WO2014202476A1 - Dispositif pour absorber une puissance optique - Google Patents

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WO2014202476A1
WO2014202476A1 PCT/EP2014/062342 EP2014062342W WO2014202476A1 WO 2014202476 A1 WO2014202476 A1 WO 2014202476A1 EP 2014062342 W EP2014062342 W EP 2014062342W WO 2014202476 A1 WO2014202476 A1 WO 2014202476A1
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WO
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cooling circuit
cone
cavity
optical power
absorbent
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/062342
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English (en)
Inventor
Denis VILLATE
Marco SOSCIA
Original Assignee
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
Laser Metrologie
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Publication date
Application filed by Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives, Laser Metrologie filed Critical Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/003—Light absorbing elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K17/00—Measuring quantity of heat
    • G01K17/003—Measuring quantity of heat for measuring the power of light beams, e.g. laser beams
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K19/00—Testing or calibrating calorimeters

Definitions

  • the field of the invention is that of the absorption and measurement of high accuracy of the optical power of a laser.
  • a collector also called absorber for receiving an optical beam
  • a cooling circuit located in the thickness of the collector and can receive a cooling liquid such as water.
  • the collector comprises a cavity provided with absorbent inner walls.
  • the coolant flows through the cooling system at a known flow rate.
  • the optical power absorbed by the collector is transferred to the coolant and raises its temperature.
  • Such a device is used in a device for measuring optical power, implementing a measurement of the difference in temperature of the coolant between the inlet and the outlet of the cooling circuit.
  • the optical power absorbing material heats up, and heating is measured by circulating a coolant a few millimeters below the surface receiving the optical power. Knowing how to warm the liquid and its flow, we can go back to the optical power absorbed (with uncertainties). Knowing a coefficient of absorption of the collector, we can find the optical power entering the collector, from the measurement of the optical power absorbed by the collector.
  • a calibration of the measuring apparatus is required to connect a temperature difference and an optical power entering the manifold for a given flow rate of the coolant.
  • an electric heating cord is used in the thickness of the collector, such as the cooling circuit. It is precisely known to measure an electric power transmitted to the electric heating cord. Modeling calculates the ratio between an electrical power transmitted to the electric heating cord and an optical power entering the collector, causing the same temperature variation between the inlet and the outlet of the cooling circuit. Then, a series of measurements are made to connect an electric power transmitted to the electric heating cord and a temperature variation between the inlet and the outlet of the cooling circuit. One can then find an optical power of a beam by a simple measurement of the temperature variation between the inlet and the outlet of the cooling circuit, when this beam is directed into the collector.
  • An overall absorption coefficient of the device can be defined, such as the ratio of an optical power involved in heating the coolant, to a total optical power arriving in the device.
  • a device for absorbing optical power comprising a copper collector provided with a cylinder-shaped cavity, open on a base of this cylinder. Near the opening of the cavity, the interior walls of the cavity are reflective, to avoid losses by backscattering and defocus the incident beam through the curvature of the cylinder. The rest of the interior walls of the cavity is covered with an absorbing coating such that at 1064 nm, an optical beam is absorbed at 90% and reflected at 10%.
  • the cooling circuit is a helical circuit machined in the mass in the thickness of the collector and around the cylindrical cavity. The material thickness between the cylindrical cavity and the cooling circuit is between 2 mm and 3 mm, for example 2.5 mm. We talk about cooling "under the skin”.
  • Such a device can effectively absorb a continuous laser power of the order of 50 kW or 100 kW, but then has a large footprint.
  • a variant of this device is also known in which a reflective cone positioned inside the cylinder is used.
  • This variant is described in the article entitled "RLCYC 75: a 2kW Electrically Calibrated Laser Calorimeter Designed for Laser MegaJoule Diagnostic Calibration", C. Crespy et al., IOP Publishing, Metrologia 50 (2013) 37-48.
  • the axis of rotation of the cylinder and the axis of rotation of the cone are merged.
  • the base of the cone coincides with the base of the cylinder opposite to the opening.
  • An incident optical beam arrives on the tip of the cone, parallel to the axis of rotation of the cylinder. This beam is burst inside the cylinder. This distributes optical power over a wider area of the inner walls of the cylindrical cavity.
  • the half-angle at the top of the cone makes it possible to increase a number of incidences on the absorbent walls of the cylindrical cavity, without modifying the length of the cylinder. For example, for a cone with an apex angle of 36 °, nine successive bearings can be obtained before an incident beam reaches the bottom of the cylindrical cavity.
  • this variant makes it possible to increase an absorption capacity of the device.
  • An object of the present invention is to provide a device for absorbing optical power, which does not have at least one of the disadvantages of the prior art.
  • an object of the present invention is to provide a device for absorbing optical power, having a higher absorption capacity for the same volume, compared with the prior art.
  • a device for absorbing optical power comprising:
  • a collector presenting:
  • a cylinder-shaped cavity provided with absorbent interior walls for absorbing optical power
  • a main cooling circuit extending in the thickness of the collector and around the cavity for receiving a cooling fluid
  • a cone-shaped obstacle located inside the cavity, an apex of the cone being oriented towards the opening.
  • a conical outer surface of the obstacle consists of a reflective portion on the cone top side, and an absorbent portion on the side of a cone base;
  • the device comprises a complementary cooling circuit, extending in the thickness of the obstacle, at least under the absorbent part of the conical outer surface, and connected by a fluid connection to the main cooling circuit to form a global cooling circuit.
  • the reflection coefficients of the reflective portion and the absorbent portion are advantageously different from each other for the same incident wavelength.
  • the absorbent inner walls of the collector are absorbent at a so-called incident wavelength.
  • the incident wavelength is for example the wavelength of the maximum intensity of the optical beam entering the collector.
  • the absorbent portion is absorbent at this incident wavelength, and the reflecting portion is reflective at this incident wavelength. In other words, said reflection coefficients of the reflecting part and the absorbing part are considered at this incident wavelength.
  • the device according to the invention may comprise an electric heating cord extending around the cavity, to deposit a determined electrical power in the main cooling circuit.
  • the device according to the invention has an absorption coefficient greater than 99.9%, in particular at said incident wavelength.
  • the reflecting portion has a reflection coefficient greater than or equal to 70%
  • the absorbent portion has an absorption coefficient greater than or equal to 70%, for the same incident wavelength.
  • the complementary cooling circuit may extend along a helical path.
  • the complementary cooling circuit may extend under the absorbent portion and at least a portion of the reflective portion of the conical outer surface.
  • the reflective portion of the conical outer surface extends only over a portion of the height of the cone, and the ratio of heights between the height of the cone and the height of the reflecting portion is between 0.25 and 0, 75.
  • the cone advantageously has an apex angle of between 25 ° and 45 °.
  • the cone may have a base diameter of less than 10 cm, the diameter of the base of the cone being equal to the diameter of the cylinder.
  • the invention also relates to an apparatus for measuring an optical power comprising:
  • FIG. 1A is an exploded view of an exemplary device according to one embodiment of the invention.
  • Figure 1B is a perspective and schematic view of the device of Figure 1A;
  • Figure 2 is a sectional and schematic view of the device of Figure 1A, illustrating the propagation of a laser beam within said device;
  • FIG. 3 schematically illustrates the cooling circuits of a device according to one embodiment of the invention
  • Figure 4 is an exploded view of an obstacle for a device according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 5 schematically illustrates an electric heating cord for a device according to one embodiment of the invention.
  • Figure 6 schematically illustrates a measuring apparatus according to one embodiment of the invention. DETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
  • Device 100 includes a collector 110 for collecting incident optical power.
  • the collector comprises:
  • the laser beam 120 has for example a so-called incident wavelength, corresponding to the central wavelength of a beam intensity maximum.
  • the cylinder is simply left open on one side.
  • the opposite side of the cylinder is preferably closed.
  • the cavity comprises absorbent inner walls 130. These are in particular the inner sidewalls of the cylindrical cavity.
