¿Qué es un láser criogénico?

El concepto de láseres que operan a bajas temperaturas no es nuevo: el segundo láser de la historia fue criogénico. Inicialmente, era difícil lograr el funcionamiento a temperatura ambiente, y el entusiasmo por el trabajo a baja temperatura comenzó en la década de 1990 con el desarrollo de láseres y amplificadores de alta potencia.

En alta potenciafuentes láserLos efectos térmicos como la pérdida por despolarización, la flexión térmica de la lente o del cristal láser pueden afectar el rendimiento delfuente de luzMediante el enfriamiento a baja temperatura, se pueden suprimir eficazmente muchos efectos térmicos perjudiciales; es decir, el medio de ganancia debe enfriarse a 77 K o incluso 4 K. El efecto de enfriamiento incluye principalmente:

La conductividad característica del medio de ganancia se ve considerablemente reducida, principalmente porque aumenta el recorrido libre medio del cable. Como resultado, el gradiente de temperatura disminuye drásticamente. Por ejemplo, al bajar la temperatura de 300 K a 77 K, la conductividad térmica del cristal YAG se multiplica por siete.

El coeficiente de difusión térmica también disminuye drásticamente. Esto, junto con una reducción del gradiente de temperatura, resulta en un menor efecto de lente térmica y, por lo tanto, una menor probabilidad de rotura por tensión.

El coeficiente termoóptico también se reduce, disminuyendo aún más el efecto de lente térmica.

El aumento de la sección transversal de absorción de los iones de tierras raras se debe principalmente a la disminución del ensanchamiento causado por el efecto térmico. Por lo tanto, se reduce la potencia de saturación y se aumenta la ganancia del láser. Por consiguiente, se reduce la potencia de bombeo umbral y se pueden obtener pulsos más cortos cuando el interruptor Q está en funcionamiento. Al aumentar la transmitancia del acoplador de salida, se puede mejorar la eficiencia de la pendiente, reduciendo así la importancia del efecto de pérdida por cavidad parásita.

El número de partículas del nivel bajo total del medio de ganancia de cuasi-tres niveles se reduce, por lo que la potencia de bombeo umbral se reduce y la eficiencia energética mejora. Por ejemplo, el Yb:YAG, que produce luz a 1030 nm, puede considerarse un sistema de cuasi-tres niveles a temperatura ambiente, pero un sistema de cuatro niveles a 77 K. Esto mismo ocurre con el YAG.

Dependiendo del medio de ganancia, se reducirá la intensidad de algunos procesos de extinción.

En combinación con los factores mencionados, el funcionamiento a baja temperatura puede mejorar considerablemente el rendimiento del láser. En particular, los láseres de refrigeración a baja temperatura pueden alcanzar una potencia de salida muy alta sin efectos térmicos, lo que se traduce en una buena calidad del haz.

Un aspecto a considerar es que, en un cristal láser crioenfriado, el ancho de banda de la luz radiada y la luz absorbida se reduce, por lo que el rango de sintonización de la longitud de onda será más estrecho, y el ancho de línea y la estabilidad de la longitud de onda del láser bombeado serán más rigurosos. Sin embargo, este efecto suele ser poco frecuente.

El enfriamiento criogénico suele utilizar un refrigerante, como nitrógeno líquido o helio líquido, que idealmente circula por un tubo conectado a un cristal láser. El refrigerante se repone a tiempo o se recicla en un circuito cerrado. Para evitar la solidificación, suele ser necesario colocar el cristal láser en una cámara de vacío.

El concepto de cristales láser que operan a bajas temperaturas también se puede aplicar a los amplificadores. El zafiro de titanio se puede utilizar para fabricar amplificadores con retroalimentación positiva, cuya potencia de salida promedio se expresa en decenas de vatios.

Aunque los dispositivos de enfriamiento criogénico pueden complicarsistemas láserLos sistemas de enfriamiento más comunes suelen ser menos simples y la eficiencia del enfriamiento criogénico permite cierta reducción en la complejidad.