Što je kriogeni laser

Koncept lasera koji rade na niskim temperaturama nije nov: drugi laser u povijesti bio je kriogeni. U početku je koncept bio teško postići rad na sobnoj temperaturi, a entuzijazam za rad na niskim temperaturama započeo je 1990-ih razvojem lasera i pojačala velike snage.

U velikoj snazilaserski izvori, toplinski učinci poput gubitka depolarizacije, toplinske leće ili savijanja laserskog kristala mogu utjecati na performanseizvor svjetlostiHlađenjem na niskim temperaturama mogu se učinkovito suzbiti mnogi štetni toplinski učinci, odnosno medij za pojačanje treba ohladiti na 77 K ili čak 4 K. Učinak hlađenja uglavnom uključuje:

Karakteristična vodljivost pojačavajućeg medija je uvelike smanjena, uglavnom zbog povećanja srednjeg slobodnog puta užeta. Kao rezultat toga, temperaturni gradijent dramatično pada. Na primjer, kada se temperatura snizi s 300 K na 77 K, toplinska vodljivost YAG kristala povećava se sedam puta.

Koeficijent toplinske difuzije također se naglo smanjuje. To, zajedno sa smanjenjem temperaturnog gradijenta, rezultira smanjenim učinkom toplinskog lećenja i stoga smanjenom vjerojatnošću pucanja uslijed naprezanja.

Termo-optički koeficijent je također smanjen, što dodatno smanjuje učinak toplinske leće.

Povećanje presjeka apsorpcije rijetkih zemalja iona uglavnom je posljedica smanjenja širenja uzrokovanog toplinskim efektom. Stoga se smanjuje snaga zasićenja i povećava lasersko pojačanje. Stoga se smanjuje prag snage pumpe, a mogu se dobiti kraći impulsi kada Q sklopka radi. Povećanjem propusnosti izlaznog spojnika može se poboljšati učinkovitost nagiba, tako da efekt gubitka u parazitskoj šupljini postaje manje važan.

Broj čestica ukupne niske razine kvazi-trorazinskog medija za pojačanje je smanjen, pa se smanjuje prag pumpne snage i poboljšava učinkovitost energije. Na primjer, Yb:YAG, koji proizvodi svjetlost na 1030 nm, može se smatrati kvazi-trorazinskim sustavom na sobnoj temperaturi, ali četverozavnim sustavom na 77K. Er: Isto vrijedi i za YAG.

Ovisno o mediju pojačanja, intenzitet nekih procesa gašenja bit će smanjen.

U kombinaciji s gore navedenim čimbenicima, rad na niskim temperaturama može uvelike poboljšati performanse lasera. Konkretno, laseri s niskim temperaturama hlađenja mogu postići vrlo visoku izlaznu snagu bez toplinskih učinaka, odnosno može se postići dobra kvaliteta snopa.

Jedno pitanje koje treba uzeti u obzir jest da će se u kriogenski hlađenom laserskom kristalu smanjiti propusnost zračene i apsorbirane svjetlosti, pa će raspon podešavanja valne duljine biti uži, a širina linije i stabilnost valne duljine pumpanog lasera bit će strožije. Međutim, ovaj je učinak obično rijedak.

Kriogeno hlađenje obično koristi rashladno sredstvo, poput tekućeg dušika ili tekućeg helija, a idealno bi bilo da rashladno sredstvo cirkulira kroz cijev pričvršćenu na laserski kristal. Rashladno sredstvo se s vremenom nadopunjuje ili reciklira u zatvorenoj petlji. Kako bi se izbjeglo skrućivanje, obično je potrebno laserski kristal smjestiti u vakuumsku komoru.

Koncept laserskih kristala koji rade na niskim temperaturama može se primijeniti i na pojačala. Titan-safir može se koristiti za izradu pojačala s pozitivnom povratnom spregom, prosječne izlazne snage u desecima vata.

Iako kriogeni uređaji za hlađenje mogu zakompliciratilaserski sustavi, uobičajeniji sustavi hlađenja često su manje jednostavni, a učinkovitost kriogenog hlađenja omogućuje određeno smanjenje složenosti.