  • absorbent walls are made using an absorbent coating.
  • the absorbent coating can be made by a graphite deposit, or with a black paint with a high carbon content and a high temperature resistance.
  • the deposition can be carried out by spraying a steamed colloidal solution.
  • the collector 110 is for example a copper tube.
  • a main cooling circuit 140 is machined in the mass in the manifold.
  • the main cooling circuit 140 performs several turns around the cavity 111. It extends along a helical path around the cavity 111.
  • the material thickness between the main cooling circuit 140 and the walls of the cavity 111 is here 2.5 mm. We talk about cooling under the skin.
  • the section of the main cooling circuit, in a plane orthogonal to a direction of propagation of a liquid in said circuit, is for example rectangular. For reasons of legibility of the figure, there is shown the main cooling circuit 140 flush with the outer surface of the collector. In reality, it is located in the thickness of the collector 110.
  • the device 100 comprises an obstacle 150 in the form of a cone. We will therefore talk about a conical outer surface of the obstacle.
  • the obstacle is shown in an exploded view, so as to be able to visualize the interior of the obstacle 150.
  • the conical outer surface is constituted by:
  • the obstacle is for example copper.
  • the reflective portion 151 is for example made by mechanical polishing followed by electrolytic polishing.
  • the absorbent portion 152 typically has the same composition as the absorbent lining of the inner absorbent walls 130. Thus, for each wavelength of the laser beam 120, the absorbent portion 152 and the inner absorbent walls 130 have the same reflection and absorption coefficients. .
  • a cooling circuit 155 Inside the obstacle, under the outer surface of the cone, is a cooling circuit 155, complementary to the cooling circuit 140.
  • This complementary cooling circuit 155 is machined in the mass in the obstacle 150.
  • the circuit additional cooling 155 performs several turns around an axis of rotation of the cone, in a helical path.
  • the complementary cooling circuit 155 extends under the outer surface of the cone separated from this surface by a fixed thickness of material, typically between 2 and 3 mm. So we can also talk about cooling under the skin.
  • the section of the complementary cooling circuit is for example rectangular.
  • the additional cooling circuit 155 extends in particular under the absorbent portion 152, but may also extend under at least a portion of the reflecting portion 151. According to the invention, the main cooling circuit 140 and the complementary cooling circuit 155 are connected together by a fluid connection (not shown) so as to form a global cooling circuit.
  • a coolant such as water travels from one end to the other this global cooling system.
  • the water By passing through the supplementary cooling circuit 155, the water is heated by optical powers that have been absorbed by the obstacle, in particular by its absorbent part 152.
  • the water By passing through the main cooling circuit 140, the water is heated by optical powers having been absorbed by the inner absorbent walls 130 of the cylindrical cavity 111.
  • the water was thus heated both by optical powers incident on the inner absorbent walls 130 of the cylindrical cavity 111 and on the conical outer surface of the obstacle 150.
  • FIG. 1B shows a perspective and schematic view of the device represented in FIG. 1A. This figure simply illustrates the arrangement of the obstacle 150 in the manifold 110.
  • the cone-shaped obstacle 150 is located inside the manifold 110.
  • the top of the cone is oriented towards the opening 112.
  • An axis of revolution of the cone and an axis of revolution of the cylinder are merged along a common axis 160.
  • the diameter of the base of the cone is substantially equal to the internal diameter of the cylindrical cavity 111. This diameter is for example 75 mm.
  • the height of the cone (dimension along its axis of revolution) is comparable to the height of the cylinder (dimension along its axis of revolution).
  • the height of the cone is for example 140 mm. It must remain lower than the height of the cylinder, to minimize the optical losses at the entrance of the cylindrical cavity 111.
  • the height of the cone is between 98% and 80% of the height of the cylinder.
  • Figure 2 is a sectional and schematic view of the device of Figure 1A. We can see in Figure 2:
  • the absorbent portion 152 and the inner absorbent walls 130 have an absorption coefficient, the value of which depends on the wavelength of the laser beam 120. This absorption coefficient is advantageously between 90% and 100% relative to the wavelength. central wave of the laser beam 120 called incident wavelength.
  • the laser beam 120 has a wavelength of 1064 nm, and the absorption coefficient is 90% at this wavelength. This example is not exhaustive. In another example, the laser beam 120 has a wavelength of 10.6 ⁇ , and the absorption coefficient is 70% at this wavelength.
  • the laser beam 120 enters the cavity 111, aligned along the axis 160, corresponding to the axis of revolution of the cylinder and the axis of revolution of the cone (see Figure 1B). It corresponds to the case where an angle of incidence of the beam in the collector is zero. This angle of incidence is measured relative to the axis 160.
  • the angle of divergence of the incident beam in the collector is zero. In other words, the beam arriving in the collector is perfectly collimated.
  • the path of the light beam is shown in dotted lines.
  • the laser beam 120 first meets the top of the cone, where the conical outer surface is the reflecting portion 151.
  • the laser beam 120 is thus distributed all around the cone. In the following, we will focus on a laser beam portion 120 incident on the reflecting portion 151 at a point I.
  • This portion of the laser beam is reflected towards the inner absorbent walls 130, inside the cavity 111. On these absorbent inner walls 130, 90% of the optical power is absorbed, and the remaining 10% is reflected towards the obstacle. 150.
  • Absorbent surface refers to the absorbent portion 152 or the inner absorbent walls 130. Thanks to the absorbent part 152, a total number of reflections is increased on an absorbing surface, for the same size compared with the devices of the prior art.
  • Such a device makes it possible for example to absorb optical powers of the order of 20 kW, by using a cylindrical cavity of height 140 mm and diameter 80 mm, and with a coolant flow of at least 8 liters / minute.
  • the active cooling of the device makes it possible to collect all the power that can be absorbed in the device. Indeed, in the prior art, part of the optical power is absorbed by the reflective cone and is not taken into account to measure an incident optical power.
  • the invention thus makes it possible to minimize thermal losses in a device for absorbing optical power. This improves the accuracy of the measurement of optical power.
  • the number of impacts on an absorbing surface, necessary to obtain a predetermined overall absorption coefficient depends in particular on:
  • the cone has an apex angle ⁇ typically between 25 ° and 45 °, for example equal to 30 °.
  • the point of incidence r d i corresponds to the point of incidence of the beam on the interior walls of the cavity, before being reflected towards the point r c of the cone.
  • the point of incidence r d2 corresponds to the point of incidence of the beam on the interior walls of the cavity, after reflection from the point r c of the cone.
  • the device When the two points r d i and r d2 are no longer sufficiently spaced apart, the device no longer makes it possible to transmit effectively to a coolant the energy absorbed at these points.
  • the size of the device according to the invention is therefore increased.
  • a longer cone length, the top of the cone, can not be cooled and must be polished to be reflective.
  • the device according to the invention can therefore be optimized to obtain a compactness ratio, an absorption capacity and an absorption coefficient. overall desired. For this we will be able to play on at least one of the parameters among:
  • FIG. 3 is a schematic side view of a device 300 according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 3 shows the cavity 311 and the conical obstacle 350.
  • Figure 3 will be used to schematically illustrate the overall cooling circuit 370 according to the invention.
  • the overall cooling circuit 370 consists of:
  • a main cooling circuit 340 corresponding to the main cooling circuit 140 described with reference to Figure 1A;
  • the main cooling circuit 340 and the complementary cooling circuit 355 are interconnected to form the same flow circuit coolant.
  • the main cooling circuit 340 is shown in thick lines (continuous and dotted), following a helical path around the cavity 311.
  • the complementary cooling circuit 355 is shown in fine lines (continuous and dotted), following a helical path under a part of the obstacle 350.
  • a liquid such as water enters the overall cooling circuit 370 through an inlet 371, for example on the bottom side of the cylindrical cavity.
  • the water passes inside the cone, towards the top of the cone.
  • the water then circulates throughout the secondary cooling circuit 355 towards the base of the cone and until it reaches the fluidic connection 380.
