O que é um laser criogênico?

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

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

A condutividade característica do meio ativo é significativamente reduzida, principalmente devido ao aumento do livre percurso médio da fibra. Como resultado, o gradiente de temperatura diminui drasticamente. Por exemplo, quando a temperatura é reduzida de 300 K para 77 K, a condutividade térmica do cristal de YAG aumenta sete vezes.

O coeficiente de difusão térmica também diminui acentuadamente. Isso, juntamente com a redução do gradiente de temperatura, resulta em um efeito de lente térmica reduzido e, portanto, em uma menor probabilidade de ruptura por tensão.

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

O aumento da seção de choque de absorção do íon de terras raras deve-se principalmente à diminuição do alargamento causado pelo efeito térmico. Portanto, a potência de saturação é reduzida e o ganho do laser é aumentado. Consequentemente, a potência de bombeamento de limiar é reduzida, permitindo a obtenção de pulsos mais curtos quando o interruptor Q está em operação. Ao aumentar a transmitância do acoplador de saída, a eficiência diferencial pode ser melhorada, tornando o efeito de perda parasita da cavidade menos significativo.

O número de partículas do nível baixo total do meio de ganho quase-três-níveis é reduzido, diminuindo assim a potência de bombeamento de limiar e melhorando a eficiência energética. Por exemplo, o Yb:YAG, que emite luz a 1030 nm, pode ser considerado um sistema quase-três-níveis à temperatura ambiente, mas um sistema quatro-níveis a 77 K. O mesmo se aplica ao Er:YAG.

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

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

Uma questão a considerar é que, em um cristal laser criogênico, a largura de banda da luz emitida e da luz absorvida será reduzida, de modo que a faixa de sintonia do comprimento de onda será mais estreita e a largura de 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 utiliza um fluido refrigerante, como nitrogênio líquido ou hélio líquido, e idealmente o refrigerante circula por um tubo conectado a um cristal laser. O fluido refrigerante é reposto periodicamente ou reciclado em um circuito fechado. Para evitar a solidificação, geralmente é necessário colocar o cristal laser em uma câmara de vácuo.

O conceito de cristais laser operando em baixas temperaturas também pode ser aplicado a amplificadores. O titânio-safira pode ser usado para fabricar amplificadores com realimentação positiva, cuja potência média de saída chega a dezenas de watts.

Embora os dispositivos de resfriamento criogênico possam complicarsistemas a laserOs sistemas de refrigeração mais comuns costumam ser menos simples, e a eficiência da refrigeração criogênica permite certa redução na complexidade.