Što je kriogeni laser

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

U velikoj snazilaserski izvori, toplinski učinci kao što je gubitak depolarizacije, toplinska leća ili savijanje laserskog kristala mogu utjecati na performanseizvor svjetlosti. Kroz niskotemperaturno hlađenje, mnogi štetni toplinski učinci mogu se učinkovito suzbiti, to jest, medij pojačanja mora se ohladiti na 77K ili čak 4K. Učinak hlađenja uglavnom uključuje:

Karakteristična vodljivost medija za pojačanje je uvelike inhibirana, uglavnom zato što je srednji slobodni put užeta povećan. Kao rezultat toga, temperaturni gradijent dramatično pada. Na primjer, kada se temperatura spusti s 300 K na 77 K, toplinska vodljivost YAG kristala povećava se za faktor sedam.

Koeficijent toplinske difuzije također se naglo smanjuje. To, zajedno sa smanjenjem temperaturnog gradijenta, rezultira smanjenim učinkom toplinske leće i stoga smanjenom vjerojatnošću pucanja pod naponom.

Termooptički koeficijent je također smanjen, dodatno smanjujući učinak toplinske leće.

Povećanje presjeka apsorpcije iona rijetke zemlje uglavnom je posljedica smanjenja širenja uzrokovanog toplinskim učinkom. Zbog toga se snaga zasićenja smanjuje, a pojačanje lasera povećava. Zbog toga se snaga pumpe praga smanjuje, a mogu se dobiti kraći impulsi kada Q sklopka radi. Povećanjem propusnosti izlazne spojnice, učinkovitost nagiba može se poboljšati, tako da učinak gubitka parazitske šupljine postaje manje važan.

Broj čestica ukupne niske razine kvazi-trorazinskog medija pojačanja je smanjen, tako da je prag pumpne snage smanjen i energetska učinkovitost je poboljšana. Na primjer, Yb:YAG, koji proizvodi svjetlost na 1030 nm, može se promatrati kao sustav s kvazi-tri razine na sobnoj temperaturi, ali kao sustav s četiri razine na 77K. Er: Isto vrijedi za YAG.

Ovisno o mediju pojačanja, smanjit će se intenzitet nekih procesa kaljenja.

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

Jedan problem koji treba uzeti u obzir je da će u kriohlađenom laserskom kristalu širina pojasa zračene svjetlosti i apsorbirane svjetlosti biti smanjena, tako da će raspon ugađanja valne duljine biti uži, a širina linije i stabilnost valne duljine pumpanog lasera bit će stroži. . 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. Rashladna tekućina se pravodobno nadopunjuje ili reciklira u zatvorenoj petlji. Kako bi se izbjeglo skrućivanje, obično je potrebno staviti laserski kristal u vakuumsku komoru.

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

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