  • the water then passes into the main cooling circuit 340.
  • the water then flows through the entire main cooling circuit, from the bottom of the cavity, towards the opening of the cavity. When the water has reached the end of the helical path of the main cooling circuit 340, it is directed towards an outlet 372.
  • Figure 4 is an exploded view of an obstacle 450 for a device according to one embodiment of the invention.
  • the reference numerals 150, 151, 152 and 155 of FIG. 1A correspond to the reference numerals 450, 451, 452 and 455 of FIG. 4.
  • the obstacle 450 has a cone-shaped outer surface of height H.
  • the absorbent coating 452 extends over a height h, measured from the base of the cone.
  • the ratio of height - is of the order of 0.5, for example between 0.25 and
  • the absorbent portion therefore extends over a portion of the cone of height h, from the base of the cone.
  • the reflective portion then extends over a height Hh of the cone, between the top of the cone and the edge of the absorbent part opposite the base of the cone.
  • the ratio of heights between the height H of the cone and the height Hh of the reflecting part is also between 0.25 and 0.75, for example of the order of 0.5.
  • the additional cooling circuit 455 extends helically over a height D.
  • the complementary cooling circuit 455 extends under the absorbent portion 452, but also under a portion of the reflecting portion 451.
  • an incident laser beam arrives on this reflecting part 451.
  • the pfd incident on the reflecting part 451 is therefore very high.
  • the absorption coefficient of the reflecting portion 451 is very small (less than 10%)
  • this reflecting portion can absorb a significant amount of power. It can therefore be seen that it may be useful for the complementary cooling circuit 455 to also extend under the reflecting part 451.
  • the complementary cooling circuit 455 extends under the reflecting part 451 over more than half of the height (Hh) of this reflecting part.
  • FIG. 5 illustrates an electric heating cord 590 that can be provided with a device according to the invention.
  • FIG. 5 schematically illustrates a cavity 511.
  • the electric heating cord 590 is for example a two-wire element 6 meters long, having a total resistance of 40 ⁇ .
  • the electric heating cord 590 extends in the thickness of the helical collector around the cavity 511, for example along the main cooling circuit.
  • the electric heating cord 590 extends only in the thickness of the collector, surrounding the cavity 511. No electric heating cord extends into the obstacle, in particular near the absorbent portion of the conical outer surface. This would indeed be difficult to achieve in practice.
  • the electric heating cord 590 makes it possible to dissipate in the collector a known electric power by heating a liquid flowing in the circuit of main cooling.
  • the electrical power is determined by measuring the voltage between the ends of the cord and the intensity of the current flowing through it.
  • the electric heating cord only heats the water in the main cooling circuit, while the optical power absorbed in the cavity and on the cone warms the water in the main and complementary cooling circuits.
  • the location of the electric heating cord determines the flow direction of the liquid from the additional cooling circuit to the main cooling circuit. In fact, if the liquid circulated from the main cooling circuit to the complementary cooling circuit, the liquid heated by the electric heating cord would heat the cone passing through the complementary cooling circuit. Thus, the liquid heated by the electric heating cord would cool before exiting the global cooling circuit.
  • a determined optical power is distributed over a large area, both on the walls of the cylindrical cavity and on the conical outer surface of the obstacle.
  • An electric power of the same value is distributed over a smaller area, only around the cylindrical cavity: the surface electrical power is therefore greater than the surface optical power.
  • Optical electrical equivalence refers to a power ratio between an electric power transmitted to the electric heating cord and an optical power of the beam, causing the same temperature variation between the inlet and the outlet of the overall cooling circuit. This report should be as close as possible to 1.
  • the angle at the apex of the cone contributes to determining an absorption coefficient of the device according to the invention. This angle at the apex of the cone also determines the compactness ratio of the device according to the invention.
  • the overall absorption coefficient of the device is greater than 99.9% and that the electrical-optical equivalence is a ratio between 0.999 and 1.000.
  • a device 660 for measuring an optical power implementing a device 600 according to the invention will now be described with reference to FIG.
  • Such an apparatus makes it possible to measure a high optical power emitted continuously, without limit of exposure time.
  • the device 600 according to the invention is a device as described above, for absorbing optical power.
  • the reference numerals 300, 311, 340, 350, 355, 371, 372, 380 of FIG. 3 correspond to the reference numerals 600, 611, 640, 650, 655, 671, 672, 680 of FIG.
  • the inlet 671 of the global cooling circuit is connected to measuring means 601 recording a temperature T in water before entering the global cooling circuit.
  • the outlet 672 of the global cooling circuit is connected to the measuring means 601 raising a temperature T out of the water after having circulated throughout the entire cooling circuit.
  • the measuring means 601 may comprise platinum resistance probes immersed respectively at the inlet and at the outlet of the global cooling circuit. These probes can be replaced by thermopiles (composed of thermocouples) delivering a DC voltage depending on their temperature.
  • the measuring means 601 are connected to data processing means 602.
  • the data processing means may comprise a processor or a microprocessor. These data processing means 602 perform a comparison between T in and T o u t , and output an optical power of a laser beam incident in the cavity 611.
  • the temperature change measurements must be made for a known flow rate of the coolant flow in the overall cooling circuit.
  • This flow rate is determined so as to limit a difference in temperature between T in and
  • T out in order to maintain good mechanical stability of the device to absorb optical power.
  • T in is 20 ° C and T out is about 26 ° C for 25 kW absorbed with a flow rate in the global cooling circuit of 5 L / min.
  • the flow rate is preferably chosen so as to obtain a so-called "turbulent" flow.
  • the apparatus 660 for measuring optical power advantageously comprises flow measurement means 690 for measuring the flow rate of the coolant circulating in the global cooling circuit.
  • These flow measurement means consist for example of a tungsten propeller turbine, disposed at the inlet of the global cooling circuit.
  • the flow measurement means 690 are connected to the data processing means 602 which uses the flow rate value, and the comparison between Tin and Tout, to calculate an optical power of an incident laser beam in the cavity 611.
  • the measuring device 660 notably makes it possible to measure the optical power of a powerful laser (more than 10 kW or even more than 20 kW), such as lasers used in the field of cutting or welding of large thicknesses.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (100) pour absorber une puissance optique comprenant: un collecteur (110), avec une cavité cylindrique munie de parois intérieures absorbantes (130) pour absorber une puissance optique; un circuit de refroidissement principal (140) s'étendant dans l'épaisseur du collecteur (110) et autour de la cavité, pour recevoir un liquide de refroidissement; et un obstacle en forme de cône (150), situé à l'intérieur de la cavité. Une surface externe conique de l'obstacle est constituée d'une partie réfléchissante (151) du côté du sommet du cône, et une partie absorbante (152) du côté de la base du cône. Le dispositif comprend en outre un circuit de refroidissement complémentaire (155), s'étendant dans l'épaisseur de l'obstacle (150), relié au circuit de refroidissement principal (140) pour former un circuit de refroidissement global. L'invention concerne également un appareil de mesure de puissance optique comprenant un tel dispositif. Le domaine de l'invention est celui de la mesure de fortes puissances laser.

Description

DISPOSITIF POUR ABSORBER UNE PUISSANCE OPTIQUE
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
Le domaine de l'invention est celui de l'absorption et la mesure de grande précision de la puissance optique d'un laser.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
On connaît dans l'art antérieur différents dispositifs pour absorber une puissance optique. Ces dispositifs présentent généralement :
un collecteur (appelé également absorbeur), pour recevoir un faisceau optique ; et
un circuit de refroidissement situé dans l'épaisseur du collecteur et pouvant recevoir un liquide de refroidissement tel que de l'eau.
