Cos'è un laser criogenico?

Il concetto di laser operanti a basse temperature non è nuovo: il secondo laser della storia era criogenico. Inizialmente, era difficile realizzare un funzionamento a temperatura ambiente, e l'interesse per le applicazioni a bassa temperatura è nato negli anni '90 con lo sviluppo di laser e amplificatori ad alta potenza.

Ad alta potenzasorgenti laser, gli effetti termici come la perdita di depolarizzazione, la lente termica o la flessione del cristallo laser possono influenzare le prestazioni delfonte luminosaGrazie al raffreddamento a bassa temperatura, è possibile sopprimere efficacemente molti effetti termici dannosi; ad esempio, il mezzo di guadagno deve essere raffreddato a 77 K o addirittura a 4 K. L'effetto di raffreddamento comprende principalmente:

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

Anche il coefficiente di diffusione termica diminuisce drasticamente. Questo, unitamente alla riduzione del gradiente di temperatura, determina una riduzione dell'effetto lente termica e quindi una minore probabilità di rottura per stress.

Anche il coefficiente termo-ottico risulta ridotto, diminuendo ulteriormente l'effetto lente termica.

L'aumento della sezione d'urto di assorbimento degli ioni di terre rare è dovuto principalmente alla diminuzione dell'allargamento causato dall'effetto termico. Pertanto, la potenza di saturazione si riduce e il guadagno del laser aumenta. Di conseguenza, la potenza di pompaggio di soglia si riduce e si possono ottenere impulsi più brevi quando il Q-switch è attivo. Aumentando la trasmittanza dell'accoppiatore di uscita, è possibile migliorare l'efficienza di pendenza, in modo che l'effetto di perdita della cavità parassita diventi meno rilevante.

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

A seconda del mezzo di guadagno, l'intensità di alcuni processi di spegnimento risulterà ridotta.

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

Un aspetto da considerare è che in un cristallo laser criogenico, la larghezza di banda della luce irradiata e della luce assorbita si riduce, quindi l'intervallo di sintonizzazione della lunghezza d'onda sarà più ristretto e la larghezza di riga e la stabilità della lunghezza d'onda del laser pompato saranno più stringenti. Tuttavia, questo effetto è solitamente raro.

Il raffreddamento criogenico utilizza in genere un refrigerante, come l'azoto liquido o l'elio liquido, e idealmente il refrigerante circola attraverso un tubo collegato a un cristallo laser. Il refrigerante viene reintegrato nel tempo o riciclato in un circuito chiuso. Per evitare la solidificazione, è solitamente necessario collocare il cristallo laser in una camera a vuoto.

Il concetto di cristalli laser operanti a basse temperature può essere applicato anche agli amplificatori. Il titanio zaffiro può essere utilizzato per realizzare amplificatori a retroazione positiva, con una potenza di uscita media di decine di watt.

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