EP1064705A1 - Dispositif de refroidissement laser a forte efficacite - Google Patents

Dispositif de refroidissement laser a forte efficacite

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Publication number
EP1064705A1
EP1064705A1 EP00900579A EP00900579A EP1064705A1 EP 1064705 A1 EP1064705 A1 EP 1064705A1 EP 00900579 A EP00900579 A EP 00900579A EP 00900579 A EP00900579 A EP 00900579A EP 1064705 A1 EP1064705 A1 EP 1064705A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
photons
laser
cooling
shell
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00900579A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Robert Thomson-CSF Prop. Intell. Dépt. Bre Frey
François Thomson-CSF Prop. Int. Dépt B Micheron
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Thomson CSF SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA, Thomson CSF SA filed Critical Thales SA
Publication of EP1064705A1 publication Critical patent/EP1064705A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/042—Arrangements for thermal management for solid state lasers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B23/00—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/0408—Radiative cooling, e.g. by anti-Stokes scattering in the active medium

Definitions

  • the invention relates to a high-efficiency laser cooling device, for example for cooling systems such as low noise detection and amplification systems, for example used in the field of telecommunications.
  • the Peltier cooler which has, at room temperature, excellent cooling yields.
  • these devices become inoperative when seeking to reach temperature variations greater than about 50 °.
  • expansion cooling devices are commonly used.
  • the regulator cools a gas which is sent to the system to be cooled.
  • This type of cooler which requires the transport of fluids, requires complex and expensive mechanics.
  • a new concept of cooling device is exposed for example in the article by CEMungan et al. ('Physical Review Letters', Vol. 78 N ° 6, pp 1030-1033). It is a laser cooler, obtained by means of an optical fiber doped with Ytterbium ions (Yb 3+ ), pumped by a laser beam at 1.015 ⁇ m. Laser cooling is obtained by spontaneous anti-Stokes emission.
  • FIG. 1 A A simplified three-level diagram of the transitions of a material exhibiting such an effect is represented in FIG. 1 A.
  • a pump laser beam of frequency ⁇ is absorbed in the laser cooler material (transition 10 hereinafter called laser cooling transition) which, in addition to the spontaneous emission at the frequency ⁇ i (transition 11), has a high percentage of spontaneous emission at frequency C ⁇ 2 (transition 12).
  • the frequency C ⁇ 2 being greater than the frequency of the pump beam ⁇ > ⁇ , this transition, called anti-Stokes, is done by taking energy from the material.
  • FIG. 1B schematically illustrates an implementation of this effect.
  • the SYS cooling system is thermally coupled with an MRL laser cooling material having an anti-Stokes effect as defined above.
  • the latter is pumped with a PMP laser beam emitting at the wavelength ⁇ . It results from the absorption at the frequency ⁇ > ⁇ a spontaneous emission at the frequency ⁇ > ⁇ and at the frequency CO2, this latter transition allowing the cooling of the MRL material and of the SYS system.
  • the aforementioned article reports temperature variations of the order of 20 ° C., achieved by the implementation of such an effect.
  • the effective cooling efficiency defined as the ratio between the cold power and the light power of the pump is estimated in this article at around one percent.
  • the present invention provides a high efficiency laser cooling device based on the recycling of photons emitted by the laser cooler material. More precisely, it is a laser cooling device comprising at least one laser cooler material for cooling a system thermally coupled with said material, means for emitting a pump laser beam of predetermined frequency ⁇ , the interaction of said material with the pump beam resulting in the spontaneously substantially isotropic emission of photons of frequency ⁇ i identical to the frequency of the pump beam and of photons of frequency ⁇ ⁇ greater than the frequency ⁇ i of the pump beam, l ' emission of the latter photons leading to the cooling of the cooler material, and characterized in that it also comprises recycling means making it possible to return said photons resulting from spontaneous emission at the frequency ⁇ to at least one of the laser cooler materials.
  • the recycling means also comprise conversion means thermally isolated from the laser cooler material which make it possible to convert the photons emitted at the frequency C ⁇ 2 into photons of frequency ⁇ > ⁇ , these latter photons then being able to be returned to the cooler material. laser, further increasing the efficiency of the cooling device.
  • the simulations carried out by the applicant show cooling efficiencies of the order of a few tens of percent. These values can even exceed 100% in certain cases, when the photons emitted at the frequency C02 are converted into photons of frequency ⁇ before being returned to the cooling material.
  • the laser cooling device comprises at least one laser cooler material, thermally coupled with the system to be cooled, and means for emitting a pump laser beam of frequency ⁇ > ⁇ , equal to the frequency of the laser cooling transition of the material.
  • the cooling material can be, for example, as in the device of the prior art, a material doped with Yb 3+ ions, pumped at 1.015 ⁇ m.
  • the interaction between the material and the pump beam results in a spontaneous emission of photons with a CO2 frequency greater than ⁇ , as described above.
  • the interaction also results in a spontaneous emission of photons of frequency ⁇ i, this emission having no effect on the cooling of the material.
  • the emission of photons at ⁇ and ⁇ ⁇ is isotropic.
  • the device also includes recycling means making it possible to return photons of frequency ⁇ i to at least one of the laser cooler materials.
  • recycling to a photon the aim is to return to the cooling material the maximum number of photons emitted by the laser cooling material at the frequency ⁇ i or the pump beam photons that were not absorbed when passing through the coolant material.
  • the recycling means of the device according to the invention further comprise means for converting the photons emitted by the cooling material at the frequency C ⁇ 2 into photons of frequency coi, these photons then being returned to the laser cooler material.
