定义
增益介质在低温下操作的激光器。
在非常低的温度下操作激光器的想法并不新鲜：历史上的第二台激光器已经是低温激光器[1]。 虽然最初使用这个概念只是因为室温操作难以实现，但在 1990 年代发展了对高功率激光器和放大器的低温操作的新兴趣。
在高功率固态激光源中，去偏振损耗、热透镜甚至激光晶体断裂等热效应可能是限制性能的真正问题。 许多有害的热效应可以通过低温冷却有效抑制，这意味着将增益介质冷却到低温，例如77 K（液氮温度）甚至4 K（液氦）。 这种冷却的主要效果是：
- 增益介质的热导率大幅增加，主要是因为声子的平均自由程长度增加。 因此，温度梯度大大降低。 例如，当温度从300 K降低到77 K时，YAG的热导率增加了7倍。
- 热膨胀系数也大大降低。 这与降低的温度梯度一起减少了热透镜因膨胀和应力引起的变化，当然还有应力断裂的趋势。
- 热光学系数（dn / dT）也降低，进一步减少了热透镜。
- 稀土离子的激光和吸收截面增加，主要是因为热诱导的展宽减少。 结果，饱和功率降低，激光增益增加。 因此，阈值泵功率降低，在Q开关操作中可以获得更短的脉冲。 斜率效率可以通过增加输出耦合器传输来提高，从而使寄生谐振器损耗变得相对不那么重要。
- 准三电平激光增益介质中较低激光电平的热群减少，这再次降低了阈值泵浦功率，并导致激光设计具有更高的功率效率[5]。 例如，1030 nm发射的Yb：YAG在室温下表现为准三能级系统，但在77 K时表现为四能级系统。 发射波长为 1.6 μm 的 Er：YAG 激光器也是如此 [8]。
- 根据增益介质的不同，某些淬火过程的强度可能会降低。
这些因素的结合可以大大提高激光性能。 特别是，低温冷却激光器有可能产生更高的输出功率，而不会产生过多的热效应，即具有良好的光束质量。
一个可能的问题是，低温冷却激光晶体的发射和吸收的带宽可能会降低，这可能导致波长调谐范围变窄，并对泵浦激光器的线宽和波长稳定性提出更严格的要求。 但是，这种效果不一定会发生。
低温冷却可以使用液氮或氦气等制冷剂来实现，理想情况下通过连接到激光晶体的冷却手指中的通道循环。 制冷剂可以从一些供应中取出，这些供应不时重新填充，或者在闭环中回收，例如包含斯特林发动机。 为了避免冷凝，通常必须在带有光学窗口的真空室中操作激光晶体。
当然，在非常低的温度下操作激光晶体的概念也可以应用于放大器。 例如，它用于构建基于钛：蓝宝石的再生放大器，平均输出功率为数十瓦。
虽然低温冷却装置肯定会增加这种激光系统的复杂性，但更传统的冷却系统也并不总是非常简单，低温冷却的巨大有效性可能会降低其他地方的复杂性。
某些类型的半导体激光器，例如量子级联激光器，也可以从低温下的操作中受益。 在某些情况下，只有在这样的条件下才能实现连续波操作，或者至少实现的性能会变得更好。
参考文献
[1] P. P. Sorokin and M. J. Stevenson, “Stimulated infrared emission from trivalent uranium”, Phys. Rev. Lett. 5 (12), 557 (1960), doi:10.1103/PhysRevLett.5.557 (the second laser, which also was the first cryogenic laser)
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