Что такое криогенный лазер?

Концепция лазеров, работающих при низких температурах, не нова: второй лазер в истории был криогенным. Первоначально было сложно реализовать эту концепцию при комнатной температуре, а энтузиазм в отношении работы при низких температурах возник в 1990-х годах с разработкой мощных лазеров и усилителей.

В высокой мощностилазерные источникиТепловые эффекты, такие как потери на деполяризацию, тепловая линза или изгиб лазерного кристалла, могут влиять на производительность устройства.источник светаБлагодаря низкотемпературному охлаждению можно эффективно подавить многие вредные тепловые эффекты, то есть активную среду необходимо охладить до 77 К или даже 4 К. Эффект охлаждения в основном включает в себя:

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

Коэффициент тепловой диффузии также резко снижается. Это, наряду с уменьшением температурного градиента, приводит к снижению эффекта тепловой линзы и, следовательно, к снижению вероятности разрушения под напряжением.

Также снижается термооптический коэффициент, что еще больше уменьшает эффект тепловой линзы.

Увеличение сечения поглощения ионов редкоземельных элементов в основном обусловлено уменьшением уширения, вызванного тепловым эффектом. Следовательно, мощность насыщения снижается, а усиление лазера увеличивается. Таким образом, пороговая мощность накачки уменьшается, и при работе Q-переключателя можно получить более короткие импульсы. За счет увеличения пропускания выходного зеркала можно повысить эффективность преобразования, поэтому паразитные потери в резонаторе становятся менее значительными.

Число частиц на всех низких уровнях квазитрехуровневой активной среды уменьшается, поэтому пороговая мощность накачки снижается, а энергетическая эффективность повышается. Например, Yb:YAG, излучающий свет на длине волны 1030 нм, при комнатной температуре можно рассматривать как квазитрехуровневую систему, а при 77 К — как четырехуровневую. То же самое справедливо и для YAG.

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

В сочетании с вышеуказанными факторами, работа при низких температурах может значительно улучшить характеристики лазера. В частности, лазеры с низкотемпературным охлаждением могут получать очень высокую выходную мощность без тепловых эффектов, то есть, обеспечивать хорошее качество луча.

Следует учитывать, что в криоохлажденном лазерном кристалле ширина полосы пропускания излучаемого и поглощаемого света уменьшается, поэтому диапазон перестройки длины волны сужается, а требования к ширине линии и стабильности длины волны накачивающего лазера становятся более жесткими. 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, присоединенной к лазерному кристаллу. Хладагент пополняется со временем или рециркулируется в замкнутом цикле. 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 можно использовать для создания усилителя с положительной обратной связью, средняя выходная мощность которого составляет десятки ватт.

Хотя криогенные охлаждающие устройства могут создавать сложности.лазерные системыБолее распространенные системы охлаждения зачастую менее просты, и эффективность криогенного охлаждения позволяет несколько снизить их сложность.