  • the recycling means may include a dichroic treatment of the laser cooler material, reflecting for the photons emitted at the frequency ⁇ of the pump laser and transparent for the photons emitted at the frequency C ⁇ 2 .
  • a maximum of photons at ⁇ i are reinjected inside the cooling material while eliminating photons of frequency C ⁇ 2 which, if they are reabsorbed by the cooling material, can cause it to heat up.
  • the recycling means can also be obtained by adapting the physical and geometrical characteristics of the cooling material so that it allows a single-mode guided propagation at the frequency ⁇ i having significant losses at the frequency coa, so that only the photons are trapped.
  • FIGS. 2A to 2C show 3 examples of embodiments of devices according to the invention implementing recycling with a photon.
  • the cooling device of FIG. 2A comprises an MRL laser cooling material ! , thermally coupled with the SYS system to be cooled, emission means (not shown) of a PMPi pump laser beam of frequency ⁇ i adapted to obtain the spontaneous anti-Stokes emission of the cooling material.
  • FOC optics focus the pump beam in the laser cooler material.
  • the recycling means comprise a COQ shell at least partially encompassing the MRLi laser cooler material and thermally insulated from the material, for example by creating a vacuum (typically around 10 "4 Torr).
  • the shell is covered (on its wall internal) of a TRTi treatment making it possible to reflect the photons of frequency ⁇ and to absorb, for example, the photons of frequency C ⁇ 2 so that the latter are not returned to the cooling material.
  • the shell is spherical in shape, the coolant material being substantially positioned in its center.
  • the photons are extracted from the cooling material and then the photons of frequency this ⁇ are reflected on a hot part (the shell), thermally insulated from the cold part which constitutes the cooling material.
  • the photons of frequency 2 are absorbed on this hot part.
  • the shell has the shape of an ellipsoid of revolution; it is covered as in the example of FIG. 2A with a TRTi treatment of the same type.
  • the cooling device of FIG. 2B comprises two laser cooler materials MRLi and MRL 2 positioned substantially at the foci of the ellipsoid and of identical nature. They are each pumped by a pump beam of frequency ⁇ (respectively PMPi and PMP 2 ).
  • the COQ shell again constitutes the hot part on which the photons at the frequency coi are reflected and absorbed the photons at the frequency CL> 2 .
  • the photons emitted by one of the cooling materials at the frequency ⁇ are reflected on the other cooling material, ensuring the recycling function.
  • the SYS system to be cooled is for example positioned on an SPT support between the two cooling materials, the support ensuring the thermal coupling of the system with the materials.
  • the cooling device of FIG. 2C also comprises two laser cooling materials MRLi and MRL 2 , arranged in the form of bars, and each pumped by a beam of frequency coi, (respectively PMP T and PMP 2 ) incident in the direction of the axis of the bar.
  • the shell has the shape of a cylinder of elliptical cross section.
  • the cylinder thus formed then has two hearths each consisting of a line, each material being substantially positioned at the location of one of the hearths.
  • the shell is covered with a TRTi treatment of the same nature as that of the previous examples, so that the photons, emitted by a laser cooler material, are reflected by the shell and returned to the other laser cooler material, thus ensuring the recycling function.
  • the SYS system to be cooled is for example positioned on an SPT support between the two coolers, the support ensuring thermal coupling, while the shell is thermally insulated from the cooler materials.
  • the support must be as small as possible to disturb at least the propagation of photons in the enclosure located inside the hull.
  • the TRTi treatment covering the COQ shell forming the recycling means in the previous examples consists for example of two layers.
  • a first layer applied directly to the internal wall of the shell, reflecting over a wide spectral band comprising the frequencies ⁇ and C ⁇ 2 -
  • a second layer covering the first, facing the cooling material, transparent at the frequency ⁇ and absorbent at the frequency C ⁇ 2 .
  • This second layer comprises for example a semiconductor or a dye whose physical characteristics are adapted to the frequencies c ⁇ and ⁇ 2 .
  • the first layer may be absorbent over a wide spectral band and the second layer, reflecting at the frequency OH and transparent at the frequency C ⁇ 2 .
  • FIGS. 3A to 3C show exemplary embodiments of cooling devices according to the invention using two-photon recycling.
  • the recycling means comprise means for converting the photons emitted by the cooling material at the frequency ⁇ ⁇ into photons of frequency ⁇ > ⁇ , these photons then being returned to the laser cooling material.
  • the conversion means are thermally isolated from the laser cooler material.
  • the device shown in Figure 3A is substantially the same as that of Figure 2A. It includes the laser cooler material MRL1, pumped by the pump beam PMPi.
  • the recycling means comprise a COQ shell of spherical shape, encompassing at least partially the cooling material which is substantially positioned in its center.
  • the shell is thermally insulated from the cooling material, for example by means of a vacuum (typically of the order of 10 "4 Torr). It is covered on its internal wall with a TRTi treatment of the type described above, making it possible to reflect towards the cooling material MRLi the photons of frequency ⁇ > ⁇ .
  • the conversion means consist of a conversion layer TRT 2 covering the treatment TRTi.
  • the conversion layer receives photons under normal incidence isotropically emitted by the cooling material at frequency 0) 2 and converts them into photons of frequency ⁇ i, these photons are then returned, as well as the photons directly emitted at frequency ⁇ , to the cooling material, thus achieving recycling at two photons.
  • the conversion layer TRT 2 is for example a laser amplifier, in which the frequency wave 00 2 performs a population inversion between the levels S and S 2 , which allows amplification at the frequency ⁇ > ⁇ .
  • the amplifier material from which the TRT 2 layer is formed is for example a dye, a natural semiconductor or in quantum wells.
