Cos'è un laser criogenico

Il concetto di laser operanti a basse temperature non è nuovo: il secondo laser della storia era criogenico. Inizialmente, il concetto era difficile da ottenere per il 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.

Ad alta potenzasorgenti laser, effetti termici come la perdita di depolarizzazione, la lente termica o la piegatura del cristallo del laser possono influenzare le prestazioni delfonte di luce. Attraverso il raffreddamento a bassa temperatura, molti effetti termici dannosi possono essere efficacemente soppressi, ovvero il mezzo di guadagno deve essere raffreddato a 77K o addirittura 4K. L'effetto di raffreddamento comprende principalmente:

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

Anche il coefficiente di diffusione termica diminuisce drasticamente. Ciò, insieme ad una riduzione del gradiente di temperatura, si traduce in un ridotto effetto di lente termica e quindi in una ridotta probabilità di rottura da stress.

Viene ridotto anche il coefficiente termo-ottico, riducendo ulteriormente l'effetto lente termica.

L'aumento della sezione trasversale di assorbimento degli ioni delle terre rare è dovuto principalmente alla diminuzione dell'allargamento causato dall'effetto termico. Pertanto, la potenza di saturazione viene ridotta e il guadagno del laser aumenta. Pertanto, la potenza della pompa di soglia viene ridotta e si possono ottenere impulsi più brevi 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 della cavità parassita diventa meno importante.

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 viene ridotta e l'efficienza energetica viene migliorata. Ad esempio, 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 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 sopra indicati, il funzionamento a bassa temperatura può migliorare notevolmente le prestazioni del laser. In particolare, i laser con raffreddamento a bassa temperatura possono ottenere potenze di uscita molto elevate senza effetti termici, ovvero si può ottenere una buona qualità del raggio.

Un problema da considerare è che in un cristallo laser criorefrigerato, la larghezza di banda della luce irradiata e della luce assorbita sarà ridotta, quindi l'intervallo di regolazione della lunghezza d'onda sarà più ristretto e la larghezza della 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, e idealmente il refrigerante circola attraverso un tubo collegato a un cristallo laser. Il liquido refrigerante viene rifornito in tempo o riciclato in un circuito chiuso. Per evitare la solidificazione, di solito è necessario posizionare il cristallo laser in una camera a vuoto.

Il concetto dei cristalli laser funzionanti a basse temperature può essere applicato anche agli amplificatori. Lo zaffiro al titanio può essere utilizzato per realizzare un amplificatore a 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.