光电理论干货:什么是“低温激光器”

光电资讯3月11日图片什么是“低温激光器”?其实就是增益介质需要低温工作的激光器。低温工作的激光器的概念并不新颖:历史上第二个激光器就是低温的。最开始采用这一概念就是很难实现室温工作,对于低温工作研究的热情是从1990s高功率激光器和放大器发展开始的。在高功率激光光源中,热效应,例如去极化损耗,热透镜或者激光晶体的弯曲都会影响光源的性能。通过低温冷却,可以有效抑制很多有害的热效应,即需要将增益介质冷却到77K甚至4K。冷却效应主要包括:增益介质的特传导性极大的被抑制,主要是因为绳子的平均自由程增加了。因此,温度梯度急剧降低。例如,当温度从300K降低到77K时,YAG晶体的热导率增加了7倍。热扩散系数也急剧减小。这与温度梯度的减少一起会导致热透镜效应减小,因此应力破裂的可能性降低。热光系数也减小,进一步减小热透镜效应。稀土离子的吸收截面增大,主要是由于热效应引起的展宽降低。因此,饱和功率降低,激光增益增加。因此,阈值泵浦功率降低,在Q开关工作时鞥能得到更短的脉冲。通过提高输出耦合器的透射率,斜率效率可以提高,因此寄生谐振腔损耗影响变得不太重要。准三能级增益介质总低能级的粒子数降低,因此降低阈值泵浦功率,功率效率提高。例如,产生1030nm光的Yb:YAG可以看做是室温下的准三能级系统,但是在77K为四能级系统。Er:YAG也是相同的情况。根据增益介质的不同,有些淬灭过程的强度会降低。结合以上因素,低温工作可以极大的提高激光器的性能。特别是低温冷却激光器可以得到非常高的输出功率,而不会产生热效应,即可以得到很好的光束质量。需要考虑的一个问题是,在低温冷却激光晶体中,辐射光和吸收光的带宽会减小,因此波长调谐范围变窄,对泵浦激光器的线宽和波长稳定性要求更加严格。但是,这一效应通常很少发生。低温冷却通常采用的是冷却剂,例如液氮或者液氦,理想情况下,制冷剂在贴着激光晶体的管道中循环。冷却剂会及时的补充或者在闭环中循环利用。为了避免凝固,通常需要将激光晶体放在真空室中。激光晶体在低温工作的概念也可以应用于放大器。可以采用钛蓝宝石制作正反馈放大器,平均输出功率在几十瓦。尽管低温冷却装置会使激光系统变得复杂,更加常见的冷却系统通常也不太简单,并且低温冷却的效率允许降低一定的复杂性。文章来源:网络平台光学理论知识

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