Was ist ein Kryolaser?

Das Konzept von Lasern, die bei tiefen Temperaturen arbeiten, ist nicht neu: Der zweite Laser der Geschichte war ein Kryolaser. Anfänglich war es schwierig, einen Betrieb bei Raumtemperatur zu realisieren, und die Begeisterung für Tieftemperaturlaser entfachte erst in den 1990er Jahren mit der Entwicklung von Hochleistungslasern und -verstärkern.

Bei hoher LeistungLaserquellenThermische Effekte wie Depolarisationsverluste, thermische Linsen oder Laserkristallverbiegung können die Leistung desLichtquelleDurch Kühlung bei niedrigen Temperaturen lassen sich viele schädliche thermische Effekte wirksam unterdrücken; dazu muss das Verstärkungsmedium auf 77 K oder sogar 4 K gekühlt werden. Der Kühleffekt umfasst im Wesentlichen Folgendes:

Die charakteristische Wärmeleitfähigkeit des Verstärkungsmediums wird stark gehemmt, hauptsächlich aufgrund der erhöhten mittleren freien Weglänge der Röhre. Dadurch sinkt der Temperaturgradient drastisch. Beispielsweise erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit des YAG-Kristalls um den Faktor sieben, wenn die Temperatur von 300 K auf 77 K gesenkt wird.

Der Wärmediffusionskoeffizient sinkt ebenfalls stark. Dies führt zusammen mit einer Verringerung des Temperaturgradienten zu einem reduzierten thermischen Linseneffekt und somit zu einer geringeren Wahrscheinlichkeit von Spannungsrissen.

Der thermooptische Koeffizient wird ebenfalls reduziert, wodurch der thermische Linseneffekt weiter verringert wird.

Die Erhöhung des Absorptionsquerschnitts von Seltenerdionen ist hauptsächlich auf die Verringerung der durch thermische Effekte verursachten Linienverbreiterung zurückzuführen. Dadurch sinkt die Sättigungsleistung und die Laserverstärkung steigt. Folglich wird die Schwellenpumpleistung reduziert, und beim Betrieb des Q-Schalters lassen sich kürzere Pulse erzielen. Durch Erhöhung der Transmission des Auskopplers kann der differentielle Wirkungsgrad verbessert werden, wodurch die parasitären Verluste im Resonator an Bedeutung verlieren.

Die Teilchenzahl des gesamten niedrigen Energieniveaus des Quasi-Drei-Niveau-Verstärkungsmediums wird reduziert, wodurch die Schwellenpumpleistung sinkt und die Leistungseffizienz steigt. Beispielsweise kann Yb:YAG, das Licht bei 1030 nm emittiert, bei Raumtemperatur als Quasi-Drei-Niveau-System, bei 77 K jedoch als Vier-Niveau-System betrachtet werden. Dasselbe gilt für Er:YAG.

Je nach Verstärkungsmedium wird die Intensität einiger Löschprozesse reduziert.

In Kombination mit den oben genannten Faktoren kann der Betrieb bei niedrigen Temperaturen die Leistung des Lasers erheblich verbessern. Insbesondere können Laser mit Niedertemperaturkühlung eine sehr hohe Ausgangsleistung ohne thermische Effekte erzielen, d. h. es lässt sich eine gute Strahlqualität erreichen.

Ein zu berücksichtigender Aspekt ist, dass in einem kryogekühlten Laserkristall die Bandbreite des emittierten und des absorbierten Lichts reduziert wird. Dadurch verringert sich der Wellenlängen-Abstimmbereich, und die Linienbreite sowie die Wellenlängenstabilität des gepumpten Lasers unterliegen strengeren Anforderungen. Dieser Effekt tritt jedoch üblicherweise selten auf.

Bei der kryogenen Kühlung wird üblicherweise ein Kühlmittel wie flüssiger Stickstoff oder flüssiges Helium verwendet. Idealerweise zirkuliert das Kühlmittel durch ein an den Laserkristall angeschlossenes Rohr. Es wird regelmäßig nachgefüllt oder in einem geschlossenen Kreislauf recycelt. Um ein Erstarren zu verhindern, muss der Laserkristall üblicherweise in einer Vakuumkammer platziert werden.

Das Konzept von Laserkristallen, die bei niedrigen Temperaturen arbeiten, lässt sich auch auf Verstärker übertragen. Titan-Saphir kann zur Herstellung von Verstärkern mit positiver Rückkopplung verwendet werden, deren durchschnittliche Ausgangsleistung im zweistelligen Wattbereich liegt.

Obwohl kryogene Kühlgeräte die Sache verkomplizieren könnenLasersystemeGängigere Kühlsysteme sind oft weniger einfach, und die Effizienz der Kryokühlung ermöglicht eine gewisse Reduzierung der Komplexität.