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 un funcionament 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 gran 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 llum. Mitjançant la refrigeració a baixa temperatura, molts efectes tèrmics nocius es poden suprimir eficaçment, és a dir, el mitjà de guany s'ha de refredar a 77K o fins i tot 4K. L'efecte de refredament inclou principalment:

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

El coeficient de difusió tèrmica també disminueix bruscament. Això, juntament amb una reducció del gradient de temperatura, es tradueix en un efecte de lents tèrmiques reduït i, per tant, una probabilitat reduïda de ruptura per estrès.

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

L'augment de la secció transversal d'absorció d'ions de terres rares es deu principalment a la disminució de l'ampliació causada per l'efecte tèrmic. Per tant, es redueix la potència de saturació i augmenta el guany del làser. Per tant, la potència llindar de la bomba 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 cavitat paràsitca es torna menys important.

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

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

Combinat amb els factors anteriors, el funcionament a baixa temperatura pot millorar considerablement el rendiment del làser. En particular, els làsers de refrigeració 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.

Una qüestió 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 de sintonització de la longitud d'ona serà més estret i l'amplada de línia i l'estabilitat de la longitud d'ona del làser bombejat serà més estricte. . Tanmateix, aquest efecte sol ser rar.

La refrigeració criogènica sol utilitzar un refrigerant, com ara nitrogen líquid o heli líquid, i idealment el refrigerant circula per un tub connectat a un cristall làser. El refrigerant es reomple 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 un amplificador de retroalimentació positiva, la potència de sortida mitjana en desenes de watts.

Tot i que els dispositius de refrigeració criogènic poden complicar-sesistemes làser, els sistemes de refrigeració més comuns solen ser menys simples, i l'eficiència del refredament criogènic permet una certa reducció de la complexitat.