低温激光器

2021-02-20 14:25:16 浏览:309

定义

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[1]。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:

1、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。

2、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。

3、热光系数也减小,进一步减小热透镜效应。

4、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。

5、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[5]。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[8]

6、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。

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) (the second laser, which also was the first cryogenic laser)
[2] H. Glur et al., “Reduction of thermally induced lenses in Nd:YAG with low temperatures”, IEEE J. Quantum Electron. 40 (5), 499 (2004)
[3] D. C. Brown, “The promise of cryogenic solid-state lasers”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 11 (3), 587 ()
[4] I. Matsushima et al., “10 kHz 40 W Ti:sapphire regenerative ring amplifier”, Opt. Lett. 31 (13), 2066 (2006)
[5] T. Y. Fan et al., “Cryogenic Yb3+-doped solid-state lasers”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 13 (3), 448 (2007)
[6] R. L. Aggarwal et al., “Measurement of thermo-optic properties of Y3Al5O12, LuAl5O12, YAlO3, LiYF4, LiLuF4, BaY2F8, KGd(WO4)2, and KY(WO4)2laser crystals in the 80–300 K temperature range”, J. Appl. Phys. 98 (10), 103514 (2005)
[7] S. Tokita et al., “Sapphire-conductive end-cooling of high power cryogenic Yb:YAG lasers”, Appl. Phys. B 80, 635 (2005)
[8] N. Ter-Gabrielyan et al., “Temperature Dependence of a Diode-Pumped Cryogenic Er:YAG Laser”, Opt. Express 17 (9), 7159 (2009)
[9] S. Banerjee et al., “High-efficiency 10 J diode pumped cryogenic gas cooled Yb:YAG multislab amplifier”, Opt. Lett. 37 (12), 2175 (2012)
[10] D. E. Miller et al., “Cryogenically cooled, 149 W, Q-switched, Yb:LiYF4 laser”, Opt. Lett. 38 (20), 4260 (2013)

参阅:激光器、固态激光器、热透镜、去极化损耗

激光器

作          者: 泮桥成像光电商城

出          处: https://www.ipanqiao.com/entry/163

版          权:本文版权归泮桥成像光电商城所有

免责声明:本文中使用的部分文字内容与图片来自于网络,如有侵权,请联系作者进行删除。

转          载:欢迎转载,但必须保留上述声明;必须在文章中给出原文链接;否则必究法律责任。

Copyright © 2019-2022 南京超维景生物科技有限公司 版权所有 www.ipanqiao.com苏ICP备20009590号-1
联系我们
立即做合同
微信客服
电话咨询

400-998-9826

17302548620

快速留言

泮桥成像光电商城专业人员会在24小时之内联系您

关闭 提交