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。歴史上 2 番目のレーザーは極低温でした。当初、このコンセプトでは室温での動作を実現するのは困難でしたが、1990 年代に高出力レーザーと増幅器の開発により低温作業への熱意が始まりました。

ハイパワーでレーザー光源、偏光解消損失、熱レンズ、レーザー結晶の曲がりなどの熱の影響は、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、利得媒体は 77K、さらには 4K まで冷却する必要があります。冷却効果には主に次のようなものがあります。

利得媒体の特性導電率は、主にロープの平均自由行程が増加するため、大幅に抑制されます。その結果、温度勾配が劇的に低下します。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。これにより、温度勾配が減少し、熱レンズ効果が減少し、応力破壊の可能性が減少します。

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。したがって、飽和パワーが減少し、レーザー利得が増加します。したがって、しきい値ポンプパワーが減少し、Qスイッチが動作しているときにより短いパルスが得られます。出力カプラーの透過率を高めることにより、スロープ効率を改善できるため、寄生キャビティ損失の影響はあまり重要でなくなります。

擬似３準位利得媒質の総低準位の粒子数が減少するため、閾値励起パワーが減少し、電力効率が改善される。たとえば、1030nmで光を生成するYb:YAGは、室温では準3準位系として見られますが、77Kでは4準位系と見なされます。Er:YAG についても同じことが当てはまります。

利得媒体に応じて、一部のクエンチング 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、低温動作によりレーザーの性能が大幅に向上します。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、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、極低温レーザー結晶では放射光と吸収光の帯域幅が減少するため、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ということです。 。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取り付けられたチューブ内を循環します。冷却剤は適時に補充されるか、閉ループでリサイクルされます。固化を避けるために、通常はレーザー結晶を真空チャンバー内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は、増幅器にも適用できます。チタン サファイアは、平均出力が数十ワットの正帰還アンプを作成するために使用できます。

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ある程度軽減されます。