Qu'est-ce qu'un laser cryogénique

Le concept de lasers opérant à basse température n'est pas nouveau: le deuxième laser de l'histoire était cryogénique. Initialement, le concept était difficile à atteindre un fonctionnement à température ambiante, et l'enthousiasme des travaux à basse température a commencé dans les années 1990 avec le développement de lasers et d'amplificateurs de haute puissance.

En grande puissancesources laser, les effets thermiques tels que la perte de dépolarisation, la lentille thermique ou la flexion des cristaux laser peuvent affecter les performances de lasource légère. Grâce à un refroidissement à basse température, de nombreux effets thermiques nocifs peuvent être supprimés efficacement, c'est-à-dire que le milieu de gain doit être refroidi à 77k ou même 4K. L'effet de refroidissement comprend principalement:

La conductivité caractéristique du milieu de gain est considérablement inhibée, principalement parce que le libre parcours moyen de la corde est augmenté. En conséquence, le gradient de température baisse considérablement. Par exemple, lorsque la température est abaissée de 300k à 77k, la conductivité thermique du cristal YAG augmente d'un facteur sept.

Le coefficient de diffusion thermique diminue également fortement. Ceci, ainsi qu'une réduction du gradient de température, entraînent un effet de lentille thermique réduit et donc une probabilité réduite de rupture de contrainte.

Le coefficient thermo-optique est également réduit, réduisant encore l'effet de lentille thermique.

L'augmentation de la section transversale d'absorption de l'ion de terres rares est principalement due à la diminution de l'élargissement causée par l'effet thermique. Par conséquent, la puissance de saturation est réduite et le gain laser est augmenté. Par conséquent, la puissance de la pompe seuil est réduite et des impulsions plus courtes peuvent être obtenues lorsque le commutateur Q fonctionne. En augmentant la transmittance du coupleur de sortie, l'efficacité de la pente peut être améliorée, de sorte que l'effet de perte de cavité parasite devient moins important.

Le nombre de particules du faible niveau total du milieu de gain de niveau quasi-trois est réduit, de sorte que la puissance de pompage de seuil est réduite et l'efficacité énergétique est améliorée. Par exemple, YB: YAG, qui produit de la lumière à 1030 nm, peut être considéré comme un système quasi-trois à température ambiante, mais un système à quatre niveaux à 77K. ER: Il en va de même pour YAG.

Selon le milieu de gain, l'intensité de certains processus d'extinction sera réduite.

Combiné avec les facteurs ci-dessus, le fonctionnement à basse température peut considérablement améliorer les performances du laser. En particulier, les lasers de refroidissement à basse température peuvent obtenir une puissance de sortie très élevée sans effets thermiques, c'est-à-dire que une bonne qualité de faisceau peut être obtenue.

Un problème à considérer est que dans un cristal laser cryoocollé, la bande passante de la lumière rayonnée et la lumière absorbée sera réduite, de sorte que la plage de réglage de la longueur d'onde sera plus étroite, et la largeur de ligne et la stabilité de la longueur d'onde du laser pompé seront plus strictes. Cependant, cet effet est généralement rare.

Le refroidissement cryogénique utilise généralement un liquide de refroidissement, comme l'azote liquide ou l'hélium liquide, et idéalement le réfrigérant circule à travers un tube attaché à un cristal laser. Le liquide de refroidissement est reconstitué dans le temps ou recyclé dans une boucle fermée. Afin d'éviter la solidification, il est généralement nécessaire de placer le cristal laser dans une chambre à vide.

Le concept de cristaux laser fonctionnant à basse température peut également être appliqué aux amplificateurs. Le saphir de titane peut être utilisé pour faire de l'amplificateur de rétroaction positive, la puissance de sortie moyenne dans des dizaines de watts.

Bien que les dispositifs de refroidissement cryogéniques puissent compliquersystèmes laser, les systèmes de refroidissement plus courants sont souvent moins simples, et l'efficacité du refroidissement cryogénique permet une certaine réduction de la complexité.