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Intitulé de la thèse : Conception et démonstration d’un refroidisseur optique cryogénique pour les applications spatiales

Le refroidissement optique dans les solides ou refroidissement laser dans les solides est une technologie de rupture, permettant d’atteindre des températures cryogéniques (inférieures à 125 K, soit environ - 150 °C) par le simple éclairement de cristaux de fluorures dopés aux ions de terre-rares, avec un laser infrarouge à la longueur d'onde adaptée.
L’excitation d’un tel cristal refroidisseur au gap entre états fondamentaux et états excités électroniques des ions dopants permet l’absorption et la réémission de la lumière suivant le processus de fluorescence Anti-Stokes, phénomène par lequel les photons émis sont plus énergétiques que ceux absorbés. En moyenne, le cristal fluoresce donc plus de puissance lumineuse que la puissance laser absorbée, provoquant ainsi son refroidissement par une méthode toute optique, à l’état solide et zéro vibration. Cette technologie révolutionnaire permettrait à terme de faciliter les applications instrumentales pour lesquelles les vibrations et l’encombrement d’une machine cryogénique traditionnelle (refroidisseurs Stirling ou Pulse-tube) sont des points bloquants. L’application majeure visée est le refroidissement de capteurs d’images à bord des satellites d’observation de la Terre, notamment à bord de petits satellites type CubeSats ou d’instruments interférométriques pour lesquels les vibrations peuvent impacter les performances.

Avec le développement de cette technologie, de nouvelles applications « spin-off » sont également envisageables, telles que le refroidissement de composants à des températures proches de l’azote liquide sans besoin de liquéfaction et dans un encombrement réduit ou la conception de lasers haute puissance dits « athermiques ». Ce travail ouvre la voie vers une nouvelle famille de cryo-refroidisseurs optiques pour les futures applications spatiales.

Mots clés : Cryogénie, Laser, Optique, Cristaux, Terres rares, Spatial

École doctorale : ED de Physique
Laboratoire d’accueil : Institut Néel (CNRS)
Direction de thèse : Gilles NOGUES et Arnaud GARDELEIN

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