定义：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[1]。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：

1. 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。
2. 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。
3. 热光系数也减小，进一步减小热透镜效应。
4. 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。
5. 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[5]。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[8]。
6. 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。

参考文献

[1] P. P. Sorokin and M. J. Stevenson, “Stimulated infrared emission from trivalent uranium”, Phys. Rev. Lett. 5 (12), 557 (1960) (the second laser, which also was the first cryogenic laser)

[2] H. Glur et al., “Reduction of thermally induced lenses in Nd:YAG with low temperatures”, IEEE J. Quantum Electron. 40 (5), 499 (2004)

[3] D. C. Brown, “The promise of cryogenic solid-state lasers”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 11 (3), 587 ()

[4] I. Matsushima et al., “10 kHz 40 W Ti:sapphire regenerative ring amplifier”, Opt. Lett. 31 (13), 2066 (2006)

[5] T. Y. Fan et al., “Cryogenic Yb³⁺-doped solid-state lasers”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 13 (3), 448 (2007)

[6] R. L. Aggarwal et al., “Measurement of thermo-optic properties of Y₃Al₅O₁₂, LuAl₅O₁₂, YAlO₃, LiYF₄, LiLuF₄, BaY₂F₈, KGd(WO₄)₂, and KY(WO₄)₂laser crystals in the 80–300 K temperature range”, J. Appl. Phys. 98 (10), 103514 (2005)

[7] S. Tokita et al., “Sapphire-conductive end-cooling of high power cryogenic Yb:YAG lasers”, Appl. Phys. B 80, 635 (2005)

[8] N. Ter-Gabrielyan et al., “Temperature Dependence of a Diode-Pumped Cryogenic Er:YAG Laser”, Opt. Express 17 (9), 7159 (2009)

[9] S. Banerjee et al., “High-efficiency 10 J diode pumped cryogenic gas cooled Yb:YAG multislab amplifier”, Opt. Lett. 37 (12), 2175 (2012)

[10] D. E. Miller et al., “Cryogenically cooled, 149 W, Q-switched, Yb:LiYF₄ laser”, Opt. Lett. 38 (20), 4260 (2013)