Що таке кріогенний лазер

Концепція лазерів, що працюють при низьких температурах, не нова: другий лазер в історії був кріогенним. Спочатку ця концепція була важкою для роботи при кімнатній температурі, і ентузіазм роботи при низьких температурах почався в 1990-х роках з розробкою потужних лазерів і підсилювачів.

У великій потужностілазерні джерела, термічні ефекти, такі як втрата деполяризації, теплові лінзи або вигин лазерного кристала, можуть вплинути на продуктивністьджерело світла. Завдяки низькотемпературному охолодженню багато шкідливих теплових ефектів можна ефективно придушити, тобто підсилювальне середовище потрібно охолодити до 77 К або навіть 4 К. Ефект охолодження в основному включає:

Характеристика провідності підсилювального середовища значно гальмується, головним чином через збільшення середньої довжини вільного пробігу мотузки. В результаті температурний градієнт різко падає. Наприклад, коли температура знижується з 300 К до 77 К, теплопровідність кристала YAG збільшується в сім разів.

Різко зменшується і коефіцієнт термодифузії. Це, разом із зменшенням температурного градієнта, призводить до зменшення ефекту термічної лінзи, а отже, до зниження ймовірності розриву під напругою.

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

Збільшення поперечного перерізу поглинання рідкоземельного іона відбувається в основному за рахунок зменшення розширення, викликаного тепловим ефектом. Таким чином, потужність насичення зменшується, а посилення лазера збільшується. Таким чином, порогова потужність накачування зменшується, і можна отримати коротші імпульси, коли працює перемикач Q. Збільшуючи коефіцієнт пропускання вихідного зв’язувача, ефективність нахилу може бути покращена, тому ефект втрат паразитної порожнини стає менш важливим.

Кількість частинок загального низького рівня квазі-трьохрівневого підсилювального середовища зменшується, тому порогова потужність накачування зменшується, а енергетична ефективність покращується. Наприклад, Yb:YAG, який випромінює світло при 1030 нм, можна розглядати як квазі-трирівневу систему при кімнатній температурі, але як чотирирівневу систему при 77 К. Ер: Те саме стосується YAG.

Залежно від середовища підсилення інтенсивність деяких процесів гасіння буде знижена.

У поєднанні з вищезазначеними факторами низька температура може значно покращити продуктивність лазера. Зокрема, лазери з низькотемпературним охолодженням можуть отримати дуже високу вихідну потужність без теплових ефектів, тобто можна отримати гарну якість променя.

Одна проблема, яку слід враховувати, полягає в тому, що в кріоохолоджуваному лазерному кристалі смуга пропускання випромінюваного світла та поглиненого світла буде зменшена, тому діапазон налаштування довжини хвилі буде вужчим, а ширина лінії та стабільність довжини хвилі накачуваного лазера будуть суворішими. . Однак цей ефект зазвичай буває рідко.

Для кріогенного охолодження зазвичай використовується охолоджувач, наприклад рідкий азот або рідкий гелій, і в ідеалі холодоагент циркулює через трубку, прикріплену до лазерного кристала. Охолоджуюча рідина вчасно поповнюється або переробляється в замкнутому циклі. Щоб уникнути затвердіння, зазвичай необхідно помістити лазерний кристал у вакуумну камеру.

Концепція лазерних кристалів, що працюють при низьких температурах, також може бути застосована до підсилювачів. Титановий сапфір можна використовувати для виготовлення підсилювача позитивного зворотного зв'язку, середня вихідна потужність якого становить десятки ват.

Хоча пристрої кріогенного охолодження можуть ускладнюватилазерні системиБільш звичайні системи охолодження часто менш прості, а ефективність кріогенного охолодження дозволяє дещо зменшити складність.