Ce este un laser criogenic

Conceptul de lasere care funcționează la temperaturi scăzute nu este nou: al doilea laser din istorie a fost criogenic. Inițial, conceptul a fost dificil de realizat la temperatura camerei, iar entuziasmul pentru lucrul la temperatură joasă a început în anii 1990 odată cu dezvoltarea laserelor și amplificatoarelor de mare putere.

La putere maresurse laser, efectele termice, cum ar fi pierderea prin depolarizare, lentilele termice sau îndoirea cristalelor laser pot afecta performanțasursa de lumina. Prin răcirea la temperatură scăzută, multe efecte termice dăunătoare pot fi suprimate eficient, adică mediul de câștig trebuie răcit la 77K sau chiar 4K. Efectul de răcire include în principal:

Conductivitatea caracteristică a mediului de amplificare este mult inhibată, în principal deoarece calea liberă medie a cablului este crescută. Ca urmare, gradientul de temperatură scade dramatic. De exemplu, atunci când temperatura scade de la 300K la 77K, conductivitatea termică a cristalului YAG crește cu un factor de șapte.

Coeficientul de difuzie termică scade, de asemenea, brusc. Acest lucru, împreună cu o reducere a gradientului de temperatură, are ca rezultat un efect de lentilă termică redus și, prin urmare, o probabilitate redusă de rupere a tensiunii.

De asemenea, coeficientul termo-optic este redus, reducând și mai mult efectul lentilei termice.

Creșterea secțiunii transversale de absorbție a ionilor de pământuri rare se datorează în principal scăderii lărgirii cauzate de efectul termic. Prin urmare, puterea de saturație este redusă și câștigul laser este crescut. Prin urmare, puterea de prag a pompei este redusă și pot fi obținute impulsuri mai scurte atunci când comutatorul Q funcționează. Prin creșterea transmitanței cuplajului de ieșire, eficiența pantei poate fi îmbunătățită, astfel încât efectul de pierdere a cavității parazitare devine mai puțin important.

Numărul de particule din nivelul scăzut total al mediului de câștig cu cvasi-trei niveluri este redus, astfel încât puterea de pompare de prag este redusă și eficiența energetică este îmbunătățită. De exemplu, Yb:YAG, care produce lumină la 1030nm, poate fi văzut ca un sistem cu trei niveluri la temperatura camerei, dar un sistem cu patru niveluri la 77K. Er: Același lucru este valabil și pentru YAG.

În funcție de mediul de câștig, intensitatea unor procese de stingere va fi redusă.

În combinație cu factorii de mai sus, funcționarea la temperatură scăzută poate îmbunătăți considerabil performanța laserului. În special, laserele de răcire la temperatură joasă pot obține o putere de ieșire foarte mare fără efecte termice, adică se poate obține o calitate bună a fasciculului.

O problemă de luat în considerare este că, într-un cristal laser criorăcit, lățimea de bandă a luminii radiate și a luminii absorbite vor fi reduse, astfel încât intervalul de reglare a lungimii de undă va fi mai îngustă, iar lățimea liniei și stabilitatea lungimii de undă a laserului pompat va fi mai strictă. . Cu toate acestea, acest efect este de obicei rar.

Răcirea criogenică utilizează de obicei un lichid de răcire, cum ar fi azotul lichid sau heliul lichid, iar în mod ideal agentul frigorific circulă printr-un tub atașat la un cristal laser. Lichidul de răcire este completat la timp sau reciclat într-o buclă închisă. Pentru a evita solidificarea, este de obicei necesar să plasați cristalul laser într-o cameră cu vid.

Conceptul de cristale laser care funcționează la temperaturi scăzute poate fi aplicat și la amplificatoare. Safirul de titan poate fi folosit pentru a face un amplificator cu feedback pozitiv, puterea medie de ieșire în zeci de wați.

Deși dispozitivele de răcire criogenică se pot complicasisteme laser, sistemele de răcire mai comune sunt adesea mai puțin simple, iar eficiența răcirii criogenice permite o anumită reducere a complexității.