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. Au départ, le concept était difficile à réaliser à température ambiante, et l'enthousiasme 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 puissancesource 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 lumière. Grâce au refroidissement à basse température, de nombreux effets thermiques nocifs peuvent être efficacement supprimés, c'est-à-dire que le support de gain doit être refroidi à 77K ou même 4K. L’effet rafraîchissant comprend principalement :

La conductivité caractéristique du milieu de gain est fortement inhibée, principalement parce que le libre parcours moyen du câble est augmenté. En conséquence, le gradient de température diminue considérablement. Par exemple, lorsque la température est abaissée de 300K à 77K, la conductivité thermique du cristal YAG augmente d'un facteur sept.

Le coefficient de diffusion thermique diminue également fortement. Ceci, associé à une réduction du gradient de température, entraîne un effet de lentille thermique réduit et donc une probabilité réduite 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 provoquée par l'effet thermique. La puissance de saturation est donc réduite et le gain laser augmenté. Par conséquent, la puissance de pompe seuil est réduite et des impulsions plus courtes peuvent être obtenues lorsque le commutateur Q fonctionne. En augmentant la transmission du coupleur de sortie, l'efficacité de la pente peut être améliorée, de sorte que l'effet de perte parasite dans la cavité devient moins important.

Le nombre de particules du niveau bas total du milieu à gain quasi-trois niveaux est réduit, de sorte que la puissance de pompage seuil est réduite et le rendement énergétique est amélioré. Par exemple, Yb:YAG, qui produit de la lumière à 1030 nm, peut être considéré comme un système quasi-à trois niveaux à température ambiante, mais comme un système à quatre niveaux à 77K. Euh : La même chose est vraie pour YAG.

En fonction du milieu de gain, l'intensité de certains processus de trempe sera réduite.

Combiné aux facteurs ci-dessus, le fonctionnement à basse température peut grandement améliorer les performances du laser. En particulier, les lasers de refroidissement à basse température peuvent obtenir une puissance de sortie très élevée sans effets thermiques, c'est-à-dire qu'une bonne qualité de faisceau peut être obtenue.

Un problème à considérer est que dans un cristal laser cryo-refroidi, la bande passante de la lumière rayonnée et de la lumière absorbée sera réduite, de sorte que la plage de réglage de la longueur d'onde sera plus étroite, et la largeur de ligne et la stabilité de la longueur d'onde du laser pompé seront plus strictes. . Cependant, cet effet est généralement rare.

Le refroidissement cryogénique utilise généralement un liquide de refroidissement, tel que l'azote liquide ou l'hélium liquide, et idéalement, le réfrigérant circule à travers un tube fixé à un cristal laser. Le liquide de refroidissement est réapprovisionné à temps ou recyclé en boucle fermée. 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 un amplificateur à rétroaction positive, la puissance de sortie moyenne en 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.