¿Qué es un láser criogénico?

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

En alta potenciafuentes 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. Mediante el enfriamiento a baja temperatura, se pueden suprimir eficazmente muchos efectos térmicos dañinos, es decir, el medio de ganancia debe enfriarse a 77K o incluso 4K. El efecto refrescante incluye principalmente:

La conductividad característica del medio de ganancia se inhibe en gran medida, principalmente porque aumenta el recorrido libre medio del cable. Como resultado, el gradiente de temperatura cae drásticamente. Por ejemplo, cuando la temperatura desciende de 300 K a 77 K, la conductividad térmica del cristal YAG aumenta en un factor de siete.

El coeficiente de difusión térmica también disminuye drásticamente. 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 por tensión.

El coeficiente termoóptico también se reduce, lo que reduce 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 tanto, se reduce el poder de saturación y se aumenta la ganancia del láser. Por lo tanto, el umbral de potencia de la bomba se reduce y se pueden obtener impulsos más cortos cuando el interruptor Q está funcionando. Al aumentar la transmitancia del acoplador de salida, se puede mejorar la eficiencia de la pendiente, por lo que el efecto de pérdida de cavidad parásita se vuelve menos importante.

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

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

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

Una cuestión a considerar es que en un cristal láser crioenfriado, el ancho de banda de la luz irradiada y la luz absorbida se reducirán, 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 estrictos. . Sin embargo, este efecto suele ser raro.

El enfriamiento criogénico generalmente utiliza un refrigerante, como nitrógeno líquido o helio líquido, e idealmente el refrigerante circula a través de un tubo conectado a un cristal láser. El refrigerante se repone a tiempo 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 funcionan a bajas temperaturas también se puede aplicar a los amplificadores. El zafiro de titanio se puede utilizar para fabricar un amplificador de retroalimentación positiva, con una potencia de salida promedio de decenas de vatios.

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