光电理论干货：什么是“低温激光器”

　　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。

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