Kaj je kriogeni laser

Koncept laserjev, ki delujejo pri nizkih temperaturah, ni nov: drugi laser v zgodovini je bil kriogeni. Sprva je bilo težko doseči delovanje pri sobni temperaturi, navdušenje nad delom pri nizkih temperaturah pa se je začelo v devetdesetih letih prejšnjega stoletja z razvojem visokozmogljivih laserjev in ojačevalnikov.

Pri visoki močilaserski viri, toplotni učinki, kot so izguba depolarizacije, toplotna leča ali upogibanje laserskega kristala, lahko vplivajo na delovanjevir svetlobeZ nizkotemperaturnim hlajenjem je mogoče učinkovito zatreti številne škodljive toplotne učinke, kar pomeni, da je treba ojačevalni medij ohladiti na 77 K ali celo 4 K. Hladilni učinek vključuje predvsem:

Karakteristična prevodnost ojačevalnega medija je močno zmanjšana, predvsem zaradi povečanja povprečne proste poti vrvi. Posledično se temperaturni gradient močno zmanjša. Na primer, ko se temperatura zniža s 300 K na 77 K, se toplotna prevodnost kristala YAG poveča za faktor sedem.

Tudi koeficient toplotne difuzije se močno zmanjša. To skupaj z zmanjšanjem temperaturnega gradienta povzroči zmanjšan učinek toplotnega lečenja in s tem zmanjšano verjetnost preloma zaradi napetosti.

Zmanjša se tudi termooptični koeficient, kar dodatno zmanjša učinek termične leče.

Povečanje absorpcijskega preseka redkozemeljskih ionov je predvsem posledica zmanjšanja razširitve, ki jo povzroča toplotni učinek. Posledično se zmanjša moč nasičenja in poveča laserski ojačanje. Posledično se zmanjša prag črpalne moči in pri delovanju Q stikala je mogoče doseči krajše impulze. S povečanjem prepustnosti izhodnega sklopnika se lahko izboljša učinkovitost naklona, ​​zato učinek parazitske izgube v votlini postane manj pomemben.

Število delcev na celotnem nizkem nivoju kvazi-trinivojskega ojačevalnega medija se zmanjša, zato se zmanjša prag črpalne moči in izboljša energetska učinkovitost. Na primer, Yb:YAG, ki proizvaja svetlobo pri 1030 nm, lahko pri sobni temperaturi vidimo kot kvazi-trinivojski sistem, pri 77 K pa kot štirinivojski sistem. Er: Enako velja za YAG.

Glede na ojačevalni medij se bo intenzivnost nekaterih procesov gašenja zmanjšala.

V kombinaciji z zgoraj navedenimi dejavniki lahko delovanje pri nizki temperaturi močno izboljša delovanje laserja. Zlasti nizkotemperaturni hladilni laserji lahko dosežejo zelo visoko izhodno moč brez toplotnih učinkov, kar pomeni dobro kakovost žarka.

Upoštevati je treba, da se v kriogeno hlajenem laserskem kristalu pasovna širina sevane in absorbirane svetlobe zmanjša, zato bo območje nastavitve valovne dolžine ožje, širina črte in stabilnost valovne dolžine črpanega laserja pa bosta strožji. Vendar je ta učinek običajno redek.

Kriogeno hlajenje običajno uporablja hladilno sredstvo, kot je tekoči dušik ali tekoči helij, in idealno hladilno sredstvo kroži skozi cev, pritrjeno na laserski kristal. Hladilno sredstvo se sčasoma dopolnjuje ali reciklira v zaprti zanki. Da bi se izognili strjevanju, je običajno treba laserski kristal namestiti v vakuumsko komoro.

Koncept laserskih kristalov, ki delujejo pri nizkih temperaturah, se lahko uporabi tudi za ojačevalnike. Titanov safir se lahko uporablja za izdelavo ojačevalnikov s pozitivno povratno zanko, s povprečno izhodno močjo v desetih vatih.

Čeprav lahko kriogene hladilne naprave zapletejolaserski sistemi, bolj običajni hladilni sistemi so pogosto manj preprosti, učinkovitost kriogenega hlajenja pa omogoča nekaj zmanjšanja kompleksnosti.