[论文解读] A study of enhancing the power of a CW Ti:sapphire laser by cryogenic cooling

Simai Jia|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2022

Solid State Laser Technologies被引用 4

一句话总结

本研究证明，对钛蓝宝石激光晶体进行低温冷却可有效抑制热透镜效应，从而实现稳定、高功率输出。通过解析建模高斯泵浦光束引起的热透镜效应并优化腔体参数，作者表明在低于100 K时，热透镜焦距可保持在0.5 m以上，从而实现路径长度失配低于0.1%的稳定100 W输出。

ABSTRACT

In this article, we explore how cryogenic cooling of the Ti:sapphire laser crystal greatly reduces thermal lensing by over an order of magnitude because of two factors: (i) the increase in the thermal conductivity of the crystal, and (ii) the decrease in the temperature dependence of the refractive index. We obtained analytical expression of the focal length of thermal lens for the pump inside the laser crystal being a Gaussian beam. Through analysis of the laser cavity stability, we found that in order for the relative difference between the optimal laser cavity path lengths in the horizontal and vertical directions to be less than 0.1%, the focal length of thermal lens should be longer than 0.5 m. Such a requirement can be met if the laser crystal is cooled to temperatures below 100 K while being pumped at a power that is enough to produce 100 W output. Therefore, it is very likely that an output power of 100 W can be achieved on a single Ti:sapphire laser by cryogenic cooling of the laser crystal.

研究动机与目标

• 研究通过低温冷却实现单个钛蓝宝石激光器连续波100 W输出的可行性。
• 对钛蓝宝石晶体中圆形和椭圆形高斯泵浦光束引起的热透镜效应进行建模。
• 在热透镜效应下确定腔体稳定性条件，并优化参数以补偿像散。
• 建立热透镜稳定性的阈值，确保正交方向间路径长度失配最小化。
• 评估将钛蓝宝石激光器扩展至高功率的同时保持单频、窄带操作的实用性。

提出的方法

• 利用晶体中心处的二阶温度导数，推导在轴对称和像散条件下热透镜焦距的解析表达式。
• 采用ABCD矩阵形式推导激光腔传输矩阵及稳定性条件，整合热透镜效应。
• 优化腔体参数（镜面曲率半径、光路长度、入射角）以补偿热透镜引起的像散。
• 通过分析瑞利范围及作为热透镜焦距函数的最优工作区域，评估激光腔的稳定性。
• 采用热透镜焦距的倒数（1/f_T）进行反向缩放，以建模不同热载荷下的腔体响应。
• 建立基准条件：x方向与y方向间相对路径长度差小于0.1%，要求f_T > 0.5 m。

实验结果

研究问题

• RQ1 钛蓝宝石晶体的低温冷却是否足以抑制热透镜效应，从而实现稳定100 W输出？
• RQ2 为保持正交腔方向间路径长度失配低于0.1%，所需的热透镜焦距是多少？
• RQ3 泵浦光束形状（圆形与椭圆形高斯光束）及热透镜效应如何影响腔体稳定性和像散？
• RQ4 在热载荷下，哪些腔体参数（镜面曲率半径、入射角、晶体长度）可实现最佳稳定性和像散补偿？
• RQ5 在何种低温条件下，热透镜焦距可超过0.5 m，且泵浦功率高达500 W？

主要发现

• 在低于100 K时，低温冷却可确保热透镜焦距超过0.5 m，这是保持x方向与y方向间相对路径长度失配低于0.1%的必要条件。
• 当钛蓝宝石晶体冷却至100 K或更低时，对于高达500 W的泵浦功率，热透镜焦距仍保持在0.5 m以上。
• 随着热透镜焦距（f_T）减小，激光腔的最佳工作区域发生偏移和畸变，但更大的镜面曲率半径（如20 cm对比10 cm）可减小x方向与y方向间的相对差异。
• 通过仔细选择腔体参数（包括镜面曲率半径R、入射角φ和晶体长度l），可实现像散补偿。
• 在低温条件下，激光腔的稳定性显著提高，因为热透镜效应被抑制，腔体保持在稳定工作区域内。
• 本研究证实，只要热透镜焦距超过0.5 m，单个钛蓝宝石激光器实现100 W输出是可行的。