Qu'est-ce qu'un laser cryogénique

Le concept de lasers fonctionnant à basse température n'est pas nouveau : le deuxième laser de l'histoire était cryogénique. Initialement, il était difficile de réaliser un fonctionnement à température ambiante, et l'engouement pour les travaux à basse température a commencé dans les années 1990 avec le développement de lasers et d'amplificateurs de haute puissance.

En haute puissancesources laser, les effets thermiques tels que la perte de dépolarisation, la lentille thermique ou la courbure du cristal laser peuvent affecter les performances dusource de lumièreLe refroidissement à basse température permet de supprimer efficacement de nombreux effets thermiques nocifs, ce qui nécessite un refroidissement du milieu amplificateur à 77 K, voire 4 K. Cet effet de refroidissement comprend principalement :

La conductivité caractéristique du milieu amplificateur est fortement réduite, principalement en raison de l'augmentation du libre parcours moyen de la corde. Par conséquent, le gradient de température chute considérablement. Par exemple, lorsque la température passe de 300 K à 77 K, la conductivité thermique du cristal YAG est multipliée par sept.

Le coefficient de diffusion thermique diminue également fortement. Ceci, combiné à une réduction du gradient de température, entraîne une réduction de l'effet de lentille thermique et donc une diminution du risque de rupture sous contrainte.

Le coefficient thermo-optique est également réduit, réduisant encore davantage l'effet de lentille thermique.

L'augmentation de la section efficace d'absorption des ions de terres rares est principalement due à la diminution de l'élargissement dû à l'effet thermique. Par conséquent, la puissance de saturation est réduite et le gain laser est augmenté. La puissance de pompage de seuil est ainsi réduite et des impulsions plus courtes peuvent être obtenues lorsque le commutateur Q est activé. L'augmentation de la transmittance du coupleur de sortie permet d'améliorer l'efficacité de la pente, réduisant ainsi l'importance des pertes parasites dans la cavité.

Le nombre de particules du niveau bas total du milieu amplificateur quasi-trois niveaux est réduit, ce qui diminue la puissance de pompage de seuil et améliore le rendement énergétique. Par exemple, l'Yb:YAG, qui produit de la lumière à 1030 nm, peut être considéré comme un système quasi-trois niveaux à température ambiante, mais comme un système à quatre niveaux à 77 K. Euh : Il en va de même pour le YAG.

En fonction du milieu de gain, l’intensité de certains processus d’extinction sera réduite.

Combinés aux facteurs susmentionnés, un fonctionnement à basse température peut améliorer considérablement les performances du laser. En particulier, les lasers refroidis à basse température permettent d'obtenir une puissance de sortie très élevée sans effets thermiques, ce qui permet d'obtenir un faisceau de bonne qualité.

Il convient de prendre en compte le fait que, dans un cristal laser cryogénique, la bande passante de la lumière rayonnée et de la lumière absorbée est réduite, ce qui réduit la plage de réglage des longueurs d'onde, et rend la largeur de raie et la stabilité de la longueur d'onde du laser pompé plus strictes. Cependant, cet effet est généralement rare.

Le refroidissement cryogénique utilise généralement un fluide caloporteur, tel que l'azote liquide ou l'hélium liquide, qui circule idéalement dans un tube relié à un cristal laser. Le fluide caloporteur est renouvelé régulièrement ou recyclé en circuit fermé. Afin d'éviter la solidification, il est généralement nécessaire de placer le cristal laser dans une chambre à vide.

Le concept de cristaux laser fonctionnant à basse température peut également être appliqué aux amplificateurs. Le saphir de titane peut être utilisé pour fabriquer des amplificateurs à rétroaction positive, dont la puissance de sortie moyenne est de l'ordre de quelques dizaines de watts.

Bien que les dispositifs de refroidissement cryogénique puissent compliquersystèmes laser, les systèmes de refroidissement les plus courants sont souvent moins simples, et l'efficacité du refroidissement cryogénique permet une certaine réduction de la complexité.