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, son fonctionnement à température ambiante s'avérait difficile, et l'intérêt pour les travaux sur les basses températures a véritablement débuté dans les années 1990 avec le développement des lasers et amplificateurs de forte puissance.

En haute puissancesources laserLes effets thermiques tels que la perte par dépolarisation, la courbure des lentilles thermiques ou des cristaux laser peuvent affecter les performances desource lumineuseGrâce au refroidissement à basse température, de nombreux effets thermiques néfastes peuvent être efficacement supprimés ; le milieu amplificateur doit donc être refroidi à 77 K, voire à 4 K. L’effet de refroidissement comprend principalement :

La conductivité caractéristique du milieu amplificateur est fortement réduite, principalement en raison de l'augmentation du libre parcours moyen des électrodes. Il en résulte une chute drastique du gradient de température. 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. Ce phénomène, combiné à une réduction du gradient de température, entraîne une diminution de l'effet de lentille thermique et, par conséquent, une réduction du risque de rupture sous contrainte.

Le coefficient thermo-optique est également réduit, ce qui diminue encore 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 spectral causé par l'effet thermique. Par conséquent, la puissance de saturation est réduite et le gain laser est accru. De ce fait, la puissance de pompage seuil est abaissée, et des impulsions plus courtes peuvent être obtenues lors du fonctionnement du commutateur Q. En augmentant la transmittance du coupleur de sortie, le rendement différentiel est amélioré, ce qui rend l'effet des pertes parasites de la cavité moins important.

Le nombre de particules du niveau bas total du milieu amplificateur quasi-à-trois niveaux est réduit, ce qui diminue la puissance de pompage seuil et améliore le rendement énergétique. Par exemple, le Yb:YAG, qui émet 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 77 K. Il en va de même pour le YAG.

En fonction du milieu amplificateur, l'intensité de certains processus d'extinction sera réduite.

Combinée aux facteurs mentionnés précédemment, l'utilisation d'un système fonctionnant à basse température permet d'améliorer considérablement les performances du laser. En particulier, les lasers refroidis à basse température peuvent atteindre une puissance de sortie très élevée sans effets thermiques, garantissant ainsi une excellente qualité de faisceau.

Il convient de noter que, dans un cristal laser cryogénique, la largeur de bande de la lumière émise et de la lumière absorbée est réduite, ce qui diminue la plage d'accordabilité en longueur d'onde et rend la largeur de raie et la stabilité de la longueur d'onde du laser pompé plus exigeantes. Toutefois, cet effet est généralement rare.

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

Le principe des cristaux laser fonctionnant à basse température peut également s'appliquer aux amplificateurs. Le saphir-titane permet de réaliser un amplificateur à contre-réaction positive, dont la puissance de sortie moyenne se situe dans la fourchette des dizaines de watts.

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