  • the layer TRT 2 is covered with an anti-reflection layer at 0) 2 but transparent to C ⁇ I. Amplification can be increased if, as shown in FIG. 2C, the layer TRT 2 is covered with a sheet of microlenses allowing local refocusing on the sphere.
  • the TRT 2 conversion layer may also contain a material exhibiting Stokes stimulated Raman amplification, the principle of which is similar to that of laser amplification but in which the radiation at ⁇ 2 is not in exact resonance with the level S 2 ; it is therefore necessary to work with higher intensities at ⁇ i and C 2, which requires working with pulses.
  • the conversion layer can also contain a material of the rare earth type for example, purely radiative, absorbing at the frequency ⁇ ⁇ and having a probability of emission at the frequency 001 much more stronger than CO 2 .
  • catadioptric reflectors can be arranged at the level of the TRTi treatment in order to reconcentrate the beams on the laser converter material. Cooling devices according to the invention, implementing two-photon recycling, can also be produced with recycling means of the type of those described in FIGS. 2B and 2C, the COQ shell then being covered, as in the case in FIG. 3A, of a TRT 2 conversion layer. It is necessary in this case that the conversion of photons of frequency C ⁇ 2 into photons of frequency ⁇ is consistent, so that it retains the direction of the photons.
  • the TRT layer 2 comprises for example a laser amplifier material as described above.
  • FIG. 3C represents another exemplary embodiment of a device according to the invention implementing two-photon recycling.
  • the device comprises a laser cooling material MRLi pumped by a pump beam PMPi.
  • the recycling means comprise a COQ shell having the shape of an ellipsoid of revolution and including at least partially the MRLi material which is positioned substantially at one of the foci of the ellipsoid.
  • the shell is covered with a TRT 3 treatment, reflecting for the photons emitted by the cooling material at frequencies ⁇ i and 0) 2 but transparent in the infrared around the frequency (02- ⁇ .
  • the recycling means also include conversion means consisting of a CVT converter material thermally insulated from the laser cooler, and making it possible to transform the photons of frequency 2 into photons of frequency ⁇ > ⁇ .
  • the CVT material formed from materials similar to those making up the conversion layer described above , but in a different geometrical configuration, is positioned substantially at the other focal point of the ellipsoid, so the photons emitted by the laser cooler material at frequencies ⁇ and 0 2 are reflected by the shell on the CVT converter material which forms a hot part of the cooling device
  • This converter material collects the emission at OH and 002 and transforms it into an end roit where the light is concentrated, the photons of frequency 00 2 in photons of frequency coi which are returned by the shell to the cooling material.
  • the two-photon recycling function is thus achieved.
  • the TRT 3 treatment covering the shell must in this case be transparent at the frequency c 2 - ⁇ in order to remove the heat given off by the cooling material.
  • a ⁇ , 2 is the ratio of the absorption coefficients ⁇ i and ⁇ 2 respectively at the frequencies ⁇ > ⁇ and C ⁇ 2
  • ⁇ is the energy difference between the two excited levels Si and S 2 (see Figure 1A)
  • k is the Boltzman constant
  • T is the temperature
  • ⁇ (0) is the density of incident laser photons at the frequency ⁇ i
  • N 0 is the effective density of incident photons at the frequency ⁇ i, taking into account the recycling of photons.
  • FIGS. 4 and 5 represent curves giving, as a function of the temperature, the estimated value of the laser cooling efficiency, respectively in the case of recycling with one and two photons.
  • the ratio (cù 2 - ⁇ ) / ⁇ is taken equal to 0.2
  • ⁇ corresponds to a wavelength of 12 ⁇ m
  • the difference in energy ⁇ between the two excited levels is taken equal to 20 meV
  • the ratio ⁇ / ⁇ i is taken equal to 0.05
  • the product ⁇ iL is taken equal to 4
  • the ratio a, 2 previously defined is taken equal to 0.1.
  • the cooling device according to the invention advantageously applies to any low noise detection or amplification system, to resonant cavity systems with high temperature superconductor, for example for communication filters.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de refroidissement laser à forte efficacité, par exemple pour le refroidissement des systèmes tels que les systèmes de détection et d'amplification à faible bruit. Le dispositif selon l'invention comprend par exemple un matériau refroidisseur laser (MRL1) pour le refroidissement laser d'un système (SYS) couplé thermiquement avec ledit matériau. L'interaction du matériau avec un laser de pompe (PMP1) de fréquence prédéterminée w1 résulte en l'émission spontanée isotrope de photons de fréquence omega 1 identique à la fréquence du faisceau pompe et de photons de fréquence omega 2 supérieure à la fréquence omega 1 du faisceau de pompe, l'émission de ces derniers photons conduisant au refroidissement du matériau refroidisseur. Le dispositif selon l'invention comprend en outre des moyens de recyclage permettant de renvoyer vers le matériau refroidisseur laser (MRL1) les photons de fréquence omega 1. Selon une variante, les moyens de recyclage comprennent une coque (COQ) de forme sphérique, au centre de laquelle est positionné le matériau refroidisseur (MRL1), isolée thermiquement du matériau refroidisseur. La coque est recouverte d'un traitement (TRT1) réfléchissant pour les photons de fréquence omega 1 et d'une couche de conversion (TRT2) des photons de fréquence omega 2 en photons de fréquence omega 1, la couche de conversion recouvrant le traitement (TRT1) réfléchissant. Le dispositif selon l'invention permet une nette augmentation de l'efficacité de refroidissement des dispositifs refroidisseurs laser.

