Che cosa 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 il concetto a temperatura ambiente, e l'entusiasmo per le ricerche a bassa temperatura è iniziato negli anni '90 con lo sviluppo di laser e amplificatori ad alta potenza.

In 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 di luceGrazie al raffreddamento a bassa temperatura, molti effetti termici dannosi possono essere efficacemente soppressi, ovvero il mezzo di guadagno deve essere raffreddato a 77 K o addirittura 4 K. L'effetto di raffreddamento include principalmente:

La conduttività caratteristica del mezzo di guadagno viene notevolmente inibita, principalmente perché il cammino libero medio della corda aumenta. 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, insieme a una riduzione del gradiente di temperatura, si traduce in un effetto di lente termica ridotto e quindi in una minore probabilità di rottura per stress.

Anche il coefficiente termo-ottico viene ridotto, attenuando ulteriormente l'effetto lente termica.

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

Il numero di particelle del livello basso totale del mezzo di guadagno quasi a tre livelli viene ridotto, riducendo così la potenza di pompaggio di soglia e migliorando l'efficienza energetica. Ad esempio, lo Yb:YAG, che produce luce a 1030 nm, può essere visto come un sistema quasi a tre livelli a temperatura ambiente, ma come un sistema a quattro livelli a 77 K. Ehm: lo stesso vale per lo YAG.

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

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

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

Il raffreddamento criogenico utilizza solitamente un refrigerante, come azoto liquido o elio liquido, che idealmente circola attraverso un tubo collegato a un cristallo laser. Il refrigerante viene rifornito in tempo utile o riciclato in un circuito chiuso. Per evitare la solidificazione, è solitamente necessario posizionare il cristallo laser in una camera a vuoto.

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

Sebbene i dispositivi di raffreddamento criogenici 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.