¿Qué es un láser criogénico?

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

En alto poderfuentes láser, los efectos térmicos como la pérdida de despolarización, la lente térmica o la flexión del cristal láser pueden afectar el rendimiento delfuente de luz. A través del enfriamiento a baja temperatura, muchos efectos térmicos nocivos pueden suprimirse de manera efectiva, es decir, el medio de ganancia debe enfriarse a 77k o incluso 4K. El efecto de enfriamiento incluye principalmente:

La conductividad característica del medio de ganancia se inhibe en gran medida, principalmente porque se incrementa la ruta libre media de la cuerda. Como resultado, el gradiente de temperatura cae dramáticamente. Por ejemplo, cuando la temperatura se reduce de 300k a 77k, la conductividad térmica del cristal YAG aumenta en un factor de siete.

El coeficiente de difusión térmica también disminuye bruscamente. Esto, junto con una reducción en el gradiente de temperatura, da como resultado un efecto de lente térmica reducido y, por lo tanto, una probabilidad reducida de ruptura de estrés.

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

El aumento de la sección transversal de absorción de iones de tierras raras se debe principalmente a la disminución de la ampliación causada por el efecto térmico. Por lo tanto, la potencia de saturación se reduce y la ganancia del láser aumenta. Por lo tanto, la potencia de la bomba umbral se reduce y se pueden obtener pulsos más cortos cuando el interruptor Q está funcionando. Al aumentar la transmitancia del acoplador de salida, la eficiencia de la pendiente se puede mejorar, por lo que el efecto de pérdida de cavidad parasitaria se vuelve menos importante.

El número de partículas del nivel bajo total del medio de ganancia cuasi-tres niveles se reduce, por lo que se reduce la potencia de bombeo umbral y se mejora la eficiencia de energía. Por ejemplo, YB: YAG, que produce luz a 1030 nm, puede verse como un sistema cuasi-tres niveles a temperatura ambiente, pero un sistema de cuatro niveles a 77k. ER: Lo mismo es cierto para YAG.

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

Combinado con los factores anteriores, la operación de baja temperatura puede mejorar en gran medida el rendimiento del láser. En particular, los láseres de enfriamiento de baja temperatura pueden obtener una potencia de salida muy alta sin efectos térmicos, es decir, se puede obtener una buena calidad del haz.

Un problema a tener en cuenta es que en un cristal láser crioolado, el ancho de banda de la luz radiada y la luz absorbida se reducirán, por lo que el rango de sintonización de longitud de onda será más estrecho, y la estabilidad de la longitud de onda del láser bombeada será más estricta. Sin embargo, este efecto suele ser raro.

El enfriamiento criogénico generalmente usa un refrigerante, como nitrógeno líquido o helio líquido, e idealmente el refrigerante circula a través de un tubo unido a un cristal láser. El refrigerante se repone en el tiempo o se recicla en un circuito cerrado. Para evitar la solidificación, generalmente es necesario colocar el cristal láser en una cámara de vacío.

El concepto de cristales láser que funcionan a bajas temperaturas también se puede aplicar a los amplificadores. El zafiro de titanio se puede usar para hacer un amplificador de retroalimentación positiva, la potencia de salida promedio en decenas de vatios.

Aunque los dispositivos de enfriamiento criogénico pueden complicarsistemas láserLos sistemas de enfriamiento más comunes a menudo son menos simples, y la eficiencia del enfriamiento criogénico permite una reducción de la complejidad.