Что такое криогенный лазер?

Концепция лазеров, работающих при низких температурах, не нова: второй лазер в истории был криогенным. Изначально реализация этой концепции была затруднена, и интерес к работе с низкими температурами начался в 1990-х годах с разработкой мощных лазеров и усилителей.

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

Характеристическая проводимость активной среды значительно снижается, главным образом из-за увеличения длины свободного пробега шнура. В результате градиент температуры резко снижается. Например, при понижении температуры с 300 К до 77 К теплопроводность кристалла YAG увеличивается в семь раз.

Коэффициент термодиффузии также резко снижается. Это, наряду со снижением температурного градиента, приводит к уменьшению эффекта термолинзы и, следовательно, к снижению вероятности разрушения под действием напряжений.

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

Увеличение сечения поглощения редкоземельных ионов обусловлено главным образом уменьшением уширения, вызванного тепловым эффектом. Следовательно, мощность насыщения снижается, а коэффициент усиления лазера увеличивается. Следовательно, пороговая мощность накачки снижается, и при работе модулятора добротности можно получить более короткие импульсы. Увеличение коэффициента пропускания выходного ответвителя позволяет улучшить дифференциальную эффективность, что снижает влияние паразитных потерь в резонаторе.

Число частиц на нижнем уровне квазитрёхуровневой среды усиления уменьшается, что снижает пороговую мощность накачки и повышает эффективность. Например, Yb:YAG, излучающий свет с длиной волны 1030 нм, можно рассматривать как квазитрёхуровневую систему при комнатной температуре, но как четырёхуровневую при 77 К. Эр: То же самое справедливо и для YAG.

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

В сочетании с вышеперечисленными факторами, работа при низких температурах может значительно улучшить характеристики лазера. В частности, низкотемпературные охлаждающие лазеры позволяют получать очень высокую выходную мощность без термических эффектов, то есть обеспечивать хорошее качество луча.

Следует учитывать, что в криоохлаждённом лазерном кристалле сужается полоса пропускания излучаемого и поглощаемого света, что приводит к сужению диапазона перестройки длины волны, а также к повышению ширины линии и стабильности длины волны накачиваемого лазера. Однако этот эффект обычно встречается редко.

Криогенное охлаждение обычно использует хладагент, например, жидкий азот или жидкий гелий. В идеале хладагент циркулирует по трубке, соединённой с лазерным кристаллом. Хладагент периодически пополняется или циркулирует в замкнутом контуре. Чтобы избежать затвердевания, лазерный кристалл обычно необходимо поместить в вакуумную камеру.

Концепция лазерных кристаллов, работающих при низких температурах, может быть применена и в усилителях. Титан-сапфир может быть использован для создания усилителей с положительной обратной связью, средняя выходная мощность которых составляет десятки ватт.

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