Le collecteur comprend une cavité munie de parois intérieures absorbantes. Le liquide de refroidissement traverse le circuit de refroidissement avec un débit connu. La puissance optique absorbée par le collecteur est transférée au liquide de refroidissement et élève sa température. On utilise un tel dispositif dans un appareil de mesure d'une puissance optique, mettant en œuvre une mesure de la différence de température du liquide de refroidissement entre l'entrée et la sortie du circuit de refroidissement. En d'autres termes, le matériau absorbant une puissance optique s'échauffe, et on mesure réchauffement produit en faisant circuler un liquide de refroidissement à quelques millimètres sous la surface recevant la puissance optique. Connaissant réchauffement du liquide et son débit, on peut remonter à la puissance optique absorbée (aux incertitudes près). Connaissant un coefficient d'absorption du collecteur, on peut retrouver la puissance optique entrant dans le collecteur, à partir de la mesure de la puissance optique absorbée par le collecteur. En pratique, on doit réaliser un étalonnage de l'appareil de mesure, pour relier une différence de température et une puissance optique entrant dans le collecteur, pour un débit donné du liquide de refroidissement. Pour cet étalonnage, on utilise un cordon de chauffage électrique situé dans l'épaisseur du collecteur, comme le circuit de refroidissement. On sait précisément mesurer une puissance électrique transmise au cordon de chauffage électrique. Par modélisation, on calcule le rapport entre une puissance électrique transmise au cordon de chauffage électrique et une puissance optique entrant dans le collecteur, provoquant une même variation de température entre l'entrée et la sortie du circuit de refroidissement. Ensuite, on effectue une série de mesures pour relier une puissance électrique transmise au cordon de chauffage électrique et une variation de température entre l'entrée et la sortie du circuit de refroidissement. On peut alors retrouver une puissance optique d'un faisceau par une simple mesure de la variation de température entre l'entrée et la sortie du circuit de refroidissement, lorsque ce faisceau est dirigé dans le collecteur.
On peut définir un coefficient d'absorption global du dispositif, comme le rapport entre une puissance optique participant à chauffer le liquide de refroidissement, et une puissance optique totale arrivant dans le dispositif.
On peut définir une puissance optique maximale que peut absorber efficacement le dispositif sans subir de dégradation, et avec un coefficient d'absorption élevé supérieur à 95%. On peut parler de capacité d'absorption du dispositif. Si l'on dépasse la capacité d'absorption du dispositif, son coefficient d'absorption diminue.
On connaît par exemple un dispositif pour absorber une puissance optique comprenant un collecteur en cuivre muni d'une cavité en forme de cylindre, ouverte sur une base de ce cylindre. A proximité de l'ouverture de la cavité, les parois intérieures de la cavité sont réfléchissantes, pour éviter les pertes par rétrodiffusion et défocaliser le faisceau incident grâce à la courbure du cylindre. Le reste des parois intérieures de la cavité est recouvert d'un revêtement absorbant tel qu'à 1064 nm, un faisceau optique est absorbé à 90% et réfléchi à 10%. Le circuit de refroidissement est un circuit hélicoïdal usiné dans la masse dans l'épaisseur du collecteur et autour de la cavité cylindrique. L'épaisseur de matière entre la cavité cylindrique et le circuit de refroidissement est comprise entre 2 mm et 3 mm, par exemple 2,5 mm. On parle de refroidissement « sous la peau ». Un tel dispositif est décrit dans le document intitulé « Calorimétrie laser : mesure de fortes puissances laser », M. Soscia, Bulletin du BNM, n° 82, octobre 1990. Un faisceau incident dans le collecteur se réfléchit dans le collecteur avec un nombre de réflexions dépendant de son angle d'incidence sur le cylindre et de la longueur du cylindre. Pour l'étalonnage, un cordon de chauffage électrique s'étend en hélice dans l'épaisseur du collecteur, le long du circuit de refroidissement.
Un tel dispositif permet d'absorber efficacement une puissance laser en continu de l'ordre de 50 kW voire 100 kW, mais présente alors un encombrement important.
On connaît également une variante de ce dispositif, dans laquelle on utilise un cône réfléchissant, positionné à l'intérieur du cylindre. Cette variante est décrite dans l'article intitulé « RLCYC 75: a 2kW electrically calibrated laser calorimeter designed for Laser MegaJoule diagnostics calibration », C. Crespy et al., IOP Publishing, Metrologia 50 (2013) 37-48. L'axe de rotation du cylindre et l'axe de rotation du cône sont confondus. La base du cône est confondue avec la base du cylindre opposée à l'ouverture. Un faisceau optique incident arrive sur la pointe du cône, parallèle à l'axe de rotation du cylindre. Ce faisceau est éclaté à l'intérieur du cylindre. On répartit ainsi une puissance optique sur une plus large surface des parois intérieures de la cavité cylindrique. En outre, le demi- angle au sommet du cône permet d'augmenter un nombre d'incidences sur les parois absorbantes de la cavité cylindrique, sans modifier la longueur du cylindre. Par exemple, pour un cône présentant un angle au sommet de 36°, on peut obtenir neuf incidences successives avant qu'un faisceau incident ne parvienne au fond de la cavité cylindrique.
Pour un même volume total, cette variante permet d'augmenter une capacité d'absorption du dispositif.
En répartissant la puissance optique sur une plus large surface, on préserve également l'intégrité du revêtement absorbant.
Pour augmenter une capacité d'absorption de ce dispositif, on doit augmenter un nombre d'incidences sur les parois de la cavité cylindrique. Pour cela, on doit réduire l'angle au sommet du cône, ce qui revient à augmenter sa longueur, et donc la longueur de la cavité cylindrique. On obtient alors un dispositif plus encombrant, et présentant une ouverture utile moins importante pour l'entrée du faisceau à l'intérieur de la cavité, entre les parois intérieures du cylindre et les parois extérieures du cône.
Un objectif de la présente invention est de proposer un dispositif pour absorber une puissance optique, qui ne présente pas au moins l'un des inconvénients de l'art antérieur.
En particulier, un objectif de la présente invention est de proposer un dispositif pour absorber une puissance optique, présentant une capacité d'absorption plus élevée pour un même volume, en comparaison avec l'art antérieur.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Cet objectif est atteint avec un dispositif pour absorber une puissance optique comprenant :
un collecteur, présentant :
une cavité en forme de cylindre, munie de parois intérieures absorbantes pour absorber une puissance optique, et
une ouverture pratiquée sur une base du cylindre, pour laisser entrer un faisceau optique dans la cavité ;
un circuit de refroidissement principal s'étendant dans l'épaisseur du collecteur et autour de la cavité, pour recevoir un fluide de refroidissement ; et
un obstacle en forme de cône, situé à l'intérieur de la cavité, un sommet du cône étant orienté vers l'ouverture.
Selon l'invention :
- une surface externe conique de l'obstacle est constituée d'une partie réfléchissante du côté du sommet du cône, et une partie absorbante du côté d'une base du cône ; et
le dispositif comprend un circuit de refroidissement complémentaire, s'étendant dans l'épaisseur de l'obstacle, au moins sous la partie absorbante de la surface externe conique, et relié par une liaison fluidique au circuit de refroidissement principal pour former un circuit de refroidissement global.
Les coefficients de réflexion de la partie réfléchissante et de la partie absorbante sont avantageusement différents l'un de l'autre pour une même longueur d'onde incidente.
De préférence, les parois intérieures absorbantes du collecteur sont absorbantes à une longueur d'onde dite incidente. La longueur d'onde incidente est par exemple la longueur d'onde du maximum d'intensité du faisceau optique entrant dans le collecteur. La partie absorbante est absorbante à cette longueur d'onde incidente, et la partie réfléchissante est réfléchissante à cette longueur d'onde incidente. En d'autres termes, lesdits coefficients de réflexion de la partie réfléchissante et la partie absorbante sont considérés à cette longueur d'onde incidente.
Le dispositif selon l'invention peut comprendre un cordon de chauffage électrique s'étendant autour de la cavité, pour déposer une puissance électrique déterminée dans le circuit de refroidissement principal.
De préférence, le dispositif selon l'invention présente un coefficient d'absorption supérieur à 99,9%, en particulier à ladite longueur d'onde incidente.
