Simulation multiphysique dans les sources laser

Les lasers étant de plus en plus puissants et énergétiques, les effets thermo-optiques et les contraintes mécaniques ne peuvent plus être négligés et de nombreux spécialistes en thermique, mécanique ou hydraulique doivent alors être sollicités. Toutefois, les codes de simulations multiphysiques permettent à l’ingénieur laser de concevoir un système laser sans avoir recours, du moins dans la phase de dimensionnement, à un spécialiste extérieur. Ces codes évitent le travail fastidieux de transfert de fichiers de données d’un logiciel spécialisé à un autre, puisque la même interface et les mêmes données d’entrées alimentent plusieurs calculs de physiques à la fois. L’ingénieur laser devient donc capable de choisir les matériaux qui maintiennent les optiques, de traduire les spécifications optiques en spécifications mécaniques et de refroidissements compréhensibles par un bureau d’étude mécanique ne possédant pas de compétences optiques. L’exemple classique est celui de la lentille thermique. L’élévation non uniforme de la température dans les composants lasers engendre des effets indésirables de convergence du faisceau. Le laseriste constate les effets de lentille thermique mais a du mal à traduire cela en termes de déformations mécaniques, et il ne sait pas comment concevoir le refroidissement pour les limiter. A contrario, le thermomécanicien ne sait pas appréhender la notion de lentille optique ou de déformée de surface d’onde optique, les précisions mécaniques exigées pour le laser étant à la limite de son domaine. Pourtant, optimiser finement la géométrie du refroidissement et le maintien optique peut souvent limiter le problème.

Cet article a donc pour but d’expliquer ce qu’est un code multiphysique et de présenter ses atouts pour la conception de systèmes laser. Les bases présentées permettront au débutant de gagner du temps d’appréhension et de compréhension dans l’utilisation de ces outils. Les modules de calcul de thermique, de mécanique et de mécanique des fluides sont décrits, ainsi que leurs paramètres principaux. Deux exemples d’optimisation de composants laser permettent d’illustrer les avantages de ces codes pour le laseriste.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.