Le banc complet de caractérisation thermique

Le banc de caractérisation thermique que Julien Didierjean et moi-même avons développé a pour objectif d’associer en parallèle le banc de cartographie thermique et le banc de mesure de lentille thermique, tous deux développés durant les thèses de Sébastien Chénais et de Julien Didierjean [Chénais 04] [Didierjean 07bis]. Pour tenir compte de la saturation d’absorption en l’absence d’effet laser, les mesures doivent se faire impérativement en présence ou non de l’effet laser. Notre banc complet de caractérisation thermique présenté sur la Figure 2.14 tient compte de toutes les remarques faites précédemment. Figure 2.14: Schéma expérimental du banc de caractérisation thermique Le montage expérimental permet donc non seulement de faire la thermographie du cristal laser mais aussi la mesure de la lentille thermique en parallèle et en temps réel. Pour rappel, la thermographie permet d’obtenir la distribution de chaleur grâce à une caméra thermique IR. Ensuite la mesure de la lentille thermique est possible grâce à un analyseur de front d’onde de type Shack-Hartmann qui mesure les déformations du front d’onde d’un faisceau lumineux sonde qui traverse le cristal laser pompé. Nous savons l’intérêt de mesurer la lentille thermique et la distribution de chaleur dans le cristal. Mais alors quel est l’intérêt de l’association de ces deux études thermiques ? Et pourquoi peut-on parler de banc « complet » de caractérisation thermique ?

Intérêt de l’association Thermographie/Lentille thermique

Tout d’abord, nous constatons que la thermographie permet de mesurer la conductivité thermique κc du cristal laser étudié [Didierjean 07]. Mais pour calculer la focale de la lentille thermique, il faut faire une hypothèse sur le coefficient thermo-optiqueχ (Figure 2.15 gauche). Ensuite, pour le calcul du coefficient thermo-optique via la mesure de la lentille thermique, la conductivité thermique doit être approximée (Figure 2.15 centre). Dans ces deux expériences, il faut obligatoirement approximer soit κc soit χ pour obtenir la focale de la lentille thermique quelles que soient les conditions expérimentales. C’est la raison pour laquelle une association de ces méthodes d’étude thermique en parallèle pourrait résoudre ce problème car elle nous permettrait en même temps et en parallèle de mesurer non seulement la conductivité thermique mais également le coefficient thermo-optique indépendamment. Il devient ensuite possible de calculer la focale de la lentille thermique dans la configuration expérimentale souhaitée (Figure 2.15 droite). La thermographie consiste à faire une cartographie thermique du cristal laser pompé, grâce à l’utilisation d’une caméra thermique IR. Cette partie sur la thermographie sera consacrée à l’étude du choix de la gamme spectrale de la caméra thermique, du schéma expérimental et des expressions analytiques de la distribution de chaleur pour corroborer les résultats obtenus expérimentalement.

Notre choix de la gamme spectrale de la caméra thermique IR se portera dans la plage de longueurs d’onde comprises entre 8 et 12 µm, dans laquelle la majorité des cristaux laser usuels sont opaques. La caméra thermique IR mesure donc la température d’une des faces externes du cristal. Sans cela, il y aurait intégration du flux thermique sur toute l’épaisseur du cristal qui parasiterait la mesure. Naturellement, notre choix de cartographie thermique IR se portera sur la face pompée du Les valeurs initialement données par la caméra thermique IR ne correspondent pas aux valeurs de température réelle. Il faut donc calibrer le détecteur car celui-ci ne mesure que les flux thermiques émis par l’élément étudié et non la température de l’élément car ils n’ont pas la même émissivité. Il est possible de convertir le flux thermique mesuré à la température dans le cas d’un corps noir. En effet, le flux thermique Fthermique par le détecteur est relié à la température T du corps noir d’après la loi de Stefan : thermique, nous mesurons la température que voit la caméra donc Tmesurée sur la face du cristal laser qui sera pompée par la suite. Ensuite il suffit de tracer Tréelle = f(Tmesurée) et d’en déduire les coefficients a et b. Cette mesure est valide dans les gammes de températures considérées car les pertes par convexion sont négligeables. De plus pour éviter toute source d’erreurs systématiques, cette calibration doit être effectuée indépendamment pour chaque série de mesures.