Ce este un laser criogenic

Conceptul de lasere care operează la temperaturi scăzute nu este nou: cel de -al doilea laser din istorie a fost criogenic. Inițial, conceptul a fost dificil de realizat funcționarea temperaturii camerei, iar entuziasmul pentru lucrările de temperatură scăzută a început în anii 90 odată cu dezvoltarea de lasere și amplificatoare de mare putere.

În putere mareSurse laser, efectele termice, cum ar fi pierderea depolarizării, lentile termice sau îndoirea cristalului laser pot afecta performanțasursă de lumină. Prin răcirea la temperaturi scăzute, multe efecte termice dăunătoare pot fi suprimate în mod eficient, adică mediul de câștig trebuie răcit la 77K sau chiar 4K. Efectul de răcire include în principal:

Conductivitatea caracteristică a mediului de câștig este mult inhibată, în principal pentru că calea medie liberă a frânghiei este crescută. Drept urmare, gradientul de temperatură scade dramatic. De exemplu, când temperatura este scăzută de la 300K la 77K, conductivitatea termică a cristalului de 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 redus de lentile termice și, prin urmare, o probabilitate redusă de rupere a stresului.

Coeficientul termo-optic este, de asemenea, redus, reducând în continuare efectul lentilei termice.

Creșterea secțiunii transversale de absorbție a ionului de pământ rar se datorează în principal scăderii lărgii cauzate de efectul termic. Prin urmare, puterea de saturație este redusă și câștigul laser este crescut. Prin urmare, puterea pompei de prag este redusă și se pot obține impulsuri mai scurte atunci când funcționează comutatorul Q. Prin creșterea transmiterii cuplajului de ieșire, eficiența pantei poate fi îmbunătățită, astfel încât efectul pierderii cavității parazitare devine mai puțin important.

Numărul de particule al nivelului total scăzut al mediului de câștig cvasi-trei la nivel este redus, astfel încât puterea de pompare a pragului este redusă și eficiența puterii este îmbunătățită. De exemplu, YB: YAG, care produce lumină la 1030nm, poate fi văzut ca un sistem cvasi-trei la temperatura camerei, dar un sistem la 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.

Combinată cu factorii de mai sus, funcționarea la temperaturi scăzute poate îmbunătăți mult performanța laserului. În special, laserele de răcire la temperaturi scăzute 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 cu laser criocool, lățimea de bandă a luminii radiate și lumina absorbită 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 stricte. Cu toate acestea, acest efect este de obicei rar.

Răcirea criogenă folosește de obicei un lichid de răcire, cum ar fi azot lichid sau heliu lichid, iar în mod ideal, refrigerantul circulă printr -un tub atașat la un cristal laser. Lichidul de răcire este reînnoit în timp sau reciclat într -o buclă închisă. Pentru a evita solidificarea, este de obicei necesar să se așeze cristalul laser într -o cameră de vid.

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

Deși dispozitivele de răcire criogene se pot complicaSisteme laser, sistemele de răcire mai frecvente sunt adesea mai puțin simple, iar eficiența răcirii criogene permite o oarecare reducere a complexității.