¿Qué es un láser criogénico?

El concepto de láseres que operan a bajas temperaturas no es nuevo: el segundo láser de la historia era criogénico. Inicialmente, lograr que funcionaran a temperatura ambiente resultaba complicado, y el interés por trabajar con bajas temperaturas surgió 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 lente térmica o la flexión del cristal láser, pueden afectar el rendimiento del dispositivo.fuente de luzMediante el enfriamiento a baja temperatura, se pueden suprimir eficazmente muchos efectos térmicos dañinos; es decir, el medio de ganancia debe enfriarse a 77 K o incluso a 4 K. El efecto de enfriamiento incluye principalmente:

La conductividad característica del medio de ganancia se ve considerablemente reducida, principalmente debido al aumento del 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 de YAG aumenta siete veces.

El coeficiente de difusión térmica también disminuye drásticamente. Esto, junto con una reducción del gradiente de temperatura, da como resultado un efecto de lente térmica reducido y, por lo tanto, una menor probabilidad de ruptura 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, la potencia de saturación se reduce y la ganancia del láser aumenta. En consecuencia, la potencia de bombeo umbral disminuye y se pueden obtener pulsos más cortos cuando el conmutador Q está en funcionamiento. Al aumentar la transmitancia del acoplador de salida, se puede mejorar la eficiencia de pendiente, por lo que el efecto de pérdida parásita de la cavidad se vuelve menos importante.

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

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

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

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

La refrigeración criogénica suele emplear un refrigerante, como nitrógeno líquido o helio líquido, que idealmente circula por un tubo conectado al cristal láser. El refrigerante se repone periódicamente o se recicla en un circuito cerrado. Para evitar la solidificación, normalmente es 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 de retroalimentación positiva, con una potencia de salida promedio de decenas de vatios.

Aunque los dispositivos de refrigeración criogénica pueden complicarsistemas láserLos sistemas de refrigeración más comunes suelen ser menos sencillos, y la eficiencia de la refrigeración criogénica permite cierta reducción de la complejidad.