Что такое криогенный лазер

Идея лазеров, работающих при низких температурах, не нова: второй лазер в истории был криогенным. Первоначально эту концепцию было трудно обеспечить для работы при комнатной температуре, и энтузиазм в отношении низкотемпературных работ начался в 1990-х годах с разработки мощных лазеров и усилителей.

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

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

Коэффициент термодиффузии также резко снижается. Это, вместе с уменьшением температурного градиента, приводит к уменьшению эффекта термического линзирования и, следовательно, к снижению вероятности разрушения под напряжением.

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

Увеличение сечения поглощения редкоземельных ионов происходит главным образом за счет уменьшения уширения, вызванного тепловым эффектом. Следовательно, мощность насыщения снижается, а коэффициент усиления лазера увеличивается. Следовательно, пороговая мощность накачки снижается, и при работе добротности можно получить более короткие импульсы. Увеличивая коэффициент пропускания выходного ответвителя, можно повысить эффективность наклона, поэтому эффект паразитных потерь в резонаторе становится менее важным.

Количество частиц общего низкого уровня квазидрёхуровневой усиливающей среды уменьшается, поэтому пороговая мощность накачки снижается, а энергетическая эффективность повышается. Например, Yb:YAG, излучающий свет с длиной волны 1030 нм, при комнатной температуре можно рассматривать как квазитрехуровневую систему, а при 77К — как четырехуровневую систему. Эр: То же самое справедливо и для YAG.

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

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

Одна из проблем, которую следует учитывать, заключается в том, что в криоохлажденном лазерном кристалле полоса пропускания излучаемого света и поглощаемого света будет уменьшена, поэтому диапазон настройки длины волны будет уже, а ширина линии и стабильность длины волны лазера с накачкой будут более строгими. . Однако этот эффект обычно встречается редко.

При криогенном охлаждении обычно используется хладагент, например жидкий азот или жидкий гелий, и в идеале хладагент циркулирует через трубку, прикрепленную к лазерному кристаллу. Охлаждающая жидкость своевременно пополняется или перерабатывается в замкнутом контуре. Чтобы избежать затвердевания, обычно необходимо поместить лазерный кристалл в вакуумную камеру.

Идея лазерных кристаллов, работающих при низких температурах, может быть применена и к усилителям. Титан-сапфир можно использовать для изготовления усилителя с положительной обратной связью, средняя выходная мощность которого исчисляется десятками ватт.

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