Avantageusement, la partie réfléchissante présente un coefficient de réflexion supérieur ou égal à 70%, et la partie absorbante présente un coefficient d'absorption supérieur ou égal à 70%, pour une même longueur d'onde incidente.
Le circuit de refroidissement complémentaire peut s'étendre selon un trajet hélicoïdal.
Le circuit de refroidissement complémentaire peut s'étendre sous la partie absorbante et au moins une portion de la partie réfléchissante de la surface externe conique.
De préférence, la partie réfléchissante de la surface externe conique s'étend seulement sur une partie de la hauteur du cône, et le rapport de hauteurs entre la hauteur du cône et la hauteur de la partie réfléchissante est compris entre 0,25 et 0,75.
Le cône présente avantageusement un angle au sommet compris entre 25° et 45°. Le cône peut présenter une base de diamètre inférieur à 10 cm, le diamètre de la base du cône étant égal au diamètre du cylindre.
L'invention concerne également un appareil de mesure d'une puissance optique comprenant :
- un dispositif selon l'invention ;
des moyens de mesure d'une température d'un fluide à l'entrée du circuit de refroidissement global, et en sortie du circuit de refroidissement global, après un passage dans les circuits de refroidissement principal et complémentaire ; et
des moyens de comparaison entre les températures mesurées.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels :
- la figure 1A est une vue éclatée d'un exemple de dispositif selon un mode de réalisation de l'invention ;
la figure 1B est une vue en perspective et schématique du dispositif de la figure 1A ;
la figure 2 est une vue en coupe et schématique du dispositif de la figure 1A, illustrant la propagation d'un faisceau laser à l'intérieur dudit dispositif ;
la figure 3 illustre de façon schématique les circuits de refroidissement d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention ;
la figure 4 est une vue éclatée d'un obstacle pour un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 5 illustre de façon schématique un cordon de chauffage électrique pour un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention ; et
la figure 6 illustre de façon schématique un appareil de mesure selon un mode de réalisation de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On va tout d'abord décrire, en référence à la figure 1A, un exemple de réalisation de dispositif 100 selon un mode de réalisation de l'invention, pour absorber une puissance optique.
Le dispositif 100 comprend un collecteur 110, servant à collecter une puissance optique incidente. Pour cela, le collecteur comprend :
une cavité en forme de cylindre (référence numérique 111, voir figure 2) ; et une ouverture 112 pour laisser entrer un faisceau laser 120 à l'intérieur de la cavité 111, et pratiquée sur une base du cylindre. Le faisceau laser 120 présente par exemple une longueur d'onde dite incidente, correspondant à la longueur d'onde centrale d'un maximum d'intensité du faisceau.
En pratique, on laisse simplement le cylindre ouvert d'un côté. Le côté opposé du cylindre est de préférence fermé.
La cavité comprend des parois intérieures absorbantes 130. Il s'agit en particulier des parois latérales intérieures de la cavité cylindrique.
Ces parois absorbantes sont réalisées à l'aide d'un revêtement absorbant.
On peut réaliser le revêtement absorbant par un dépôt de graphite, ou à l'aide d'une peinture noire fortement chargée en carbone et qui présente une haute tenue en température. Le dépôt peut être réalisé par pulvérisation d'une solution colloïdale étuvée.
Le collecteur 110 est par exemple un tube en cuivre.
U n circuit de refroidissement principal 140 est usiné dans la masse dans le collecteur. Le circuit de refroidissement principal 140 réalise plusieurs tours autour de la cavité 111. Il s'étend en suivant un trajet hélicoïdal autour de la cavité 111. L'épaisseur de matière entre le circuit de refroidissement principal 140 et les parois de la cavité 111 est ici de 2,5 mm. On parle de refroidissement sous la peau. La section du circuit de refroidissement principal, dans un plan orthogonal à une direction de propagation d'un liquide dans ledit circuit, est par exemple rectangulaire. Pour des raisons de lisibilité de la figure, on a représenté le circuit de refroidissement principal 140 affleurant à la surface externe du collecteur. En réalité, il est situé dans l'épaisseur du collecteur 110.
Le dispositif 100 comprend un obstacle 150 en forme de cône. On parlera donc par la suite d'une surface externe conique de l'obstacle.
L'obstacle est représenté en vue éclatée, de façon à pouvoir visualiser l'intérieur de l'obstacle 150.
La surface externe conique est constituée par :
une partie réfléchissante 151, du côté du sommet du cône ; et
- une partie absorbante 152, du côté de la base du cône.
L'obstacle est par exemple en cuivre.
La partie réfléchissante 151 est par exemple réalisée par un polissage mécanique suivi d'un polissage électrolytique.
La partie absorbante 152 présente typiquement la même composition que le revêtement absorbant des parois intérieures absorbantes 130. Ainsi, pour chaque longueur d'onde du faisceau laser 120, la partie absorbante 152 et les parois intérieures absorbantes 130 présentent les mêmes coefficients de réflexion et absorption.
A l'intérieur de l'obstacle, sous la surface externe du cône, se trouve un circuit de refroidissement 155, complémentaire du circuit de refroidissement 140. Ce circuit de refroidissement complémentaire 155 est usiné dans la masse dans l'obstacle 150. Le circuit de refroidissement complémentaire 155 réalise plusieurs tours autour d'un axe de rotation du cône, selon un trajet hélicoïdal. Le circuit de refroidissement complémentaire 155 s'étend sous la surface externe du cône séparé de cette surface par une épaisseur fixe de matière, typiquement entre 2 et 3 mm. On peut donc également parler de refroidissement sous la peau. La section du circuit de refroidissement complémentaire est par exemple rectangulaire.
Le circuit de refroidissement complémentaire 155 s'étend en particulier sous la partie absorbante 152, mais peut également se prolonger sous au moins une partie de la partie réfléchissante 151. Selon l'invention, le circuit de refroidissement principal 140 et le circuit de refroidissement complémentaire 155 sont reliés ensemble par une liaison fluidique (non représentée) de façon à former un circuit de refroidissement global.
Un liquide de refroidissement tel que de l'eau parcourt d'une extrémité à l'autre ce circuit de refroidissement global.
En passant dans le circuit de refroidissement complémentaire 155, l'eau est chauffée par des puissances optiques ayant été absorbées par l'obstacle, en particulier par sa partie absorbante 152.
En passant dans le circuit de refroidissement principal 140, l'eau est chauffée par des puissances optiques ayant été absorbées par les parois intérieures absorbantes 130 de la cavité 111 cylindrique.
En sortant du circuit de refroidissement global, l'eau a donc été chauffée à la fois par des puissances optiques incidentes sur les parois intérieures absorbantes 130 de la cavité cylindrique 111 et sur la surface externe conique de l'obstacle 150.
On a représenté à la figure 1B une vue en perspective et schématique du dispositif représenté à la figure 1A. Cette figure permet simplement d'illustrer l'agencement de l'obstacle 150 dans le collecteur 110.
L'obstacle 150 en forme de cône est situé à intérieur du collecteur 110. Le sommet du cône est orienté du côté de l'ouverture 112.
Un axe de révolution du cône et un axe de révolution du cylindre sont confondus selon un axe commun 160.
Le diamètre de la base du cône est sensiblement égal au diamètre interne de la cavité cylindrique 111. Ce diamètre vaut par exemple 75 mm.
La hauteur du cône (dimension selon son axe de révolution) est comparable à la hauteur du cylindre (dimension selon son axe de révolution). La hauteur du cône vaut par exemple 140 mm. Elle doit rester inférieure à la hauteur du cylindre, pour minimiser les pertes optiques à l'entrée de la cavité cylindrique 111. Par exemple, la hauteur du cône est comprise entre 98% et 80% de la hauteur du cylindre. On va maintenant décrire, en se référant à la figure 2, la propagation d'un faisceau laser dans la cavité 111, entre les parois intérieures de la cavité cylindrique et la surface externe conique de l'obstacle 150.
