Cryocooling of a laser amplifier

Absolut System has successfully developed and manufactured an helium loop for cryogenic cooling of a 140K laser amplifier.

The whole laser system is developed in collaboration of the STFC research organization (Science and Technology Facilities Council) and the Hilase Centre, where completed device will be based.

The objective was to maintain at cold temperature (140K = -133°C) an optical laser amplifier with helium without emission of impurities (particulate and molecular) while adsorbing the rejected power of 4 kW.

Completed in April 2022, this project went through a period of tests and validation:

•  January 2022: Internal FAT function test (Factory Acceptance Test).
• April 2022: Delivery and installation of the machine in STFC’s laboratories for the SAT (Site Acceptance Test) and training of the operators in its use. The time of this mission was 3 days.

This unique project is based on Absolut System’s know-how in cryogenics. The expertise of our engineers has allowed us to propose two innovative technologies:

1. A cryogenic circulator: Absolut System develops and optimizes high reliability and high-performance cryogenic circulators allowing the movement of a pressurized fluid at cryogenic temperature (less than 150K) in a closed circuit, according to the application needs.Here, it allows to circulate without contamination the cold helium of high purity in the optical cryostat. The presence of grease could burn and disturb the laser amplifier, so Absolut System has developed a hydrodynamic gas bearing circulator. The available gas flow rate is 200g/s at 140K.
2. A venturi system: Installation of a venturi mixing system which allows a compact installation. This system mixes hot and cold gas in order to regulate the laser amplifier at the temperature of 140K. The cold gas is sucked in at the venturi neck.

The main success of this project lies in the installation of this gas circulation loop, tested and validated by STFC and HiLASE Centre researchers.

And then?

The success of the project allows STFC and its partners to develop, within one year, a laser based on this innovative cooling technology from Absolut System. Once the laser is developed, it will be sent to the HILASE Centre in the Czech Republic for use.

Absolut System a développé et fabriqué avec succès une boucle hélium de refroidissement cryogénique d’un amplificateur laser à 140K

L’ensemble du système laser est développé en collaboration entre l’organisme de recherche STFC (Science and Technology Facilities Council) et Hilase Centre, où sera basé le dispositif terminé.

L’objectif était de maintenir à froid (140K soit –133°C) un amplificateur laser optique avec de l’hélium sans émission d’impuretés (particulaires et moléculaires) tout en adsorbant la puissance rejetée de 4 kW.

Terminé en avril 2022, ce projet est passé par une période de tests et de validations :  

• Janvier 2022 : Test de fonctionnement FAT (Factory Acceptance Test) en interne.
• Avril 2022 : Livraison et installation de la machine dans les laboratoires de STFC pour la réalisation du test SAT (Site Acceptance Test) et formation des opérateurs à son utilisation. Le délai de cette mission a été de 3 jours.

Ce projet unique est basé sur le savoir-faire en cryogénie d’Absolut System. L’expertise des ingénieurs a permis de proposer deux technologies innovantes :

1. Un circulateur cryogénique : Absolut System développe et optimise des circulateurs cryogéniques haute fiabilité et haute performance permettant le déplacement d’un fluide sous pression à température cryogénique (moins de 150K) dans un circuit fermé, selon les besoins applicatifs.Ici, celui-ci permet de faire circuler sans contamination l’hélium froid à haute pureté dans le cryostat optique. La présence de graisse pourrait brûler et perturber l’amplificateur laser, c’est pourquoi Absolut System a développé un circulateur à paliers gaz hydrodynamiques. Le débit de gaz disponible est de 200g/s à 140K.
2. Un système venturi : Mise en place d’un système de mélange par venturi qui permet une installation compacte. Ce système mélange le gaz chaud et le gaz froid afin de réguler l’amplificateur laser à la température de 140K. Le gaz froid est aspiré au niveau du col du venturi.

La réussite principale de ce projet réside dans l’installation de cette boucle de circulation gazeuse, testée et validée par STFC.

Et après ?

Le succès du projet permet à STFC de développer, dans un délai d’un an, un laser basé sur cette technologie de refroidissement innovante d’Absolut System. Une fois le laser développé, il sera envoyé au centre HILASE en République Tchèque pour utilisation.