérisable afin pour d’extraire un maximum de lumière piégée dans le concentrateur et pour redresser les rayons dans le faisceau de sortie FS. A titre d’exemple non limitatif, le concentrateur parabolique ONI présente un diamètre d'entrée est de 2,5 mm accolé à la face FE et un diamètre de sortie est de 5 mm. L'angle solide en sortie du concentrateur parabolique ONI est estimé à sr et l'étendue géométrique du faisceau de sortie est donc de l'ordre de 0,1 cm2sr.
[0072] De manière plus générale, il est préférable que le dispositif optique non imageant ONI présente une structure adaptée pour qu’un angle solide du faisceau de sortie soit inférieur ou égal à sr afin de faciliter l’utilisation du rayonnement de sortie du dispositif 1 . Ainsi, le faisceau de sortie FS mis en forme par le dispositif optique non imageant ONI peut être couplé dans un dispositif optique conventionnel SO comme illustré dans la figure 7 afin de fournir un faisceau exploitable FE par un système optique de faible ouverture numérique par exemple.
[0073] Comme évoqué précédemment, de manière préférentielle, le concentrateur CL est un parallélépipède présentant une face émettrice FE carrée car cela facilite le couplage de l’émission lumineuse sortante Ls avec le dispositif optique non imageant ONI et éventuellement le dispositif optique conventionnel SO.

Claims

Revendications
1 . Dispositif (1 ) d’émission lumineuse comprenant :
- une source laser (SL) adaptée pour générer un faisceau incident (Fl)
- un concentrateur (CL) de lumière luminescent adapté pour absorber un rayonnement de pompe (RP) puis émettre un rayonnement luminescent (LL) au sein dudit concentrateur, une portion (Ls) dite émission lumineuse sortante dudit rayonnement luminescent (LL) traversant une face dite émettrice (FE) du concentrateur de lumière,
- une cavité optique définissant un volume fermé ne comprenant pas la source laser (SL) et comprenant le concentrateur et au moins une ouverture (01 , 02), le faisceau incident traverse ladite au moins une ouverture et se réfléchit une pluralité de fois sur une surface (SR) de la cavité optique créant ainsi un rayonnement diffus dans la cavité optique, ledit rayonnement étant absorbé par le concentrateur, et ladite émission lumineuse traversant ladite au moins une ouverture.
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel ladite surface de la cavité optique (CP) réfléchit de manière diffuse un pourcentage supérieur ou égal à 90 % du rayonnement incident et présente un coefficient de réflexion supérieur à 90%, préférentiellement supérieur à 95% pour le rayonnement incident.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite surface de la cavité optique est en polytétrafluoroéthylène.
4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la source laser (SL) est une source impulsionnelle délivrant des impulsions laser de durée TP.
5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le rayonnement luminescent au sein du concentrateur présente une durée de vie TL et ladite durée de vie du rayonnement luminescent est inférieure ou égale à la durée TP des impulsions.
6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, dans lequel la source laser (SL) et la cavité optique de pompage sont adaptées pour qu’une fluence du rayonnement de pompe au sein du concentrateur de lumière soit inférieure à 5 J/cm2, préférentiellement inférieure ou égale à 1 J/cm2.
7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel des dimensions de la cavité optique (CP) sont adaptées en fonction d’une durée de vie TL du rayonnement luminescent de manière à ce que ladite émission lumineuse sortante soit une émission lumineuse impulsionnelle d’une durée prédéterminée, par exemple présentant une largeur à mi hauteur comprise entre 50 et 250 ns.
8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un dispositif optique non imageant accolé à la face émettrice afin de collecter des rayons de ladite émission lumineuse sortante en réduisant un angle solide associé à la émission lumineuse sortante de manière à former un faisceau de sortie (FS), préférentiellement le dispositif optique non imageant est adapté pour qu’un angle solide du faisceau de sortie soit inférieur ou égal à sr.
9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une ouverture présente un diamètre inférieur ou égal à 10 mm.
10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la cavité optique est entièrement fermée à l’exception d’une unique ouverture formant ladite au moins une ouverture ou d’une première et d’une deuxième ouverture formant ladite au moins une ouverture, le faisceau incident traversant la première ouverture et l'émission lumineuse sortante traversant la deuxième ouverture.
11 . Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le concentrateur est un parallélépipède présentant une longueur 10 fois plus grande que sa largeur et que son épaisseur.
12. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le concentrateur est en polyméthacrylate de méthyle (PMMA).
13. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la cavité optique est de forme sphérique ou cylindrique.
14. Méthode pour générer un faisceau de sortie avec une puissance crête améliorée avec un concentrateur (CL) de lumière luminescent comprenant les étapes suivantes : - générer un faisceau laser dit faisceau incident (Fl) avec une source laser (SL)
- diriger le faisceau incident au travers d’au moins une ouverture (01 , 02) formée dans une cavité optique (CP) définissant un volume fermé ne comprenant pas la source laser (SL), le faisceau incident se réfléchissant une pluralité de fois sur une surface de la cavité optique de pompage créant ainsi un rayonnement diffus dans la cavité optique,
- absorber ledit rayonnement diffus avec le concentrateur (CL) de lumière luminescent disposé dans le volume fermé de manière à émettre un rayonnement luminescent (L ), une portion (Ls) dite émission lumineuse sortante dudit rayonnement luminescent (LL) traversant une face dite émettrice (SE) du concentrateur de lumière puis traversant ladite au moins une ouverture.
- collecter des rayons de ladite émission lumineuse sortante en réduisant un angle solide associé à l’émission lumineuse sortante de manière à former un faisceau de sortie (FS).
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