Что такое криогенный лазер

Концепция лазеров, работающих при низких температурах, не нова: второй лазер в истории был криогенным. Изначально концепция была труднодостижима для работы при комнатной температуре, и энтузиазм по поводу низкотемпературных работ начался в 1990-х годах с разработкой мощных лазеров и усилителей.

В большой мощностилазерные источникитепловые эффекты, такие как потеря деполяризации, тепловая линза или изгиб лазерного кристалла, могут повлиять на производительностьисточник света. Благодаря низкотемпературному охлаждению можно эффективно подавить многие вредные тепловые эффекты, то есть среду усиления необходимо охладить до 77К или даже 4К. Охлаждающий эффект в основном включает:

Характерная проводимость среды усиления значительно подавляется, в основном из-за увеличения длины свободного пробега веревки. В результате градиент температуры резко падает. Например, при понижении температуры с 300К до 77К теплопроводность кристалла YAG увеличивается в семь раз.

Коэффициент термодиффузии также резко уменьшается. Это, вместе с уменьшением градиента температуры, приводит к уменьшению эффекта термолинзирования и, следовательно, к уменьшению вероятности разрыва под действием напряжения.

Термооптический коэффициент также снижается, что еще больше снижает эффект тепловой линзы.

Увеличение сечения поглощения редкоземельного иона в основном обусловлено уменьшением уширения, вызванного тепловым эффектом. Следовательно, мощность насыщения уменьшается, а коэффициент усиления лазера увеличивается. Следовательно, пороговая мощность накачки уменьшается, и при работе переключателя добротности можно получить более короткие импульсы. Увеличивая коэффициент пропускания выходного соединителя, можно улучшить эффективность наклона, поэтому эффект паразитных потерь в резонаторе становится менее важным.

Число частиц общего нижнего уровня квазитрехуровневой усиливающей среды уменьшается, поэтому пороговая мощность накачки уменьшается, а эффективность мощности повышается. Например, Yb:YAG, который производит свет на 1030 нм, можно рассматривать как квазитрехуровневую систему при комнатной температуре, но как четырехуровневую систему при 77 К. Er: То же самое верно для YAG.

В зависимости от среды усиления интенсивность некоторых процессов гашения будет снижаться.

В сочетании с вышеуказанными факторами низкотемпературная эксплуатация может значительно улучшить производительность лазера. В частности, низкотемпературные охлаждающие лазеры могут получить очень высокую выходную мощность без тепловых эффектов, то есть может быть получено хорошее качество луча.

Один из вопросов, который следует учитывать, заключается в том, что в криоохлажденном лазерном кристалле ширина полосы пропускания излучаемого света и поглощаемого света будет уменьшена, поэтому диапазон настройки длины волны будет уже, а ширина линии и стабильность длины волны накачиваемого лазера будут более строгими. Однако этот эффект обычно встречается редко.

Криогенное охлаждение обычно использует хладагент, такой как жидкий азот или жидкий гелий, и в идеале хладагент циркулирует по трубке, прикрепленной к лазерному кристаллу. Хладагент пополняется со временем или рециркулируется в замкнутом контуре. Чтобы избежать затвердевания, обычно необходимо поместить лазерный кристалл в вакуумную камеру.

Концепция лазерных кристаллов, работающих при низких температурах, может быть применена и к усилителям. Титан-сапфир может быть использован для изготовления усилителя с положительной обратной связью, средняя выходная мощность составляет десятки ватт.

Хотя криогенные охлаждающие устройства могут усложнитьлазерные системыБолее распространенные системы охлаждения зачастую менее просты, а эффективность криогенного охлаждения позволяет несколько снизить сложность.