Ce este un laser criogenic

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

La putere maresurse laser, efectele termice precum pierderea prin depolarizare, îndoirea lentilei termice sau a cristalului laser pot afecta performanțasursă de luminăPrin răcirea la temperatură scăzută, multe efecte termice dăunătoare pot fi suprimate eficient, adică mediul de amplificare trebuie răcit la 77K sau chiar 4K. Efectul de răcire include în principal:

Conductivitatea caracteristică a mediului de amplificare este mult inhibată, în principal pentru că drumul liber mediu al cablului este crescut. Drept urmare, gradientul de temperatură scade dramatic. De exemplu, când temperatura este coborâtă 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 sub tensiune.

Coeficientul termo-optic este, de asemenea, redus, reducând și mai mult efectul de lentilă termică.

Creșterea secțiunii transversale de absorbție a ionului de pământuri rare se datorează în principal scăderii lățimii cauzate de efectul termic. Prin urmare, puterea de saturație este redusă și câștigul laserului este crescut. Prin urmare, puterea de pompare prag este redusă și se pot obține 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 ale nivelului total scăzut al mediului cu amplificare cvasi-trei niveluri este redus, astfel încât puterea de pompare prag este redusă și eficiența energetică este îmbunătățită. De exemplu, Yb:YAG, care produce lumină la 1030 nm, poate fi văzut ca un sistem cvasi-trei niveluri la temperatura camerei, dar ca un sistem cu patru niveluri la 77 K. Ăăă: Același lucru este valabil și pentru YAG.

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

Combinată cu factorii de mai sus, funcționarea la temperatură scăzută poate îmbunătăți considerabil performanța laserului. În special, laserele cu răcire la temperatură scăzută 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 va fi redusă, astfel încât intervalul de reglare a lungimii de undă va fi mai restrâns, iar lățimea liniei și stabilitatea lungimii de undă a laserului pompat vor fi mai stringente. Cu toate acestea, acest efect este de obicei rar.

Răcirea criogenică utilizează de obicei un agent de răcire, cum ar fi azot lichid sau heliu lichid, iar în mod ideal, agentul frigorific circulă printr-un tub atașat la un cristal laser. Agentul de răcire este alimentat în timp sau reciclat într-o buclă închisă. Pentru a evita solidificarea, este de obicei necesar să se plaseze cristalul laser într-o cameră de vid.

Conceptul cristalelor laser care funcționează la temperaturi scăzute poate fi aplicat și amplificatoarelor. Safirul de titan poate fi utilizat pentru a realiza amplificatoare cu feedback pozitiv, puterea medie de ieșire fiind exprimată în zeci de wați.

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