O que é um laser criogênico

O conceito de lasers que operam a baixas temperaturas não é novo: o segundo laser na história era criogênico. Inicialmente, o conceito era difícil de obter operação de temperatura ambiente, e o entusiasmo pelo trabalho de baixa temperatura começou nos anos 90 com o desenvolvimento de lasers e amplificadores de alta potência.

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

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

O coeficiente de difusão térmica também diminui acentuadamente. Isso, juntamente com uma redução no gradiente de temperatura, resulta em um efeito de lente térmica reduzida e, portanto, em uma probabilidade reduzida de ruptura do estresse.

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

O aumento da seção transversal de absorção do íon de terras raras se deve principalmente à diminuição do ampliação causada pelo efeito térmico. Portanto, o poder de saturação é reduzido e o ganho do laser é aumentado. Portanto, a energia da bomba de limiar é reduzida e pulsos mais curtos podem ser obtidos quando a chave Q está em operação. Ao aumentar a transmitância do acoplador de saída, a eficiência da inclinação pode ser melhorada; portanto, o efeito de perda de cavidade parasita se torna menos importante.

O número de partículas do baixo nível total do meio de ganho de quase três anos é reduzido, de modo que a potência de bombeamento limiar é reduzida e a eficiência de energia é melhorada. Por exemplo, YB: YAG, que produz luz a 1030Nm, pode ser visto como um sistema quase três de nível à temperatura ambiente, mas um sistema de quatro níveis a 77k. ER: O mesmo vale para Yag.

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

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

Uma questão a considerar é que, em um cristal de laser criocolido, a largura de banda da luz irradiada e a luz absorvida serão reduzidas; portanto, 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 bombeadas serão mais rigorosas. No entanto, esse efeito é geralmente raro.

O resfriamento criogênico geralmente usa um líquido de arrefecimento, como nitrogênio líquido ou hélio líquido, e, idealmente, o refrigerante circula através de um tubo conectado a um cristal a laser. O líquido de arrefecimento é reabastecido no tempo ou reciclado em um loop fechado. Para evitar a solidificação, geralmente é necessário colocar o cristal a laser em uma câmara de vácuo.

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

Embora os dispositivos de resfriamento criogênico possam complicarSistemas a laser, os sistemas de refrigeração mais comuns geralmente são menos simples, e a eficiência do resfriamento criogênico permite alguma redução na complexidade.