Description

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT LASER A FORTE EFFICACITE
L'invention concerne un dispositif de refroidissement laser à forte efficacité, par exemple pour le refroidissement de systèmes tels que les systèmes de détection et d'amplification à faible bruit, par exemple utilisés dans le domaine des télécommunications.
Parmi les dispositifs de refroidissement, un des plus utilisés est certainement le refroidisseur Peltier qui présente, à température ambiante, d'excellents rendements de refroidissement. Cependant, ces dispositifs deviennent inopérationnels lorsqu'on cherche à atteindre des variations de température supérieures à environ 50°.
Pour le refroidissement de systèmes qui ne fonctionnent qu'à très basse température, comme par exemple les systèmes de détection, on utilise couramment des dispositifs de refroidissement à détente. Le détendeur refroidit un gaz qui est envoyé sur le système à refroidir. Ce type de refroidisseur, qui nécessite le transport de fluides, exige une mécanique complexe et coûteuse.
Un nouveau concept de dispositif de refroidissement est exposé par exemple dans l'article de C.E.Mungan et al. ('Physical Review Letters', Vol.78 N°6, pp 1030-1033). Il s'agit d'un refroidisseur laser, obtenu au moyen d'une fibre optique dopée aux ions Ytterbium (Yb3+), pompés par un faisceau laser à 1 ,015 μm. Le refroidissement laser est obtenu par émission spontanée anti-Stokes. Un schéma simplifié à trois niveaux des transitions d'un matériau présentant un tel effet est représenté sur la figure 1 A. Les trois niveaux correspondent au niveau fondamental, noté S0, et à deux niveaux excités d'énergies et hωz, (où h =h/2π avec h constante de Planck) notés respectivement Si et S2, la fréquence CÛ2 étant supérieure à la fréquence coi. Un faisceau laser de pompe de fréquence ω est absorbé dans le matériau refroidisseur laser (transition 10 appelée par la suite transition de refroidissement laser) qui en plus de l'émission spontanée à la fréquence ωi (transition 11), possède un fort pourcentage d'émission spontanée à la fréquence CÙ2 (transition 12). La fréquence CÙ2 étant supérieure à la fréquence du faisceau de pompe α>ι, cette transition, dite anti-Stokes, se fait en prélevant de l'énergie au matériau. Si les pertes par absorption parasite sont suffisamment faibles, cet effet résulte en un refroidissement du matériau. La figure 1 B illustre schématiquement une mise en oeuvre de cet effet. Le système à refroidir SYS est couplé thermiquement avec un matériau refroidisseur laser MRL présentant un effet anti-Stokes tel que défini précédemment. Ce dernier est pompé avec un faisceau laser PMP émettant à la longueur d'onde ωι. Il résulte de l'absorption à la fréquence α>ι une émission spontanée à la fréquence α>ι et à la fréquence CO2, cette dernière transition permettant le refroidissement du matériau MRL et du système SYS.
L'article précédemment cité fait état de variations de température de l'ordre de 20°C, atteintes grâce la mise en oeuvre d'un tel effet. L'efficacité de refroidissement effectif, défini comme le rapport entre la puissance de froid et la puissance lumineuse de la pompe est estimé dans cet article aux environs d'un pour-cent.
La présente invention propose un dispositif de refroidissement laser à forte efficacité basée sur le recyclage des photons émis par le matériau refroidisseur laser. Plus précisément, il s'agit d'un dispositif de refroidissement laser comportant au moins un matériau refroidisseur laser pour le refroidissement d'un système couplé thermiquement avec ledit matériau, des moyens d'émission d'un faisceau laser de pompe de fréquence prédéterminée ωι, l'interaction dudit matériau avec le faisceau de pompe résultant en l'émission spontanée sensiblement isotrope de photons de fréquence ωi identique à la fréquence du faisceau pompe et de photons de fréquence ω∑ supérieure à la fréquence ωi du faisceau de pompe, l'émission de ces derniers photons conduisant au refroidissement du matériau refroidisseur, et caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de recyclage permettant de renvoyer vers au moins un des matériaux refroidisseurs laser lesdits photons résultant de l'émission spontanée à la fréquence ωι.
Avantageusement, les moyens de recyclage comprennent en outre des moyens de conversion isolés thermiquement du matériau refroidisseur laser qui permettent de convertir les photons émis à la fréquence CÛ2 en photons de fréquence α>ι, ces derniers photons pouvant alors être renvoyés vers le matériau refroidisseur laser, augmentant encore l'efficacité du dispositif de refroidissement. Les simulations effectuées par la déposante montrent des efficacités de refroidissement de l'ordre de quelques dizaines de pour-cent. Ces valeurs peuvent même dépasser 100% dans certains cas, lorsque les photons émis à la fréquence C02 sont convertis en photons de fréquence ωι avant d'être renvoyés dans le matériau refroidisseur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures indexées qui représentent:
- les figures 1A et 1 B, des schémas illustrant l'effet physique et sa mise en oeuvre dans un refroidisseur laser (déjà décrites); - les figures 2A à 2C, des exemples de réalisations du dispositif selon l'invention;
- les figures 3A à 3C, d'autres exemples de réalisations;
- la figure 4, une courbe de simulation donnant en fonction de la température l'efficacité de refroidissement effectif dans un exemple de mise en oeuvre du dispositif selon l'invention;
- la figure 5, une autre courbe de simulation donnant l'efficacité de refroidissement effectif dans un autre exemple de mise en oeuvre.
