Šta je kriogeni laser

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

Pri velikoj snazilaserski izvoriTermički efekti poput gubitka depolarizacije, termalnog sočiva ili savijanja laserskog kristala mogu uticati na performanseizvor svjetlostiHlađenjem na niskim temperaturama mogu se efikasno suzbiti mnogi štetni termalni efekti, odnosno, medij za pojačanje treba ohladiti na 77K ili čak 4K. Efekat hlađenja uglavnom uključuje:

Karakteristična provodljivost pojačavajućeg medija je znatno smanjena, uglavnom zbog povećanja srednjeg slobodnog puta užeta. Kao rezultat toga, temperaturni gradijent dramatično opada. Na primjer, kada se temperatura snizi sa 300K na 77K, toplotna provodljivost YAG kristala se povećava sedam puta.

Koeficijent termalne difuzije također naglo opada. To, zajedno sa smanjenjem temperaturnog gradijenta, rezultira smanjenim efektom termalnog sočiva i stoga smanjenom vjerovatnoćom pucanja usljed napona.

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

Povećanje poprečnog presjeka apsorpcije rijetkozemnih iona uglavnom je posljedica smanjenja širenja uzrokovanog termičkim efektom. Stoga se smanjuje snaga zasićenja i povećava lasersko pojačanje. Stoga se smanjuje prag snage pumpe i mogu se dobiti kraći impulsi kada Q prekidač radi. Povećanjem propusnosti izlaznog spojnika može se poboljšati efikasnost nagiba, tako da efekat gubitka u parazitskoj šupljini postaje manje važan.

Broj čestica ukupnog niskog nivoa kvazi-troslojnog medija za pojačanje je smanjen, tako da je prag snage pumpanja smanjen, a efikasnost energije poboljšana. Na primjer, Yb:YAG, koji proizvodi svjetlost na 1030nm, može se smatrati kvazi-troslojnim sistemom na sobnoj temperaturi, ali četveroslojnim sistemom na 77K. Er: Isto važi i za YAG.

U zavisnosti od pojačavajućeg medija, intenzitet nekih procesa gašenja će se smanjiti.

U kombinaciji s gore navedenim faktorima, rad na niskim temperaturama može značajno poboljšati performanse lasera. Konkretno, laseri s niskim temperaturama hlađenja mogu postići vrlo visoku izlaznu snagu bez termičkih efekata, odnosno može se postići dobar kvalitet snopa.

Jedno pitanje koje treba uzeti u obzir je da će se u kriogeno hlađenom laserskom kristalu smanjiti propusni opseg izračene svjetlosti i apsorbirane svjetlosti, tako da će raspon podešavanja valne duljine biti uži, a širina linije i stabilnost valne duljine pumpanog lasera bit će strožije. Međutim, ovaj efekt je obično rijedak.

Kriogeno hlađenje obično koristi rashladno sredstvo, kao što je tekući dušik ili tekući helij, a idealno je da rashladno sredstvo cirkulira kroz cijev pričvršćenu za laserski kristal. Rashladno sredstvo se s vremenom dopunjuje ili reciklira u zatvorenoj petlji. Da bi se izbjeglo očvršćavanje, obično je potrebno laserski kristal smjestiti u vakuumsku komoru.

Koncept laserskih kristala koji rade na niskim temperaturama može se primijeniti i na pojačala. Titanijum-safir se može koristiti za izradu pojačala sa pozitivnom povratnom spregom, sa prosječnom izlaznom snagom u desetinama vati.

Iako kriogeni uređaji za hlađenje mogu zakompliciratilaserski sistemi, uobičajeniji sistemi hlađenja često su manje jednostavni, a efikasnost kriogenog hlađenja omogućava određeno smanjenje složenosti.