什么(me)是(shi)“低(di)溫激(ji)光(guang)器”？其(qi)實就是(shi)增益介質需要低(di)溫工作(zuo)的激(ji)光(guang)器。
低溫(wen)工作的(de)激光器(qi)的(de)概(gai)念并不(bu)新穎：歷史上第二個激光器(qi)就是(shi)低溫(wen)的(de)。開始采用這一(yi)概(gai)念就是(shi)很難(nan)實現室溫(wen)工作，對于低溫(wen)工作研究的(de)熱(re)情是(shi)從1990s高功(gong)率激光器(qi)和放大器(qi)發展開始的(de)。
在高功(gong)率激光光源(yuan)中，熱效(xiao)(xiao)應，例如去極化損耗，熱透鏡(jing)或(huo)者激光晶體的(de)(de)彎(wan)曲都會影響光源(yuan)的(de)(de)性(xing)能。通過低溫冷(leng)卻，可以有效(xiao)(xiao)抑制很多有害的(de)(de)熱效(xiao)(xiao)應，即需要將增(zeng)益介質冷(leng)卻到(dao)77K甚至(zhi)4K。冷(leng)卻效(xiao)(xiao)應主要包括(kuo)：
增(zeng)益介(jie)質的特傳導性大大的被抑制，主要是因為繩子的平(ping)均自由程增(zeng)加了(le)。因此，溫度(du)梯度(du)急劇降(jiang)低。例如(ru)，當溫度(du)從300K降(jiang)低到(dao)77K時，YAG晶體的熱導率增(zeng)加了(le)7倍(bei)。
熱擴散(san)系數(shu)也(ye)急劇(ju)減(jian)(jian)小。這(zhe)與溫度梯度的減(jian)(jian)少一起會(hui)導致熱透(tou)鏡效應(ying)減(jian)(jian)小，因此應(ying)力(li)破(po)裂的可(ke)能(neng)性(xing)降低。
熱光(guang)系數(shu)也減小，進一步減小熱透鏡(jing)效應。
稀土離子的(de)吸收截面增大，主要是由于(yu)熱(re)效(xiao)應(ying)引(yin)起的(de)展寬降低。因(yin)此(ci)，飽和(he)功(gong)率(lv)降低，激光增益增加。因(yin)此(ci)，閾(yu)值泵(beng)浦(pu)功(gong)率(lv)降低，在(zai)Q開關工(gong)作時(shi)鞥能得到(dao)更(geng)短的(de)脈沖(chong)。通過提高輸(shu)出耦合器的(de)透射率(lv)，斜率(lv)效(xiao)率(lv)可以提高，因(yin)此(ci)寄生諧(xie)振腔損耗影響變得不太重要。
準三(san)能(neng)級(ji)(ji)增(zeng)益介(jie)質總低能(neng)級(ji)(ji)的粒子數降(jiang)低，因此降(jiang)低閾值泵浦功率(lv)(lv)，功率(lv)(lv)效率(lv)(lv)提高。例如，產生1030nm光的Yb:YAG可以看做是(shi)室溫下的準三(san)能(neng)級(ji)(ji)系(xi)統，但(dan)是(shi)在77K為四能(neng)級(ji)(ji)系(xi)統。Er：YAG也是(shi)相同的情況。
根據增益介質(zhi)的不同，有些(xie)淬滅過程的強度(du)會降低。
結(jie)合以上因素(su)，低溫工作可以大的(de)(de)提高激光(guang)器(qi)的(de)(de)性能(neng)。特別(bie)是低溫冷卻激光(guang)器(qi)可以得(de)到(dao)非常高的(de)(de)輸出(chu)功率，而不會產(chan)生熱(re)效應，即可以得(de)到(dao)很好的(de)(de)光(guang)束質(zhi)量。
需要考慮的(de)(de)一(yi)(yi)個問題是(shi)，在低(di)溫冷卻激光(guang)晶體中，輻射光(guang)和吸收(shou)光(guang)的(de)(de)帶寬會(hui)減小，因此(ci)波長調諧范圍變窄，對泵(beng)浦激光(guang)器的(de)(de)線(xian)寬和波長穩(wen)定性(xing)要求更加(jia)嚴格。但是(shi)，這(zhe)一(yi)(yi)效應通常(chang)很少(shao)發(fa)生。
低(di)溫冷(leng)卻(que)(que)(que)通常采(cai)用(yong)的是冷(leng)卻(que)(que)(que)劑，例如液氮或者(zhe)(zhe)液氦，理想情(qing)況下，制冷(leng)劑在貼著激光晶(jing)體(ti)的管(guan)道中循環(huan)。冷(leng)卻(que)(que)(que)劑會(hui)及時的補充或者(zhe)(zhe)在閉環(huan)中循環(huan)利用(yong)。為(wei)了(le)避免凝固，通常需要(yao)將(jiang)激光晶(jing)體(ti)放在真空室中。
激光晶體在(zai)低溫工作(zuo)的(de)概念也可以應(ying)用于放(fang)大(da)器。可以采用鈦藍(lan)寶石制作(zuo)正反饋放(fang)大(da)器，平均(jun)輸(shu)出(chu)功率在(zai)幾十瓦。
盡管低溫冷卻(que)(que)裝置會(hui)使激光系(xi)統(tong)變得復雜(za)，更加常(chang)(chang)見的(de)冷卻(que)(que)系(xi)統(tong)通常(chang)(chang)也不太簡單，并且低溫冷卻(que)(que)的(de)效率允許降低一定的(de)復雜(za)性。
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