Le dispositif de refroidissement laser selon l'invention comporte au moins un matériau refroidisseur laser, couplé thermiquement avec le système à refroidir, et des moyens d'émission d'un faisceau laser de pompe de fréquence α>ι, égale à la fréquence de la transition de refroidissement laser du matériau. Le matériau refroidisseur peut être, par exemple, comme dans le dispositif de l'art antérieur, un matériau dopé aux ions Yb3+, pompés à 1 ,015 μm. L'interaction entre le matériau et le faisceau de pompe résulte en une émission spontanée de photons de fréquence CO2 supérieure à ωι, tel que cela a été décrit précédemment. L'interaction résulte également en une émission spontanée de photons de fréquence ωi, cette émission étant sans effet sur le refroidissement du matériau. L'émission des photons à ωι et α^ est isotrope. Selon l'invention, le dispositif comporte également des moyens de recyclage permettant de renvoyer vers au moins un des matériaux refroidisseurs laser les photons de fréquence ωi. Selon une première variante du dispositif selon l'invention, appelée par la suite recyclage à un photon, il s'agit de renvoyer dans le matériau refroidisseur le maximum de photons émis par le matériau refroidisseur laser à la fréquence ωi ou les photons du faisceau de pompe qui n'ont pas été absorbés lors du passage dans le matériau refroidisseur. Selon une seconde variante, appelée par la suite recyclage à deux photons, les moyens de recyclage du dispositif selon l'invention comportent en outre des moyens de conversion des photons émis par le matériau refroidisseur à la fréquence CÛ2 en photons de fréquence coi, ces photons étant ensuite renvoyés dans le matériau refroidisseur laser.
On considère dans un premier temps des exemples de dispositifs selon l'invention mettant en oeuvre un recyclage à un photon. On cherche à renvoyer dans le matériau refroidisseur laser les photons émis par le matériau refroidisseur laser à la fréquence OH . En pratique, on ne peut évidemment pas renvoyer cent pour-cent de ces photons, mais on cherche à en renvoyer le maximum, c'est à dire avec un rendement qui soit supérieur à 70 ou 80 pour-cent, pour que le recyclage soit efficace.
Si la différence entre les fréquences ωι et CÛ2 est suffisamment grande, les moyens de recyclage peuvent comporter un traitement dichroïque du matériau refroidisseur laser, réfléchissant pour les photons émis à la fréquence ωι du laser de pompe et transparent pour les photons émis à la fréquence CÛ2. Ainsi, on réinjecte à l'intérieur du matériau refroidisseur un maximum de photons à ωi tout en éliminant les photons de fréquence CÙ2 qui, s'ils sont réabsorbés par le matériau refroidisseur, peuvent entraîner un échauffement de celui-ci. Les moyens de recyclage peuvent également être obtenus en adaptant les caractéristiques physiques et géométriques du matériau refroidisseur pour qu'il permette une propagation guidée monomode à la fréquence ωi ayant des pertes importantes à la fréquence coa, de telle sorte que seuls sont piégés les photons à la fréquence COL
Les figures 2A à 2C présentent 3 exemples de réalisations de dispositifs selon l'invention mettant en oeuvre un recyclage à un photon. Le dispositif de refroidissement de la figure 2A comporte un matériau refroidisseur laser MRL!, couplé thermiquement avec le système SYS à refroidir, des moyens d'émission (non représentés) d'un faisceau laser de pompe PMPi de fréquence ωi adaptée pour obtenir l'émission spontanée anti-Stokes du matériau refroidisseur. Une optique FOC permet de focaliser le faisceau de pompe dans le matériau refroidisseur laser. Dans cet exemple, les moyens de recyclage comprennent une coque COQ englobant au moins partiellement le matériau refroidisseur laser MRLi et isolée thermiquement du matériau, par exemple en créant un vide (typiquement d'environ 10"4 Torr). La coque est recouverte (sur sa paroi interne) d'un traitement TRTi permettant de réfléchir les photons de fréquence ωι et d'absorber par exemple les photons de fréquence CÛ2 de telle sorte que ces derniers ne soient pas renvoyés vers le matériau refroidisseur. Dans l'exemple de la figure 2A, la coque est de forme sphérique, le matériau refroidisseur étant sensiblement positionné en son centre. Ainsi, les photons émis par émission spontanée provenant du centre de la sphère arrivent sur la coque avec une incidence normale et les photons de fréquence ωi, grâce au traitement TRTi, sont renvoyés sur le matériau refroidisseur MRLi. Ainsi, dans cet exemple, les photons sont extraits du matériau refroidisseur puis les photons de fréquence ωι sont réfléchis sur une partie chaude (la coque), isolée thermiquement de la partie froide que constitue le matériau refroidisseur. Les photons de fréquence 2 sont absorbés sur cette partie chaude.
D'autres formes de coques sont possibles pour réaliser cette fonction de recyclage à un photon. Ainsi, dans l'exemple de la figure 2B, la coque a la forme d'un ellipsoïde de révolution; elle est recouverte comme dans l'exemple de la figure 2A d'un traitement TRTi du même type. Le dispositif de refroidissement de la figure 2B comprend deux matériaux refroidisseurs laser MRLi et MRL2 positionnés sensiblement aux foyers de l'ellipsoïde et de nature identique. Ils sont pompés chacun par un faisceau de pompe de fréquence ω (respectivement PMPi et PMP2). La coque COQ constitue là encore la partie chaude sur laquelle sont réfléchis les photons à la fréquence coi et absorbés les photons à la fréquence CL>2. Dans cet exemple, les photons émis par un des matériaux refroidisseurs à la fréquence ωι sont réfléchis sur l'autre matériau refroidisseur, assurant la fonction de recyclage. Le système à refroidir SYS est par exemple positionné sur un support SPT entre les deux matériaux refroidisseurs, le support assurant le couplage thermique du système avec les matériaux.