La figure 2 est une vue en coupe et schématique du dispositif de la figure 1A. On reconnaît sur la figure 2 :
l'obstacle 150 en forme de cône, avec la partie réfléchissante 151 et la partie absorbante 152 ;
la cavité 111 cylindrique ;
le faisceau laser 120 incident.
La partie absorbante 152 et les parois intérieures absorbantes 130 présentent un coefficient d'absorption dont la valeur dépend de la longueur d'onde du faisceau laser 120. Ce coefficient d'absorption est avantageusement compris entre 90% et 100% à la longueur d'onde centrale du faisceau laser 120 dite longueur d'onde incidente.
Par exemple, le faisceau laser 120 présente une longueur d'onde de 1064 nm, et le coefficient d'absorption est de 90% à cette longueur d'onde. Cet exemple n'est absolument pas limitatif. Selon un autre exemple, le faisceau laser 120 présente une longueur d'onde de 10,6 μιη, et le coefficient d'absorption est de 70% à cette longueur d'onde.
Dans la suite, on supposera un coefficient d'absorption de 90% à la longueur d'onde incidente. Cela signifie que lorsqu'une partie au moins du faisceau laser arrive sur la partie absorbante 152 ou les parois intérieures absorbantes 130, 90% de sa puissance est absorbée, et 10% de sa puissance est réfléchie.
En outre, et pour des raisons de lisibilité de la figure, on considérera que toutes les réflexions sont spéculaires, et on n'illustrera pas d'éventuels effets de diffusion.
Pour les mêmes raisons, on a également négligé certains effets tels que la divergence du faisceau entrant dans la cavité, ou la divergence induite par des réflexions sur les parois cylindriques de la cavité et coniques de l'obstacle.
Le faisceau laser 120 entre dans la cavité 111, aligné selon l'axe 160, correspondant à l'axe de révolution du cylindre et l'axe de révolution du cône (voir figure 1B). Cela correspond au cas où un angle d'incidence du faisceau dans le collecteur est nul. Cet angle d'incidence est mesuré relativement à l'axe 160.
Dans le cas représenté à la figure 2, l'angle de divergence du faisceau incident dans le collecteur est nul. En d'autres termes, le faisceau arrivant dans le collecteur est parfaitement collimaté.
On a représenté en pointillés la trajectoire du faisceau lumineux.
Le faisceau laser 120 rencontre tout d'abord le sommet du cône, là où la surface externe conique est la partie réfléchissante 151.
Le faisceau laser 120 est ainsi réparti tout autour du cône. On va s'intéresser dans la suite à une portion de faisceau laser 120, incidente sur la partie réfléchissante 151 en un point I.
Cette portion de faisceau laser est réfléchie vers les parois intérieures absorbantes 130, à l'intérieur de la cavité 111. Sur ces parois intérieures absorbantes 130, 90% de la puissance optique est absorbée, et les 10% restants sont réfléchis vers l'obstacle 150.
Ces 10% restants sont incidents sur la surface externe conique. Le coefficient de réflexion associé à cette incidence vaut :
90%, si l'on se trouve sur la partie réfléchissante 151 ; ou
10%, si l'on se trouve sur la partie absorbante 152. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, lesdits 10% restants arrivent sur la partie absorbante 152 de la surface externe conique de l'obstacle. Ces 10% restants vont donc être absorbés à 90% par la partie absorbante 152, et réfléchis à 10% en direction des parois intérieures absorbantes 130. Le faisceau laser 120 progresse donc par réflexions ou incidences successives jusqu'au fond de la cavité 111. A chaque incidence, une partie de sa puissance optique est absorbée, de sorte qu'après 5 à 7 réflexions sur une surface absorbante, le reliquat de puissance réfléchi est négligeable.
On parle de surface absorbante pour désigner la partie absorbante 152 ou les parois intérieures absorbantes 130. Grâce à la partie absorbante 152, on augmente un nombre de réflexions total sur une surface absorbante, pour un même encombrement en comparaison avec les dispositifs de l'art antérieur.
Pour un même encombrement, on peut donc obtenir une capacité d'absorption plus élevée que dans l'art antérieur.
Un tel dispositif permet par exemple d'absorber des puissances optiques de l'ordre de 20 kW, en utilisant une cavité cylindrique de hauteur 140 mm et de diamètre 80 mm, et avec un débit de liquide de refroidissement d'au moins 8 litres/minute.
En outre, le refroidissement actif du dispositif, à la fois autour de la cavité cylindrique et sous la surface externe conique de l'obstacle, permet de collecter l'ensemble de la puissance pouvant être absorbée dans le dispositif. En effet, dans l'art antérieur, une partie de la puissance optique est absorbée par le cône réfléchissant et n'est pas prise en compte pour mesurer une puissance optique incidente. L'ajout du circuit de refroidissement complémentaire 155, relié au circuit de refroidissement principal 140, permet de prendre en compte la puissance optique absorbée par l'obstacle, pour une mesure de la puissance optique du faisceau laser 120. On détaillera dans la suite comment cette mesure est réalisée.
L'invention permet donc de minimiser des pertes thermiques dans un dispositif pour absorber une puissance optique. On améliore ainsi la précision de la mesure d'une puissance optique.
Enfin, grâce au nombre élevé d'incidences sur une surface absorbante, on peut réaliser un dispositif présentant un coefficient d'absorption global supérieur à 99,9%, à la longueur d'onde incidente. Ce coefficient d'absorption global étant difficile à mesurer, on suppose généralement qu'il vaut 100% lorsqu'on cherche à mesurer une puissance optique. On voit donc que l'invention permet de diminuer l'incertitude de mesure d'une puissance optique.
Le nombre d'incidences sur une surface absorbante, nécessaire pour obtenir un coefficient d'absorption global prédéterminé, dépend notamment :
de la qualité du revêtement absorbant des surfaces absorbantes ; de l'angle d'incidence sur ces surfaces absorbantes, lié à l'angle au sommet du cône ;
d'un rapport sur la surface conique de l'obstacle entre la partie réfléchissante et la partie absorbante.
Généralement, entre 5 et 7 réflexions sur une surface absorbante sont nécessaires pour obtenir un coefficient d'absorption global supérieur à 99,9%.
Le cône présente un angle au sommet Θ typiquement compris entre 25° et 45°, par exemple égal à 30°.
Plus cet angle au sommet est fermé, plus le confinement des rayons lumineux dans la cavité est important, et plus les pertes optiques sont faibles.
On peut relever qu'après chaque réflexion sur le cône, la distance sur les parois intérieures de la cavité, entre les deux points d'incidence rdi et rd2 diminue. Le point d'incidence rdi correspond au point d'incidence du faisceau sur les parois intérieures de la cavité, avant d'être réfléchi vers le point rc du cône. Le point d'incidence rd2 correspond au point d'incidence du faisceau sur les parois intérieures de la cavité, après réflexion depuis le point rc du cône.
Lorsque les deux points rdi et rd2 ne sont plus suffisamment espacés, le dispositif ne permet plus de transmettre efficacement à un liquide de refroidissement l'énergie absorbée en ces points.
Pour augmenter un nombre d'incidences avant que ces deux points ne soient plus suffisamment espacés, on peut diminuer l'angle au sommet du cône.
Un angle au sommet du cône trop réduit présente cependant les inconvénients suivants :
- pour que la cavité cylindrique englobe le cône, celle-ci doit être plus longue.
On augmente donc l'encombrement du dispositif selon l'invention. On peut également dire que l'on diminue son rapport de compacité, c'est-à-dire la puissance optique volumique moyenne, en kW/cm3 ;
les angles d'incidence sur les surfaces absorbantes du cône ou du cylindre sont plus importants. Cela augmente la proportion réfléchie d'un faisceau incident. On doit donc augmenter un nombre de réflexions sur une surface absorbante pour conserver un même coefficient d'absorption global ;
l'usinage à l'intérieur de l'obstacle conique, pour réaliser le circuit de refroidissement complémentaire devient délicat à réaliser. Une longueur plus importante de cône, côté sommet du cône, ne peut pas être refroidie et doit donc être polie pour être réfléchissante.
