Une nouvelle conception de laser solaire pourrait avoir des applications dans l'espace

Une nouvelle conception pour un laser alimenté par la lumière du soleil a été dévoilée par des chercheurs en Algérie et au Portugal. Le laser solaire, qui n'a pas encore été construit en laboratoire, devrait fonctionner à un rendement plus élevé que les systèmes existants et pourrait avoir de nombreuses applications, y compris un système spatial pour récolter l'énergie solaire à utiliser sur Terre.

L'utilisation de la lumière solaire comme source de pompage pour produire de la lumière laser a été largement explorée depuis les années 1960. Les technologies actuelles peuvent être utilisées pour produire des systèmes laser rentables avec une puissance et une luminosité élevées.

De nombreux progrès dans les lasers solaires ont été réalisés au cours de la dernière décennie - mais les conceptions existantes peuvent être limitées par leur utilisation d'une seule grande tige laser. Cette tige est le matériau de gain qui produit la lumière laser grâce à l'énergie qu'elle acquiert de la source de pompage. Les systèmes solaires à tige unique ont tendance à être coûteux et souffrent de distributions de température inégales à l'intérieur de la tige, ce qui diminue la qualité du faisceau qu'il produit.

Simulations numériques

Ce dernier travail a été réalisé par Rabeh Boutaka au Centre de Développement des Technologies Avancées d'Alger, Dawei Liang à l'Université NOVA de Lisbonne et Abdelhamid Kellou à l'Université des Sciences et Technologies Houari Boumediene. Le trio a effectué des simulations numériques pour les aider à concevoir une configuration laser solaire plus optimale. Leur système proposé fonctionnerait dans le TEM₀₀ mode optique : le mode laser fondamental d'ordre le plus bas, où l'intensité de la lumière entourant le centre du faisceau suit une distribution gaussienne simple. La conception de l'équipe recueille la lumière du soleil à l'aide de quatre miroirs paraboliques d'une surface totale de 10 m².

Une fois cette lumière récoltée, elle est dirigée vers une tête laser, où elle est répartie uniformément entre quatre concentrateurs en silice fondue et des guides de lumière. Enfin, la lumière est utilisée pour pomper simultanément quatre tiges laser de petit diamètre, la configuration garantissant que la puissance de pompage est répartie uniformément entre les tiges. En conséquence, la conception évite les limitations présentées par la lentille thermique - un effet indésirable par lequel les irrégularités de température dans un matériau optique affectent les chemins empruntés par la lumière.

Au total, l'équipe de Boutaka a calculé que leurs altérations doublaient l'efficacité de collecte de lumière des lasers solaires fonctionnant dans le TEM.₀₀ mode, résultant en 1.24 fois l'efficacité de conversion de la lumière du soleil en laser des conceptions précédentes. Les chercheurs envisagent de nombreuses applications potentielles pour leur conception : notamment de meilleures méthodes de surveillance de la surface et de l'atmosphère de la Terre à l'aide de satellites ; ainsi que l'enlèvement des débris spatiaux et les communications dans l'espace lointain.

L'application la plus fascinante est peut-être le développement de nouvelles formes de production d'énergie solaire. Ici, Boutaka et ses collègues proposent que les lasers solaires puissent fonctionner dans l'espace, où la lumière du soleil est environ deux fois plus forte que sur Terre. Les faisceaux lasers pourraient être renvoyés vers la Terre et collectés par des cellules solaires concentrées - dans un processus plus efficace que la collecte d'énergie solaire au sol.

La recherche est décrite dans le Journal de la photonique pour l'énergie.