Що таке кріогенний лазер

Концепція лазерів, що працюють за низьких температур, не нова: другий лазер в історії був кріогенним. Спочатку концепцію було важко реалізувати за кімнатної температури, і захоплення роботами за низьких температур почалося в 1990-х роках з розробкою потужних лазерів та підсилювачів.

При високій потужностілазерні джерелатеплові ефекти, такі як втрати деполяризації, теплова лінза або вигин лазерного кристала, можуть впливати на продуктивністьджерело світлаЗавдяки низькотемпературному охолодженню можна ефективно придушити багато шкідливих теплових ефектів, тобто середовище підсилення потрібно охолодити до 77K або навіть 4K. Ефект охолодження в основному включає:

Характеристична провідність середовища підсилення значно знижується, головним чином через збільшення довжини вільного пробігу мотузки. В результаті градієнт температури різко падає. Наприклад, коли температура знижується з 300 К до 77 К, теплопровідність кристала YAG збільшується в сім разів.

Коефіцієнт теплової дифузії також різко зменшується. Це, разом зі зменшенням градієнта температури, призводить до зменшення ефекту теплового лінзування і, отже, до зменшення ймовірності розриву внаслідок напруження.

Термооптичний коефіцієнт також зменшується, що ще більше зменшує ефект теплової лінзи.

Збільшення поперечного перерізу поглинання рідкоземельних іонів головним чином зумовлене зменшенням розширення, спричиненого тепловим ефектом. Отже, потужність насичення зменшується, а коефіцієнт підсилення лазера збільшується. Таким чином, порогова потужність накачування зменшується, і при роботі Q-перемикача можна отримати коротші імпульси. Збільшуючи коефіцієнт пропускання вихідного відгалужувача, можна покращити ефективність нахилу, тому ефект паразитних втрат у резонаторі стає менш значним.

Кількість частинок загального нижнього рівня квазітрирівневого середовища посилення зменшується, тому порогова потужність накачування зменшується, а енергоефективність підвищується. Наприклад, Yb:YAG, який виробляє світло з довжиною хвилі 1030 нм, можна розглядати як квазітрирівневу систему при кімнатній температурі, але як чотирирівневу систему при 77K. Er: Те саме стосується і YAG.

Залежно від середовища посилення, інтенсивність деяких процесів гасіння буде знижена.

У поєднанні з вищезазначеними факторами, робота за низьких температур може значно покращити продуктивність лазера. Зокрема, лазери з низькотемпературним охолодженням можуть отримувати дуже високу вихідну потужність без теплових ефектів, тобто можна отримати хорошу якість променя.

Одним із питань, яке слід враховувати, є те, що в кріоохолоджуваному лазерному кристалі смуга пропускання випромінюваного та поглиненого світла зменшується, тому діапазон налаштування довжини хвилі буде вужчим, а ширина лінії та стабільність довжини хвилі накачуваного лазера будуть більш жорсткими. Однак цей ефект зазвичай трапляється рідко.

Кріогенне охолодження зазвичай використовує охолоджувальний агент, такий як рідкий азот або рідкий гелій, і в ідеалі холодоагент циркулює через трубку, приєднану до лазерного кристала. Охолоджувальний агент поповнюється з часом або рециркулює в замкнутому циклі. Щоб уникнути затвердіння, зазвичай необхідно помістити лазерний кристал у вакуумну камеру.

Концепцію лазерних кристалів, що працюють за низьких температур, також можна застосувати до підсилювачів. Титан-сапфір можна використовувати для створення підсилювачів з позитивним зворотним зв'язком, середня вихідна потужність яких вимірюється десятками ват.

Хоча кріогенні охолоджувальні пристрої можуть ускладнюватилазерні системи, більш поширені системи охолодження часто менш прості, а ефективність кріогенного охолодження дозволяє дещо зменшити їхню складність.