極低温レーザーとは何ですか

低温で動作するレーザーの概念は新しいものではありません。歴史の2番目のレーザーは極低温でした。当初、このコンセプトは室温の動作を達成することが困難であり、低温作業への熱意は1990年代に高出力レーザーとアンプの開発で始まりました。

高電力でレーザーソース、脱分極損失、熱レンズ、レーザー結晶の曲げなどの熱効果は、光源。低温冷却により、多くの有害な熱効果を効果的に抑制することができます。つまり、ゲイン媒体を77Kまたは4Kまで冷却する必要があります。冷却効果には主に以下が含まれます。

主にロープの平均自由経路が増加するため、ゲイン培地の特徴的な導電率は大きく阻害されます。その結果、温度勾配は劇的に低下します。たとえば、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。

熱拡散係数も急激に減少します。これは、温度勾配の減少とともに、熱レンズ効果の低下をもたらし、したがってストレス破裂の可能性が低下します。

熱光学係数も減少し、熱レンズ効果をさらに低下させます。

希土類イオンの吸収断面の増加は、主に熱効果による拡大の減少によるものです。したがって、飽和電力が低下し、レーザーゲインが増加します。したがって、しきい値ポンプの電力が低下し、Qスイッチが動作しているときに短いパルスを取得できます。出力カプラーの透過率を増やすことにより、勾配効率を改善できるため、寄生虫の損失効果はそれほど重要ではありません。

準3レベルのゲイン培地の総レベルの総数が減少するため、しきい値ポンプの出力が低下し、電力効率が改善されます。たとえば、1030nmで光を生成するYB：YAGは、室温で準3レベルのシステムと見なすことができますが、77kの4レベルシステムです。 ER：Yagにも同じことが言えます。

ゲイン媒体に応じて、いくつかの消光プロセスの強度が削減されます。

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改善できます。特に、低温冷却レーザーは、熱効果なしで非常に高い出力電力を得ることができます。つまり、良好なビーム品質を得ることができます。

考慮すべき問題の1つは、凍結冷却レーザー結晶では、放射光の帯域幅と吸収光が減少するため、波長チューニング範囲が狭くなり、ポンプレーザーのライン幅と波長の安定性がより厳しくなります。ただし、この効果は通常まれです。

極低温冷却は通常、液体窒素や液体ヘリウムなどのクーラントを使用し、理想的には冷媒はレーザー結晶に取り付けられたチューブを循環します。クーラントは時間内に補充されるか、閉ループでリサイクルされます。固化を避けるために、通常、レーザー結晶を真空チャンバーに置く必要があります。

低温で動作するレーザー結晶の概念もアンプに適用できます。 Titanium sapphireを使用して、数十ワットの平均出力電力である正のフィードバックアンプを作成できます。

極低温冷却装置は複雑になる可能性がありますがレーザーシステム、より一般的な冷却システムはしばしば単純ではなく、極低温冷却の効率により、複雑さをいくらか減少させることができます。