Què és un làser criogènic

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

En alta potènciafonts làser, els efectes tèrmics com la pèrdua de despolarització, la lent tèrmica o la flexió del cristall làser poden afectar el rendiment delfont de llumMitjançant el refredament a baixa temperatura, es poden suprimir eficaçment molts efectes tèrmics nocius, és a dir, cal refredar el medi de guany a 77K o fins i tot 4K. L'efecte de refredament inclou principalment:

La conductivitat característica del medi de guany es veu molt inhibida, principalment perquè augmenta el recorregut lliure mitjà de la corda. Com a resultat, el gradient de temperatura disminueix dràsticament. Per exemple, quan la temperatura es redueix de 300 K a 77 K, la conductivitat tèrmica del cristall YAG augmenta per un factor de set.

El coeficient de difusió tèrmica també disminueix dràsticament. Això, juntament amb una reducció del gradient de temperatura, resulta en un efecte de lent tèrmica reduït i, per tant, una probabilitat reduïda de ruptura per esforços.

El coeficient termoòptic també es redueix, cosa que redueix encara més l'efecte de lent tèrmica.

L'augment de la secció transversal d'absorció dels ions de terres rares es deu principalment a la disminució de l'eixamplament causat per l'efecte tèrmic. Per tant, la potència de saturació es redueix i el guany del làser augmenta. Per tant, la potència de bombament llindar es redueix i es poden obtenir polsos més curts quan l'interruptor Q està en funcionament. En augmentar la transmitància de l'acoblador de sortida, es pot millorar l'eficiència del pendent, de manera que l'efecte de pèrdua de la cavitat paràsita esdevé menys important.

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

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

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

Un aspecte a tenir en compte és que, en un cristall làser criorefrigerat, l'amplada de banda de la llum radiada i la llum absorbida es reduiran, de manera que el rang d'afinació de la longitud d'ona serà més estret, i l'amplada de línia i l'estabilitat de la longitud d'ona del làser bombat seran més estrictes. Tanmateix, aquest efecte sol ser rar.

El refredament criogènic sol utilitzar un refrigerant, com ara nitrogen líquid o heli líquid, i idealment el refrigerant circula a través d'un tub connectat a un cristall làser. El refrigerant es reposa a temps o es recicla en un circuit tancat. Per evitar la solidificació, normalment cal col·locar el cristall làser en una cambra de buit.

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

Tot i que els dispositius de refrigeració criogènica poden complicarsistemes làser, els sistemes de refrigeració més comuns sovint són menys simples, i l'eficiència del refredament criogènic permet una certa reducció de la complexitat.