Какво е криогенен лазер

Концепцията за лазери, работещи при ниски температури, не е нова: вторият лазер в историята беше криогенен. Първоначално концепцията беше трудна за постигане на работа при стайна температура и ентусиазмът за работа при ниски температури започна през 90-те години с разработването на високомощни лазери и усилватели.

При висока мощностлазерни източници, термичните ефекти като загуба на деполяризация, термична леща или огъване на лазерни кристали могат да повлияят на работата наизточник на светлина. Чрез нискотемпературно охлаждане много вредни топлинни ефекти могат да бъдат ефективно потиснати, тоест усилващата среда трябва да бъде охладена до 77K или дори 4K. Охлаждащият ефект включва главно:

Характеристичната проводимост на усилващата среда е силно инхибирана, главно защото средният свободен път на въжето се увеличава. В резултат на това температурният градиент пада драстично. Например, когато температурата се понижи от 300K на 77K, топлопроводимостта на YAG кристала се увеличава седемкратно.

Коефициентът на термична дифузия също намалява рязко. Това, заедно с намаляването на температурния градиент, води до намален ефект на термична леща и следователно до намалена вероятност от разкъсване под напрежение.

Термооптичният коефициент също е намален, което допълнително намалява ефекта на термичната леща.

Увеличаването на напречното сечение на абсорбция на редкоземен йон се дължи главно на намаляването на разширяването, причинено от топлинния ефект. Поради това мощността на насищане се намалява и усилването на лазера се увеличава. Поради това праговата мощност на помпата е намалена и могат да се получат по-къси импулси, когато превключвателят Q работи. Чрез увеличаване на пропускливостта на изходния съединител, ефективността на наклона може да бъде подобрена, така че ефектът на загуба на паразитна кухина става по-малко важен.

Броят на частиците на общото ниско ниво на усилващата среда с квази-три нива е намален, така че праговата мощност на изпомпване е намалена и енергийната ефективност е подобрена. Например Yb:YAG, който произвежда светлина при 1030nm, може да се разглежда като квази-тристепенна система при стайна температура, но като система от четири нива при 77K. Er: Същото важи и за YAG.

В зависимост от усилващата среда, интензивността на някои процеси на охлаждане ще бъде намалена.

В комбинация с горните фактори, работата при ниска температура може значително да подобри работата на лазера. По-специално, нискотемпературните охлаждащи лазери могат да получат много висока изходна мощност без термични ефекти, тоест може да се получи добро качество на лъча.

Един проблем, който трябва да се има предвид, е, че в криоохлаждащ лазерен кристал, честотната лента на излъчената светлина и абсорбираната светлина ще бъде намалена, така че диапазонът за настройка на дължината на вълната ще бъде по-тесен, а стабилността на ширината на линията и дължината на вълната на изпомпвания лазер ще бъде по-строга . Този ефект обаче обикновено е рядък.

Криогенното охлаждане обикновено използва охлаждаща течност, като течен азот или течен хелий, и в идеалния случай хладилният агент циркулира през тръба, прикрепена към лазерен кристал. Охлаждащата течност се попълва навреме или се рециклира в затворен цикъл. За да се избегне втвърдяването, обикновено е необходимо лазерният кристал да се постави във вакуумна камера.

Концепцията за лазерни кристали, работещи при ниски температури, може да се приложи и към усилватели. Титановият сапфир може да се използва за създаване на усилвател с положителна обратна връзка, средната изходна мощност в десетки вата.

Въпреки че криогенните охлаждащи устройства могат да усложнятлазерни системи, по-често срещаните системи за охлаждане често не са толкова прости, а ефективността на криогенното охлаждане позволява известно намаляване на сложността.