Le dispositif de refroidissement de la figure 2C comprend lui aussi deux matériaux refroidisseurs laser MRLi et MRL2, agencés sous forme de barreaux, et pompés chacun par un faisceau de fréquence coi , (respectivement PMPT et PMP2) incident dans la direction de l'axe du barreau. Dans cet exemple, la coque a la forme d'un cylindre de section transversale elliptique. Le cylindre ainsi formé présente alors deux foyers constitués chacun d'une ligne, chaque matériau étant sensiblement positionné à l'emplacement d'un des foyers. La coque est recouverte d'un traitement TRTi de même nature que celui des exemples précédents, de telle sorte que les photons, émis par un matériau refroidisseur laser, sont réfléchis par la coque et renvoyés sur l'autre matériau refroidisseur laser, assurant ainsi la fonction de recyclage. Là encore, le système SYS à refroidir est par exemple positionné sur un support SPT entre les deux refroidisseurs, le support assurant le couplage thermique, tandis que la coque est isolée thermiquement des matériaux refroidisseurs. Le support doit être le plus petit possible pour perturber au minimum la propagation des photons dans l'enceinte se situant à l'intérieur de la coque.
Le traitement TRTi recouvrant la coque COQ formant les moyens de recyclage dans les exemples précédents est par exemple constitué de deux couches. Une première couche, appliquée directement sur la paroi interne de la coque, réfléchissante sur une large bande spectrale comprenant les fréquences ωι et CÛ2- Une seconde couche, recouvrant la première, faisant face au matériau refroidisseur, transparente à la fréquence ωι et absorbante à la fréquence CÛ2. Cette seconde couche comprend par exemple un semiconducteur ou un colorant dont les caractéristiques physiques sont adaptées aux fréquences cυι et < 2. Selon une variante, et si la différence entre les fréquences ωι et CÙ2 est suffisamment grande, la première couche peut être absorbante sur une large bande spectrale et la seconde couche, réfléchissante à la fréquence OH et transparente à la fréquence CÙ2.
Les figures 3A à 3C exposent des exemples de réalisation de dispositifs de refroidissement selon l'invention mettant en oeuvre un recyclage à deux photons. Dans ces dispositifs, les moyens de recyclage comportent des moyens de conversion des photons émis par le matériau refroidisseur à la fréquence ω∑ en photons de fréquence α>ι, ces photons étant ensuite renvoyés dans le matériau refroidisseur laser. Les moyens de conversion sont isolés thermiquement du matériau refroidisseur laser. Le dispositif représenté sur la figure 3A est sensiblement le même que celui de la figure 2A. Il comprend le matériau refroidisseur laser MRL1 , pompé par le faisceau de pompe PMPi. Les moyens de recyclage comprennent une coque COQ de forme sphérique, englobant au moins en partie le matériau refroidisseur qui est sensiblement positionné en son centre. La coque est isolée thermiquement du matériau refroidisseur, par exemple grâce à un vide (typiquement de l'ordre de 10"4 Torr). Elle est recouverte sur sa paroi interne d'un traitement TRTi du type de ceux décrits précédemment, permettant de réfléchir vers le matériau refroidisseur MRLi les photons de fréquence α>ι. Dans le dispositif de la figure 3A, les moyens de conversion sont constitués d'une couche de conversion TRT2 recouvrant le traitement TRTi. La couche de conversion reçoit sous incidence normale les photons émis de façon isotrope par le matériau refroidisseur à la fréquence 0)2 et les convertit en photons de fréquence ωi. Ces photons sont alors renvoyés, ainsi que les photons directement émis à la fréquence ωι, vers le matériau refroidisseur, réalisant ainsi le recyclage à deux photons.
La couche de conversion TRT2 est par exemple un amplificateur laser, dans lequel l'onde de fréquence 002 réalise une inversion de population entre les niveaux S et S2, ce qui permet une amplification à la fréquence α>ι. Le matériau amplificateur dont est formée la couche TRT2 est par exemple un colorant, un semi-conducteur naturel ou en puits quantiques. Avantageusement, la couche TRT2 est recouverte d'une couche anti-reflet à 0)2 mais transparente à CÙI . L'amplification peut être accrue si, comme cela est présenté sur la figure 2C, la couche TRT2 est recouverte d'une nappe de microlentilles permettant une refocalisation locale sur la sphère.
La couche de conversion TRT2 peut également contenir un matériau présentant de l'amplification Raman stimulée Stokes, dont le principe est similaire à celui de l'amplification laser mais dans lequel la radiation à Û2 n'est pas en résonance exacte avec le niveau S2; il faut donc travailler avec des intensités à ωi et C 2 plus élevées, ce qui nécessite de travailler avec des impulsions.
La couche de conversion peut également contenir un matériau de type terre rare par exemple, purement radiatif, absorbant à la fréquence ω∑ et présentant une probabilité d'émission à la fréquence 001 beaucoup plus forte qu'à CO2. Dans ce cas, compte tenu de la non-directivité de l'émission spontanée, des réflecteurs catadioptriques peuvent être agencés au niveau du traitement TRTi afin de reconcentrer les faisceaux sur la matériau convertisseur laser. Des dispositifs de refroidissement selon l'invention, mettant en oeuvre un recyclage à deux photons, peuvent également être réalisés avec des moyens de recyclage du type de ceux décrits sur les figures 2B et 2C, la coque COQ étant alors recouverte, comme dans le cas de la figure 3A, d'une couche de conversion TRT2. Il est nécessaire dans ce cas que la conversion des photons de fréquence CÛ2 en photons de fréquence ωι soit cohérente, de telle sorte qu'elle conserve la direction des photons. la couche TRT2 comprend par exemple un matériau amplificateur laser tel que décrit précédemment.
