Cos'è un laser criogenico

Il concetto di laser che operano a basse temperature non è nuovo: il secondo laser nella storia era criogenico. Inizialmente, il concetto era difficile da ottenere un funzionamento a temperatura ambiente e l'entusiasmo per il lavoro a bassa temperatura è iniziato negli anni '90 con lo sviluppo di laser e amplificatori ad alta potenza.

In alta potenzafonti laser, Effetti termici come perdita di depolarizzazione, lente termica o flessione del cristallo laser possono influire sulle prestazioni delsorgente luminosa. Attraverso il raffreddamento a bassa temperatura, molti effetti termici dannosi possono essere effettivamente soppressi, ovvero il mezzo di guadagno deve essere raffreddato a 77K o addirittura 4K. L'effetto di raffreddamento include principalmente:

La conduttività caratteristica del mezzo di guadagno è notevolmente inibita, principalmente perché è aumentato il percorso libero medio della corda. Di conseguenza, il gradiente di temperatura diminuisce drasticamente. Ad esempio, quando la temperatura viene ridotta da 300k a 77k, la conduttività termica del cristallo YAG aumenta di un fattore di sette.

Anche il coefficiente di diffusione termica diminuisce nettamente. Questo, insieme a una riduzione del gradiente di temperatura, provoca un effetto di lente termico ridotto e quindi una ridotta probabilità di rottura dello stress.

Anche il coefficiente termo-ottico è ridotto, riducendo ulteriormente l'effetto dell'obiettivo termico.

L'aumento della sezione trasversale di assorbimento dello ione terrestre rare è principalmente dovuto alla diminuzione dell'ampliamento causato dall'effetto termico. Pertanto, la potenza di saturazione è ridotta e il guadagno laser è aumentato. Pertanto, la potenza della pompa di soglia viene ridotta e si possono ottenere impulsi più corti quando l'interruttore Q è in funzione. Aumentando la trasmittanza dell'accoppiatore di uscita, l'efficienza della pendenza può essere migliorata, quindi l'effetto di perdita di cavità parassita diventa meno importante.

Il numero di particelle del livello totale basso del mezzo di guadagno quasi tre di livello viene ridotto, quindi la potenza di pompaggio della soglia viene ridotta e l'efficienza energetica è migliorata. Ad esempio, YB: YAG, che produce luce a 1030nm, può essere visto come un sistema di livello quasi tre a temperatura ambiente, ma un sistema a quattro livelli a 77K. ER: Lo stesso vale per YAG.

A seconda del mezzo di guadagno, l'intensità di alcuni processi di tempra verrà ridotta.

In combinazione con i fattori di cui sopra, il funzionamento a bassa temperatura può migliorare notevolmente le prestazioni del laser. In particolare, i laser di raffreddamento a bassa temperatura possono ottenere una potenza di uscita molto elevata senza effetti termici, ovvero è possibile ottenere una buona qualità del raggio.

Un problema da considerare è che in un cristallo laser criocoole dal cristallo, la larghezza di banda della luce irradiata e la luce assorbita saranno ridotte, quindi l'intervallo di accordatura della lunghezza d'onda sarà più stretta e la larghezza della linea e la stabilità della lunghezza d'onda del laser pompata saranno più rigorose. Tuttavia, questo effetto è generalmente raro.

Il raffreddamento criogenico di solito utilizza un refrigerante, come azoto liquido o elio liquido, e idealmente il refrigerante circola attraverso un tubo attaccato a un cristallo laser. Il refrigerante viene reintegrato nel tempo o riciclato in un ciclo chiuso. Per evitare la solidificazione, di solito è necessario posizionare il cristallo laser in una camera di vuoto.

Il concetto di cristalli laser che operano a basse temperature può anche essere applicato agli amplificatori. Lo zaffiro in titanio può essere utilizzato per realizzare un amplificatore di feedback positivo, la potenza di uscita media in decine di watt.

Sebbene i dispositivi di raffreddamento criogenico possano complicaresistemi laser, I sistemi di raffreddamento più comuni sono spesso meno semplici e l'efficienza del raffreddamento criogenico consente una certa riduzione della complessità.