極低温レーザーとは何ですか？

低温で動作するレーザーという概念は新しいものではない。歴史上2番目に開発されたレーザーは極低温レーザーだった。当初、室温での動作を実現するのは困難だったが、1990年代に高出力レーザーや増幅器の開発が進むにつれて、低温研究への関心が高まった。

高出力でレーザー光源偏光解消損失、熱レンズ、レーザー結晶の曲がりなどの熱効果は、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。つまり、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とおりです。

利得媒体の特性伝導率は、主にロープの平均自由行程が増加するため、大幅に抑制される。その結果、温度勾配が劇的に低下する。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倍に増加する。

熱拡散係数も急激に低下する。これにより、温度勾配の減少と相まって、熱レンズ効果が軽減され、結果として応力破壊の可能性が低下する。

熱光学係数も低減されるため、熱レンズ効果がさらに軽減される。

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が減少することに起因する。そのため、飽和パワーが低下し、レーザー利得が増加する。したがって、閾値ポンプパワーが低下し、Qスイッチ動作時に短いパルスが得られる。出力カプラの透過率を高めることで傾斜効率が向上し、寄生共振器損失の影響が軽減される。

準三準位利得媒質の全低準位の粒子数が減少するため、閾値ポンピングパワーが低減され、電力効率が向上します。例えば、1030nmで光を発するYb:YAGは、室温では準三準位系と見なすことができますが、77Kでは四準位系と見なすことができます。Er:YAGについても同様です。

利得媒体によっては、一部の消光過程の強度が低下する。

上記の要因と相まって、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る。特に、低温冷却レーザーは熱の影響を受けることなく非常に高い出力を得ることができ、すなわち、良好なビーム品質を実現できる。

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くなるため、波長調整範囲が狭くなり、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却剤が使用され、理想的には、冷却剤はレーザー結晶に取り付けられたチューブ内を循環します。冷却剤は時間とともに補充されるか、閉ループ内でリサイクルされます。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る。チタンサファイアを用いることで、数十ワットの平均出力が得られる正帰還増幅器を作製できる。

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往々にして複雑であり、極低温冷却の効率性によって複雑さをある程度軽減できる。