La figure 3C représente un autre exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention mettant en oeuvre un recyclage à deux photons. Dans cet exemple, le dispositif comprend un matériau refroidisseur laser MRLi pompé par un faisceau de pompe PMPi. Les moyens de recyclage comprennent une coque COQ présentant la forme d'un ellipsoïde de révolution et englobant au moins en partie le matériau MRLi qui est positionné sensiblement à l'un des foyers de l'ellipsoïde. La coque est recouverte d'un traitement TRT3, réfléchissant pour les photons émis par le matériau refroidisseur aux fréquences ωi et 0)2 mais transparent dans l'infrarouge autour de la fréquence (02-ωι. Les moyens de recyclage comprennent en outre des moyens de conversion constitués d'un matériau convertisseur CVT isolé thermiquement du refroidisseur laser, et permettant de transformer les photons de fréquence 2 en photons de fréquence α>ι. Le matériau CVT, formé de matériaux similaires à ceux composant la couche de conversion précédemment décrite, mais dans une configuration géométrique différente, est positionné sensiblement à l'autre foyer de l'ellipsoïde. Ainsi, les photons émis par le matériau refroidisseur laser aux fréquences ωι et 02 sont réfléchis par la coque sur le matériau convertisseur CVT qui forme une partie chaude du dispositif de refroidissement Ce matériau convertisseur récolte l'émission à OH et 002 et transforme, en un endroit où la lumière est concentrée, les photons de fréquence 002 en photons de fréquence coi qui sont renvoyés par la coque sur le matériau refroidisseur. La fonction de recyclage à deux photons est ainsi réalisée. La traitement TRT3 recouvrant la coque doit dans ce cas être transparent à la fréquence c 2-ωι afin d'évacuer la chaleur dégagée par le matériau refroidisseur.
Des simulations ont été effectuées par la déposante, qui permettent d'évaluer quantitativement l'efficacité de refroidissement du dispositif selon l'invention, tel qu'il a été décrit à travers les exemples précédents.
Pour évaluer quantitativement l'amélioration de l'efficacité de refroidissement laser par recyclage à un ou deux photons, un modèle à une dimension pour l'émission spontanée est utilisé, en considérant que les photons à ωi et CÙ2 ne sont pas réabsorbés mais collectés et réinjectés, avec le faisceau de pompe, à l'entrée du matériau refroidisseur de longueur L, avec des efficacités respectivement égales à Ri et R2. On suppose l'existence d'une absorption parasite, conduisant à échauffement du matériau, de coefficient d'absorption α identique pour les deux fréquences CÙI et CÛ2. Ce coefficient est supposé faible devant le coefficient d'absorption βi à la fréquence ωι de la transition de refroidissement laser. Les calculs effectués par la déposante montrent que l'efficacité de refroidissement effectif p s'écrit (pour un système parfaitement isolé):
ω2 - ω, N, (o) x A X [l-exp-(α+/?<> ] ω, oc +βi l + #ι,2 exp<5 / / 7 oc +β, No
où aι,2 est le rapport des coefficients d'absorption βi et β2 respectivement aux fréquences α>ι et CÙ2, δ est la différence d'énergie entre les deux niveaux excités Si et S2 (voir la figure 1A), k est la constante de Boltzman, T est la température, Νι(0) est la densité de photons laser incidents à la fréquence ωi, N0 est la densité effective de photons incidents à la fréquence ωi, compte tenu du recyclage de photons. Par rapport à la valeur estimée de l'efficacité de refroidissement effectif selon l'art antérieur, ce calcul montre que l'efficacité de refroidissement est améliorée du facteur N (0)/N0, qui s'écrit:
Cette deuxième expression montre que le facteur d'amélioration est égal à 1 si R1=R2=0 (pas de recyclage) et tend vers l'infini si R1=R1=1 , • =0, biL tend vers l'infini (recyclage total).
Il apparaît en outre à partir de ces expressions que dans le cas de recyclage à un photon (R2=0), lorsque celui-ci est total (Rι=1 ) et que le coefficient d'absorption parasite α est nul, l'efficacité de refroidissement est limitée au rapport (c 2-ωι)/ωι. Cette valeur limite s'interprète par la perte, pour le refroidissement, des photons émis spontanément à la fréquence CÙ2 après absorption des photons de fréquence coi.
A titre d'exemples, les figures 4 et 5 représentent des courbes donnant, en fonction de la température, la valeur estimée de l'efficacité de refroidissement laser, respectivement dans les cas de recyclage à un et à deux photons.
La figure 4 présente cinq courbes (40 à 44) donnant l'efficacité de refroidissement laser dans le cas de recyclage à un photon (R2=0) pour cinq valeurs d'efficacité de réinjection des photons à ωi (respectivement, Rι=0%, 25%, 50%, 75%, 100%). Dans ces calculs, le rapport (cù2- ωι)/ ωι est pris égal à 0,2, ωι correspond à une longueur d'onde de 12 μm, la différence d'énergie δ entre les deux niveaux excités est prise égale à 20 meV, le rapport α/βi est pris égal à 0,05, le produit βiL est pris égal à 4 et le rapport a ,2 précédemment défini est pris égal à 0,1. Ces courbes montrent que si l'amélioration de l'efficacité est faible à haute température (environ 20%) en raison d'une émission à la fréquence CÛ2 bien supérieure à celle existant à la fréquence ωι (aι,2 =0,1 ), l'amélioration est nettement supérieure à basse température quand le peuplement thermique du niveau supérieur S2 des états excités, point de départ de la fluorescence à la fréquence CÛ2, devient difficile. La figure 5 montre l'influence du recyclage de l'ensemble des photons. Les cinq courbes (50 à 54) sont calculées pour Rι=90% et R2 égal respectivement à 0%, 25%, 50%, 75%, 100%. Les autres valeurs sont prises identiques à celles utilisées dans le calcul des courbes de la figure 4. Ces courbes montrent qu'à la température ordinaire, par rapport au cas du recyclage à un photon (figure 4), l'efficacité de refroidissement effective est presque doublée pour R2=50%, presque triplée pour R2=75% et atteint même des valeurs supérieures à 100% pour R2 supérieur à 90%.
