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什么是“低溫激光器”？其實(shí)就是增益介質(zhì)需要低溫工作的激光器。
低溫工作的激光器的概念并不新穎：歷史上第二個(gè)激光器就是低溫的。開始采用這一概念就是很難實(shí)現(xiàn)室溫工作，對于低溫工作研究的熱情是從1990s高功率激光器和放大器發(fā)展開始的。
在高功率激光光源中，熱效應(yīng)，例如去極化損耗，熱透鏡或者激光晶體的彎曲都會(huì)影響光源的性能。通過低溫冷卻，可以有效抑制很多有害的熱效應(yīng)，即需要將增益介質(zhì)冷卻到77K甚至4K。冷卻效應(yīng)主要包括：
增益介質(zhì)的特傳導(dǎo)性大大的被抑制，主要是因?yàn)槔K子的平均自由程增加了。因此，溫度梯度急劇降低。例如，當(dāng)溫度從300K降低到77K時(shí)，YAG晶體的熱導(dǎo)率增加了7倍。
熱擴(kuò)散系數(shù)也急劇減小。這與溫度梯度的減少一起會(huì)導(dǎo)致熱透鏡效應(yīng)減小，因此應(yīng)力破裂的可能性降低。
熱光系數(shù)也減小，進(jìn)一步減小熱透鏡效應(yīng)。
稀土離子的吸收截面增大，主要是由于熱效應(yīng)引起的展寬降低。因此，飽和功率降低，激光增益增加。因此，閾值泵浦功率降低，在Q開關(guān)工作時(shí)鞥能得到更短的脈沖。通過提高輸出耦合器的透射率，斜率效率可以提高，因此寄生諧振腔損耗影響變得不太重要。
準(zhǔn)三能級(jí)增益介質(zhì)總低能級(jí)的粒子數(shù)降低，因此降低閾值泵浦功率，功率效率提高。例如，產(chǎn)生1030nm光的Yb:YAG可以看做是室溫下的準(zhǔn)三能級(jí)系統(tǒng)，但是在77K為四能級(jí)系統(tǒng)。Er：YAG也是相同的情況。
根據(jù)增益介質(zhì)的不同，有些淬滅過程的強(qiáng)度會(huì)降低。
結(jié)合以上因素，低溫工作可以大的提高激光器的性能。特別是低溫冷卻激光器可以得到非常高的輸出功率，而不會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，即可以得到很好的光束質(zhì)量。
需要考慮的一個(gè)問題是，在低溫冷卻激光晶體中，輻射光和吸收光的帶寬會(huì)減小，因此波長調(diào)諧范圍變窄，對泵浦激光器的線寬和波長穩(wěn)定性要求更加嚴(yán)格。但是，這一效應(yīng)通常很少發(fā)生。
低溫冷卻通常采用的是冷卻劑，例如液氮或者液氦，理想情況下，制冷劑在貼著激光晶體的管道中循環(huán)。冷卻劑會(huì)及時(shí)的補(bǔ)充或者在閉環(huán)中循環(huán)利用。為了避免凝固，通常需要將激光晶體放在真空室中。
激光晶體在低溫工作的概念也可以應(yīng)用于放大器。可以采用鈦藍(lán)寶石制作正反饋放大器，平均輸出功率在幾十瓦。
盡管低溫冷卻裝置會(huì)使激光系統(tǒng)變得復(fù)雜，更加常見的冷卻系統(tǒng)通常也不太簡單，并且低溫冷卻的效率允許降低一定的復(fù)雜性。
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