Què és un làser criogènic

El concepte de làsers que operen a baixes temperatures no és nou: el segon làser de la història era criogènic. Inicialment, el concepte era difícil d’aconseguir un funcionament de temperatura ambient i l’entusiasme pel treball de baixa temperatura va començar a la dècada de 1990 amb el desenvolupament de làsers i amplificadors d’alta potència.

A alta potènciaFonts làser, efectes tèrmics com la pèrdua de despolarització, les lents tèrmiques o la flexió de cristall làser poden afectar el rendiment delfont de llum. Mitjançant el refredament de baixa temperatura, es poden suprimir efectivament molts efectes tèrmics nocius, és a dir, el medi de guany ha de refredar -se a 77k o fins i tot 4K. L’efecte de refrigeració inclou principalment:

La conductivitat característica del medi de guany s’inhibeix molt, principalment perquè augmenta la via lliure mitjana de la corda. Com a resultat, el gradient de temperatura baixa dramàticament. Per exemple, quan la temperatura es baixa de 300K a 77K, la conductivitat tèrmica del cristall de YAG augmenta en un factor de set.

El coeficient de difusió tèrmica també disminueix bruscament. Això, juntament amb una reducció del gradient de temperatura, produeix un efecte reduït de lents tèrmics i, per tant, una probabilitat reduïda de ruptura d’estrès.

El coeficient termo-òptic també es redueix, reduint encara més l'efecte de la lent tèrmica.

L’augment de la secció d’absorció de l’ió de la Terra Rara es deu principalment a la disminució de l’ampliació causada per l’efecte tèrmic. Per tant, la potència de saturació es redueix i el guany làser augmenta. Per tant, es redueix la potència de la bomba llindar i es poden obtenir polsos més curts quan funciona el commutador Q. En augmentar la transmitància de l’acoblador de sortida, es pot millorar l’eficiència de la pendent, de manera que l’efecte de pèrdua de cavitat paràsit esdevé menys important.

Es redueix el nombre de partícules del nivell baix total del medi de guany quasi-tres nivells, de manera que es redueix la potència de bombament llindar i es millora l'eficiència de potència. Per exemple, YB: YAG, que produeix llum a 1030nm, es pot veure com un sistema quasi-tres nivells a temperatura ambient, però un sistema de quatre nivells a 77K. ER: El mateix passa per a YAG.

Depenent del medi de guany, es reduirà la intensitat d'alguns processos d'apagat.

Combinat amb els factors anteriors, el funcionament de baixa temperatura pot millorar molt el rendiment del làser. En particular, els làsers de refrigeració de baixa temperatura poden obtenir una potència de sortida molt elevada sense efectes tèrmics, és a dir, es pot obtenir una bona qualitat del feix.

Una de les qüestions a tenir en compte és que en un cristall làser criocool, l’ample de banda de la llum radiada i la llum absorbida es reduirà, de manera que el rang d’afinació de longitud d’ona serà més estreta i l’amplada de la línia i l’estabilitat de la longitud d’ona del làser bombat serà més estricta. Tot i això, aquest efecte sol ser rar.

El refredament criogènic sol utilitzar un refrigerant, com el nitrogen líquid o l’heli líquid, i idealment el refrigerant circula per un tub unit a un cristall làser. El refrigerant es retorna a temps o es recicla en un bucle tancat. Per tal d’evitar la solidificació, normalment és necessari col·locar el cristall làser en una cambra de buit.

El concepte de cristalls làser que operen a temperatures baixes també es pot aplicar als amplificadors. El safir de titani es pot utilitzar per fer un amplificador de retroalimentació positiva, la potència mitjana de sortida en desenes de watts.

Tot i que els dispositius de refrigeració criogènics poden complicar -sesistemes làser, els sistemes de refrigeració més habituals són sovint menys senzills i l'eficiència del refredament criogènic permet una reducció de la complexitat.