Pour un angle de divergence et un angle d'incidence déterminés d'un faisceau incident dans le collecteur, on peut donc optimiser le dispositif selon l'invention, pour obtenir un rapport de compacité, une capacité d'absorption et un coefficient d'absorption global voulus. Pour cela on pourra notamment jouer sur au moins l'un des paramètres parmi :
la qualité du revêtement absorbant sur la partie absorbante de l'obstacle et sur les parois intérieures absorbantes de la cavité cylindrique ;
- l'angle au sommet du cône ;
le rapport entre la partie réfléchissante et la partie absorbante de la surface externe conique de l'obstacle.
En particulier, on pourra ajuster au moins un de ces paramètres de façon à ce qu'un coefficient d'absorption global du dispositif soit supérieur à 99,9%.
La figure 3 est une vue de côté et schématique d'un dispositif 300 selon un mode de réalisation de l'invention. On reconnaît sur la figure 3 la cavité 311 et l'obstacle 350 conique. La figure 3 sera utilisée pour illustrer de façon schématique le circuit global de refroidissement 370 selon l'invention.
Le circuit global de refroidissement 370 est constitué par :
un circuit de refroidissement principal 340, correspondant au circuit de refroidissement principal 140 décrit en référence à la figure 1A ;
un circuit de refroidissement complémentaire 355, correspondant au circuit de refroidissement complémentaire 155 décrit en référence à la figure 1A ; et une liaison fluidique 380 entre le circuit de refroidissement principal 340 et le circuit de refroidissement complémentaire 355. En d'autres termes, le circuit de refroidissement principal 340 et le circuit de refroidissement complémentaire 355 sont reliés entre eux pour former un même circuit d'écoulement de liquide de refroidissement.
Le circuit de refroidissement principal 340 est représenté en traits épais (continus et pointillés), suivant un trajet hélicoïdal autour de la cavité 311.
Le circuit de refroidissement complémentaire 355 est représenté en traits fins (continus et pointillés), suivant un trajet hélicoïdal sous une partie de l'obstacle 350.
Un liquide tel que de l'eau entre dans le circuit global de refroidissement 370 par une entrée 371, située par exemple du côté du fond de la cavité cylindrique. L'eau passe à l'intérieur du cône, en direction du sommet du cône. L'eau circule ensuite dans tout le circuit de refroidissement secondaire 355, en direction de la base du cône et jusqu'à atteindre la liaison fluidique 380. L'eau passe alors dans le circuit de refroidissement principal 340. L'eau circule alors dans tout le circuit de refroidissement principal, depuis le fond de la cavité, en direction de l'ouverture de la cavité. Lorsque l'eau est arrivée au bout du trajet en hélice du circuit de refroidissement principal 340, elle est dirigée vers une sortie 372.
La figure 4 est une vue éclatée d'un obstacle 450 pour un dispositif selon un mode de réalisation l'invention.
Les références numériques 150, 151, 152 et 155 de la figure 1A correspondent aux références numériques 450, 451, 452 et 455 de la figure 4.
L'obstacle 450 présente une surface externe en forme de cône de hauteur H. Le revêtement absorbant 452 s'étend sur une hauteur h, mesurée à partir de la base du cône.
Le rapport de hauteur — est de l'ordre de 0,5, par exemple compris entre 0,25 et
H
0,75.
La partie absorbante s'étend donc sur une portion du cône de hauteur h, depuis la base du cône. La partie réfléchissante s'étend alors sur une hauteur H-h du cône, entre le sommet du cône et le bord de la partie absorbante opposé à la base du cône. Le rapport de hauteurs entre la hauteur H du cône et la hauteur H-h de la partie réfléchissante est donc lui aussi compris entre 0,25 et 0,75, par exemple de l'ordre de 0,5.
Le circuit de refroidissement complémentaire 455 s'étend en hélice sur une hauteur D.
De préférence, h<D. En d'autres termes, le circuit de refroidissement complémentaire 455 s'étend sous la partie absorbante 452, mais également sous une partie de la partie réfléchissante 451.
Comme détaillé en référence à la figure 2, un faisceau laser incident arrive sur cette partie réfléchissante 451. La puissance surfacique incidente sur la partie réfléchissante 451 est donc très élevée. Ainsi, même si le coefficient d'absorption de la partie réfléchissante 451 est très faible (inférieur à 10%), cette partie réfléchissante pourra absorber une puissance non négligeable. On voit donc qu'il peut être utile que le circuit de refroidissement complémentaire 455 s'étende également sous la partie réfléchissante 451. Par exemple, le circuit de refroidissement complémentaire 455 s'étend sous la partie réfléchissante 451, sur plus de la moitié de la hauteur (H-h) de cette partie réfléchissante.
La figure 5 permet d'illustrer un cordon de chauffage électrique 590 dont peut être pourvu un dispositif selon l'invention.
La figure 5 illustre de façon schématique une cavité 511. Le cordon de chauffage électrique 590 est par exemple un élément bifilaire de 6 mètres de long, présentant une résistance totale de 40 Ω.
On prévoit avantageusement que le cordon de chauffage électrique 590 s'étende dans l'épaisseur du collecteur en hélice autour de la cavité 511, par exemple en longeant le circuit de refroidissement principal.
Le cordon de chauffage électrique 590 s'étend uniquement dans l'épaisseur du collecteur, entourant la cavité 511. Aucun cordon de chauffage électrique ne s'étend dans l'obstacle, notamment à proximité de la partie absorbante de la surface externe conique. Cela serait en effet difficile à réaliser, en pratique.
Le cordon de chauffage électrique 590 permet de dissiper dans le collecteur une puissance électrique connue en réchauffant un liquide circulant dans le circuit de refroidissement principal. La puissance électrique est déterminée, en mesurant la tension entre les extrémités du cordon et l'intensité du courant qui le traverse.
Le cordon de chauffage électrique ne réchauffe que l'eau du circuit de refroidissement principal, alors que la puissance optique absorbée dans la cavité et sur le cône réchauffe l'eau dans les circuits de refroidissement principal et complémentaire.
L'emplacement du cordon de chauffage électrique, uniquement autour de la cavité cylindrique 511, détermine le sens de circulation du liquide, depuis le circuit de refroidissement complémentaire vers le circuit de refroidissement principal. En effet, si le liquide circulait depuis le circuit de refroidissement principal vers le circuit de refroidissement complémentaire, le liquide chauffé par le cordon de chauffage électrique réchaufferait le cône en passant dans le circuit de refroidissement complémentaire. Ainsi, le liquide chauffé par le cordon de chauffage électrique se refroidirait avant de sortir du circuit de refroidissement global.
Ainsi, selon l'invention, une puissance optique déterminée est répartie sur une grande surface, à la fois sur les parois de la cavité cylindrique et sur la surface externe conique de l'obstacle. Une puissance électrique de même valeur est répartie sur une surface plus réduite, uniquement autour de la cavité cylindrique : la puissance électrique surfacique est donc supérieure à la puissance optique surfacique. Cependant, comme la puissance optique est recueillie, grâce aux circuits de refroidissement, sur toutes les surfaces où elle est déposée, on peut toujours réaliser une excellente équivalence électrique-optique. L'équivalence électrique optique désigne un rapport de puissance entre une puissance électrique transmise au cordon de chauffage électrique et une puissance optique du faisceau, provoquant une même variation de température entre l'entrée et la sortie du circuit de refroidissement global. Ce rapport doit se rapprocher le plus possible de 1.
En ajustant le rapport de hauteur - , on peut optimiser le coefficient d'absorption
H
de façon à obtenir un rapport de puissance compris entre 0,999 et 1,000.
Si tout le cône est absorbant, cela dégrade l'équivalence électrique-optique. En outre, cela augmente l'énergie déposée sur le cône qui est alors plus difficile à refroidir. L'angle au sommet du cône, comme expliqué ci-avant, participe à déterminer un coefficient d'absorption du dispositif selon l'invention. Cet angle au sommet du cône détermine également le rapport de compacité du dispositif selon l'invention.
