O que é um laser criogênico

O conceito de lasers operando em baixas temperaturas não é novo: o segundo laser da história foi criogênico. Inicialmente, o conceito era difícil de alcançar a operação em temperatura ambiente, e o entusiasmo pelo trabalho em baixa temperatura começou na década de 1990 com o desenvolvimento de lasers e amplificadores de alta potência.

Em alta potênciafontes de laser, efeitos térmicos como perda de despolarização, lente térmica ou curvatura de cristal de laser podem afetar o desempenho dofonte de luz. Através do resfriamento a baixa temperatura, muitos efeitos térmicos prejudiciais podem ser efetivamente suprimidos, ou seja, o meio de ganho precisa ser resfriado para 77K ou até 4K. O efeito de resfriamento inclui principalmente:

A condutividade característica do meio de ganho é bastante inibida, principalmente porque o caminho livre médio do cabo é aumentado. Como resultado, o gradiente de temperatura cai drasticamente. Por exemplo, quando a temperatura é reduzida de 300K para 77K, a condutividade térmica do cristal YAG aumenta por um fator de sete.

O coeficiente de difusão térmica também diminui acentuadamente. Isto, juntamente com uma redução no gradiente de temperatura, resulta num efeito de lente térmica reduzido e, portanto, numa probabilidade reduzida de ruptura por tensão.

O coeficiente termo-óptico também é reduzido, reduzindo ainda mais o efeito de lente térmica.

O aumento da seção transversal de absorção do íon de terras raras se deve principalmente à diminuição do alargamento causado pelo efeito térmico. Portanto, o poder de saturação é reduzido e o ganho do laser é aumentado. Portanto, a potência limite da bomba é reduzida e pulsos mais curtos podem ser obtidos quando a chave Q está operando. Ao aumentar a transmitância do acoplador de saída, a eficiência do declive pode ser melhorada, de modo que o efeito de perda de cavidade parasita se torna menos importante.

O número de partículas do nível baixo total do meio de ganho de quase três níveis é reduzido, de modo que a potência de bombeamento limite é reduzida e a eficiência energética é melhorada. Por exemplo, Yb:YAG, que produz luz a 1030nm, pode ser visto como um sistema de quase três níveis à temperatura ambiente, mas um sistema de quatro níveis a 77K. Er: O mesmo se aplica ao YAG.

Dependendo do meio de ganho, a intensidade de alguns processos de têmpera será reduzida.

Combinado com os fatores acima, a operação em baixa temperatura pode melhorar muito o desempenho do laser. Em particular, os lasers de resfriamento de baixa temperatura podem obter uma potência de saída muito alta sem efeitos térmicos, ou seja, pode ser obtida uma boa qualidade de feixe.

Uma questão a considerar é que em um cristal de laser crio-resfriado, a largura de banda da luz irradiada e da luz absorvida será reduzida, de modo que a faixa de ajuste do comprimento de onda será mais estreita e a largura da linha e a estabilidade do comprimento de onda do laser bombeado serão mais rigorosas. . No entanto, esse efeito geralmente é raro.

O resfriamento criogênico geralmente usa um refrigerante, como nitrogênio líquido ou hélio líquido, e idealmente o refrigerante circula através de um tubo conectado a um cristal de laser. O líquido refrigerante é reabastecido a tempo ou reciclado em circuito fechado. Para evitar a solidificação, normalmente é necessário colocar o cristal do laser em uma câmara de vácuo.

O conceito de cristais de laser operando em baixas temperaturas também pode ser aplicado a amplificadores. Safira de titânio pode ser usada para fazer amplificador de feedback positivo, a potência média de saída em dezenas de watts.

Embora os dispositivos de resfriamento criogênico possam complicarsistemas laser, os sistemas de resfriamento mais comuns costumam ser menos simples e a eficiência do resfriamento criogênico permite alguma redução na complexidade.