Le dispositif de refroidissement selon l'invention s'applique avantageusement à tout système de détection ou d'amplification à faible bruit, aux systèmes de cavité résonante à supra-conducteur haute température, par exemple pour les filtres de communication.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Dispositif de refroidissement laser comportant au moins un matériau refroidisseur laser (MRLi, MRL2) pour le refroidissement d'un système (SYS) couplé thermiquement avec ledit matériau, des moyens d'émission d'un faisceau laser de pompe (PMPi, PMP2) de fréquence prédéterminée coi, l'interaction dudit matériau avec le faisceau de pompe résultant en l'émission spontanée sensiblement isotrope de photons de fréquence ωi identique à la fréquence du faisceau pompe et de photons de fréquence CÙ2 supérieure à la fréquence OH du faisceau de pompe, l'émission de ces derniers photons conduisant au refroidissement du matériau refroidisseur, et caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de recyclage permettant de renvoyer vers au moins un des matériaux refroidisseurs laser (MRL|, MRL2) lesdits photons résultant de l'émission spontanée à la fréquence α> .
2- Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens de recyclage comprennent une coque (COQ) englobant au moins en partie le matériau refroidisseur laser (MRLi, MRL2) et isolée thermiquement dudit matériau, la coque étant recouverte d'un traitement (TRT ) permettant de réfléchir les photons de fréquence ωι, la coque étant de forme telle qu'elle renvoie lesdits photons vers au moins un des matériaux refroidisseurs laser (MRLi, MRL2).
3- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le traitement (TRT ) est formé d'une première couche, appliquée directement sur la paroi interne de la coque, réfléchissante sur une large bande spectrale comprenant les fréquences co et Û2 et d'une seconde couche, recouvrant la première, transparente à la fréquence < et absorbante à la fréquence CÛ2.
4- Dispositif selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il ne comprend qu'un matériau refroidisseur laser (MRLi) et en ce que la coque (COQ) est de forme spherique, le matériau refroidisseur étant sensiblement positionné au centre de la sphère.
5- Dispositif selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend deux matériaux refroidisseurs laser (MRLi, MRL2) et en ce que la coque (COQ) présente la forme d'un ellipsoïde de révolution, chaque matériau refroidisseur étant sensiblement positionné à l'un des foyers de l'ellipsoïde.
6- Dispositif selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend deux matériaux refroidisseurs laser (MRLi, MRL2) en forme de barreaux et en ce que la coque (COQ) présente la forme d'un cylindre de section elliptique, le cylindre présentant deux foyers constitués chacun d'une ligne, chaque matériau refroidisseur étant sensiblement positionné à l'emplacement d'un desdits foyers.
7- Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens de recyclage comprennent en outre des moyens de conversion isolés thermiquement du matériau refroidisseur laser et permettant de convertir les photons émis à la fréquence α>2 en photons de fréquence < ι identique à celle du faisceau de pompe, ces derniers photons pouvant alors être renvoyés vers au moins un des matériaux refroidisseurs laser . 8- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de recyclage comprenant une coque (COQ) englobant au moins en partie le matériau refroidisseur laser (MRLi, MRL2) et isolée thermiquement dudit matériau, la coque étant recouverte d'un traitement (TRT ) réfléchissant pour les photons de fréquence coi, la coque étant de forme telle qu'elle renvoie lesdits photons vers au moins un des matériaux refroidisseurs laser (MRL|, MRL2), les moyens de conversion sont constitués d'une couche de conversion (TRT2) des photons de fréquence CÛ2 en photons de fréquence α>ι, la couche de conversion recouvrant le traitement (TRTi) réfléchissant.
9- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche de conversion comprend un matériau amplificateur laser, l'interaction dudit matériau avec l'onde de fréquence Û2 réalisant une inversion de population résultant en une amplification à la fréquence coi.
10- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de recyclage comprennent - une coque (COQ) présentant la .forme d'un ellipsoïde de révolution et englobant au moins en partie le matériau refroidisseur laser (MRLi) positionné sensiblement à l'un des foyers de l'ellipsoïde, et un traitement (TRT3) recouvrant la coque, réfléchissant pour les photons émis par le matériau aux fréquences ωι et 02 et transparent dans l'infrarouge à la fréquence sensiblement égale à 002- α>ι,
- des moyens de conversion constitués d'un matériau (CVT) isolé thermiquement du refroidisseur laser, transformant les photons de fréquence OÙ2 en photons de fréquence CÛI , ledit matériau étant positionné sensiblement à l'autre foyer de l'ellipsoïde.
11 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de recyclage comportent un traitement dichroïque du matériau refroidisseur laser (MRLi), réfléchissant pour les photons émis par le matériau refroidisseur à la fréquence ωι, et transparent pour les photons émis à la fréquence 002.
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