¿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, resultaba difícil lograr su funcionamiento a temperatura ambiente, y el interés por trabajar a 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 al rendimiento delfuente de luzMediante la refrigeración a baja temperatura, se pueden suprimir eficazmente muchos efectos térmicos perjudiciales; es decir, el medio de ganancia necesita enfriarse a 77 K o incluso a 4 K. El efecto de refrigeración incluye principalmente:

La conductividad característica del medio activo se ve considerablemente reducida, principalmente debido al aumento del recorrido libre medio del cable. Como consecuencia, el gradiente de temperatura disminuye drásticamente. Por ejemplo, al reducir la temperatura de 300 K a 77 K, la conductividad térmica del cristal 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 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 del ion de tierras raras se debe principalmente a la disminución del ensanchamiento causado por el efecto térmico. Por consiguiente, se reduce la potencia de saturación y aumenta la ganancia del láser. En consecuencia, 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 mejora 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-tri-nivel, lo que disminuye la potencia de bombeo umbral y mejora la eficiencia energética. Por ejemplo, el Yb:YAG, que emite luz a 1030 nm, se comporta como un sistema cuasi-tri-nivel a temperatura ambiente, pero como 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 con refrigeración a baja temperatura pueden obtener una potencia de salida muy alta sin efectos térmicos, lo que permite obtener una buena calidad del haz.

Un aspecto a considerar es que, en un cristal láser criogénico, el ancho de banda de la luz radiada y absorbida se reduce, lo que disminuye el rango de sintonización de la longitud de onda y exige una mayor estabilidad del ancho de línea y la longitud de onda del láser bombeado. 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 puede aplicarse a los amplificadores. El zafiro de titanio puede utilizarse para fabricar un amplificador de realimentación positiva, con una potencia de salida media del orden 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.