Kaj je kriogeni laser

Koncept laserjev, ki delujejo pri nizkih temperaturah, ni nov: drugi laser v zgodovini je bil kriogeni. Na začetku je bilo konceptu 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.

V visoki močilaserski viri, lahko toplotni učinki, kot je depolarizacijska izguba, termična leča ali lasersko upogibanje kristalov, vplivajo na delovanjevir svetlobe. Z nizkotemperaturnim hlajenjem je mogoče učinkovito zatreti številne škodljive toplotne učinke, to pomeni, da je treba ojačitveni medij ohladiti na 77K ali celo 4K. Hladilni učinek vključuje predvsem:

Značilna prevodnost ojačitvenega medija je močno zavrta, predvsem zato, ker se poveča povprečna prosta pot vrvi. Posledično temperaturni gradient dramatično pade. Na primer, ko se temperatura zniža s 300 K na 77 K, se toplotna prevodnost kristala YAG poveča za faktor sedem.

Močno se zmanjša tudi koeficient toplotne difuzije. To skupaj z zmanjšanjem temperaturnega gradienta povzroči zmanjšan učinek toplotne leče in s tem zmanjšano verjetnost preloma zaradi napetosti.

Zmanjšan je tudi termooptični koeficient, kar še dodatno zmanjša učinek toplotne leče.

Povečanje absorpcijskega preseka iona redkih zemelj je predvsem posledica zmanjšanja širjenja, ki ga povzroča toplotni učinek. Zato se zmanjša moč nasičenja in poveča laserski dobiček. Zato je moč črpalke praga zmanjšana in med delovanjem stikala Q je mogoče dobiti krajše impulze. S povečanjem prepustnosti izhodnega spojnika je mogoče izboljšati učinkovitost naklona, ​​tako da postane učinek izgube zaradi parazitske votline manj pomemben.

Število delcev skupne nizke ravni kvazi-tristopenjskega ojačevalnega medija se zmanjša, zato se zmanjša črpalna moč praga in izboljša energetska učinkovitost. Na primer, Yb:YAG, ki proizvaja svetlobo pri 1030 nm, lahko pri sobni temperaturi vidimo kot kvazi-trinivojski sistem, pri 77K pa kot štirinivojski sistem. Er: Enako velja za YAG.

Odvisno od pridobilnega medija se bo intenzivnost nekaterih procesov kaljenja zmanjšala.

V kombinaciji z zgornjimi 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, da je mogoče doseči dobro kakovost žarka.

Ena težava, ki jo je treba upoštevati, je, da se bo v kriohlajenem laserskem kristalu pasovna širina sevane svetlobe in absorbirane svetlobe zmanjšala, 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, idealno pa je, da hladilno sredstvo kroži skozi cev, pritrjeno na laserski kristal. Hladilno sredstvo se pravočasno dopolnjuje ali reciklira v zaprti zanki. Da bi se izognili strjevanju, je običajno treba laserski kristal postaviti v vakuumsko komoro.

Koncept laserskih kristalov, ki delujejo pri nizkih temperaturah, je mogoče uporabiti tudi za ojačevalnike. Titanov safir se lahko uporablja za izdelavo ojačevalnika s pozitivno povratno informacijo, katerega povprečna izhodna moč je v desetinah vatov.

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