On voit donc que l'ajustement de l'équivalence électrique-optique doit être effectué en veillant à maintenir un rapport de compacité, une capacité d'absorption et un coefficient d'absorption global voulus.
En particulier, pour un angle de divergence et un angle d'incidence déterminés, d'un faisceau incident dans le collecteur, on pourra notamment jouer sur au moins un paramètre parmi :
- un rapport de surface entre la partie réfléchissante et la partie absorbante de la surface externe conique ;
l'angle au sommet du cône ; et
une absorption des parois intérieures absorbantes de la cavité cylindrique et de la partie absorbante de la surface externe conique ;
de façon à ce que le coefficient d'absorption global du dispositif soit supérieur à 99,9% et à ce que l'équivalence électrique-optique soit un rapport compris entre 0,999 et 1,000.
On va maintenant décrire, en référence à la figure 6, un appareil 660 pour mesurer une puissance optique, mettant en œuvre un dispositif 600 selon l'invention. On peut parler de calorimètre pour désigner l'appareil 660, ou plus généralement de radiomètre. Un tel appareil permet de mesurer une forte puissance optique émise en continu, sans limite de temps d'exposition.
Le dispositif 600 selon l'invention est un dispositif tel que décrit précédemment, pour absorber une puissance optique.
Les références numériques 300, 311, 340, 350, 355, 371, 372, 380 de la figure 3 correspondent aux références numériques 600, 611, 640, 650, 655, 671, 672, 680 de la figure 6.
L'entrée 671 du circuit de refroidissement global est reliée à des moyens de mesure 601 relevant une température Tin de l'eau avant d'entrer dans le circuit de refroidissement global. La sortie 672 du circuit de refroidissement global est reliée aux moyens de mesure 601 relevant une température Tout de l'eau après avoir circulé dans tout le circuit de refroidissement global.
Les moyens de mesure 601 peuvent comprendre des sondes à résistance de platine, immergées respectivement à l'entrée et à la sortie du circuit global de refroidissement. On peut remplacer ces sondes par des thermopiles (composées de thermocouples) délivrant une tension continue fonction de leur température.
Ces moyens de mesure 601 sont reliés à des moyens de traitement de données 602. Les moyens de traitement de données peuvent comprendre un processeur ou un micro- processeur. Ces moyens de traitement de données 602 effectuent une comparaison entre Tin et Tout, et fournissent en sortie une puissance optique d'un faisceau laser incident dans la cavité 611.
Comme expliqué en introduction, on peut faire le lien entre la différence de température entre Tin et Tout, et la puissance optique du faisceau laser incident dans la cavité, grâce à un étalonnage. Cet étalonnage met en œuvre un cordon de chauffage électrique.
Les mesures de variations de température doivent être effectuées pour un débit connu de l'écoulement du liquide de refroidissement dans le circuit de refroidissement global.
Ce débit est déterminé de façon à limiter une différence de température entre Tin et
Tout, afin de maintenir une bonne stabilité mécanique du dispositif pour absorber une puissance optique. Par exemple Tin vaut 20°C et Tout vaut environ 26°C pour 25 kW absorbés avec un débit dans le circuit de refroidissement global de 5 L/min.
On choisit de préférence le débit de façon à obtenir un écoulement dit « turbulent ».
L'appareil 660 pour mesurer une puissance optique comprend avantageusement des moyens de mesure de débit 690, pour mesurer le débit du liquide de refroidissement circulant dans le circuit de refroidissement global. Ces moyens de mesure de débit consistent par exemple en une turbine à hélice en tungstène, disposée en entrée du circuit de refroidissement global. Les moyens de mesure de débit 690 sont reliés aux moyens de traitement de données 602 qui utilisent la valeur du débit, et la comparaison entre Tin et Tout, pour calculer une puissance optique d'un faisceau laser incident dans la cavité 611.
L'appareil de mesure 660 permet notamment de mesurer la puissance optique d'un laser puissant (plus de 10 kW, voire plus de 20 kW), tel que les lasers utilisés dans le domaine de la découpe ou de la soudure de fortes épaisseurs.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (100 ; 300 ; 600) pour absorber une puissance optique comprenant : un collecteur (110), présentant :
- une cavité en forme de cylindre (111 ; 311 ; 511 ; 611), munie de parois intérieures absorbantes (130) pour absorber une puissance optique, et une ouverture (112) pratiquée sur une base du cylindre, pour laisser entrer un faisceau optique dans la cavité ;
un circuit de refroidissement principal (140 ; 340 ; 640) s'étendant dans l'épaisseur du collecteur (110) et autour de la cavité (111 ; 311 ; 511 ; 611), pour recevoir un fluide de refroidissement ; et
un obstacle en forme de cône (150 ; 350 ; 450 ; 650), situé à l'intérieur de la cavité (111 ; 311 ; 511 ; 611), un sommet du cône étant orienté vers l'ouverture (112) ; caractérisé en ce que
une surface externe conique de l'obstacle est constituée d'une partie réfléchissante (151 ; 451) du côté du sommet du cône, et une partie absorbante (152 ; 452) du côté d'une base du cône, la partie réfléchissante et la partie absorbante présentant des coefficients de réflexion différents l'un de l'autre pour une même longueur d'onde incidente ; et
le dispositif comprend un circuit de refroidissement complémentaire (155 ; 355 ; 455 ; 655), s'étendant dans l'épaisseur de l'obstacle (150 ; 350 ; 450 ; 650), au moins sous la partie absorbante (152 ; 452) de la surface externe conique, et relié par une liaison fluidique (380 ; 680) au circuit de refroidissement principal (140 ; 340 ; 640) pour former un circuit de refroidissement global (370).
2. Dispositif (100 ; 300 ; 600) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un cordon de chauffage électrique (590) s'étendant autour de la cavité (111 ; 311 ; 511 ; 611), pour déposer une puissance électrique déterminée dans le circuit de refroidissement principal (140 ; 340 ; 640).
3. Dispositif (100 ; 300 ; 600) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il présente un coefficient d'absorption supérieur à 99,9%.
4. Dispositif (100 ; 300 ; 600) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la partie réfléchissante (151 ; 451) présente un coefficient de réflexion supérieur ou égal à 70%, et la partie absorbante (152 ; 452) présente un coefficient d'absorption supérieur ou égal à 70%, pour une même longueur d'onde incidente.
5. Dispositif (100 ; 300 ; 600) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement complémentaire (155 ; 355 ; 455 ; 655) s'étend selon un trajet hélicoïdal.
6. Dispositif (100 ; 300 ; 600) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement complémentaire (155 ; 355 ; 455 ; 655) s'étend sous la partie absorbante (152 ; 452) et au moins une portion de la partie réfléchissante (151 ; 451) de la surface externe conique.
7. Dispositif (100 ; 300 ; 600) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la partie réfléchissante (151 ; 451) de la surface externe conique s'étend seulement sur une partie de la hauteur du cône (H), et en ce que le rapport de hauteurs entre la hauteur du cône (H) et la hauteur de la partie réfléchissante (H-h) est compris entre 0,25 et 0,75.
8. Dispositif (100 ; 300 ; 600) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le cône présente un angle au sommet (Θ) compris entre 25° et 45°.
9. Dispositif (100 ; 300 ; 600) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le cône présente une base de diamètre inférieur à 10 cm, le diamètre de la base du cône étant égal au diamètre du cylindre.
10. Appareil de mesure d'une puissance optique (660) caractérisé en ce qu'il comprend :
un dispositif (100 ; 300 ; 600) selon l'une quelconque des revendications 1 à
9 ;
des moyens de mesure (601) d'une température d'un fluide à l'entrée du circuit de refroidissement global (Tin), et en sortie du circuit de refroidissement global (Tout), après un passage dans les circuits de refroidissement principal et complémentaire ; et
des moyens de comparaison (602) entre les températures mesurées (Tin, Tout)-
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