極低温レーザーとは

低温で動作するレーザーという概念は新しいものではありません。歴史上2番目のレーザーは極低温で動作しました。当初、この概念は室温での動作を実現することが困難でしたが、低温での動作への関心が高まり始めたのは、1990年代に高出力レーザーと増幅器が開発された後のことでした。

高出力レーザー光源偏光損失、熱レンズ、レーザー結晶の曲がりなどの熱効果が、光源低温冷却により、多くの有害な熱影響を効果的に抑制できます。具体的には、利得媒体を77K、あるいは4Kまで冷却する必要があります。冷却効果は主に以下の通りです。

利得媒質の特性伝導率は、主にロープの平均自由行程の増加により大幅に低下します。その結果、温度勾配は劇的に低下します。例えば、温度が300Kから77Kに低下すると、YAG結晶の熱伝導率は7倍に増加します。

熱拡散係数も大幅に減少します。これは温度勾配の減少と相まって、熱レンズ効果の減少につながり、ひいては応力破壊の可能性を低減します。

熱光学係数も減少し、熱レンズ効果がさらに減少します。

希土類イオンの吸収断面積の増加は、主に熱効果による広がりの減少によるものです。そのため、飽和出力が低下し、レーザー利得が増加します。その結果、閾値ポンプ出力が低下し、Qスイッチ動作時のパルス幅が短くなります。出力カプラの透過率を高めることでスロープ効率が向上し、寄生共振器損失の影響が軽減されます。

準三準位利得媒質の全低準位の粒子数が減少するため、閾値ポンピング電力が低下し、電力効率が向上します。例えば、1030nmで発光するYb:YAGは、室温では準三準位系とみなされますが、77Kでは四準位系とみなされます。Er: YAGでも同様です。

ゲイン媒体に応じて、一部の消光プロセスの強度が低下します。

上記の要因と組み合わせることで、低温動作はレーザーの性能を大幅に向上させることができます。特に、低温冷却レーザーは熱の影響を受けずに非常に高い出力を得ることができ、良好なビーム品質が得られます。

考慮すべき点の一つは、極低温冷却されたレーザー結晶では、放射光と吸収光の帯域幅が狭まるため、波長可変範囲が狭くなり、励起レーザーの線幅と波長安定性がより厳しくなることです。ただし、この影響は通常はまれです。

極低温冷却では通常、液体窒素や液体ヘリウムなどの冷媒が使用され、理想的には冷媒はレーザー結晶に接続されたチューブ内を循環します。冷媒は適時補充されるか、閉ループ内で循環されます。凝固を防ぐため、通常はレーザー結晶を真空チャンバー内に設置する必要があります。

低温で動作するレーザー結晶の概念は増幅器にも応用できます。チタンサファイアは、平均出力が数十ワットに達する正帰還増幅器の製造に使用できます。

極低温冷却装置は複雑になる可能性があるが、レーザーシステムより一般的な冷却システムはそれほど単純ではないことが多く、極低温冷却の効率により複雑さがいくらか軽減されます。