Šta je kriogeni laser

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

U velikoj snazilaserski izvori, termalni efekti kao što su gubitak depolarizacije, termalna sočiva ili savijanje laserskog kristala mogu utjecati na performanse uređajaizvor svjetlosti. Kroz niskotemperaturno hlađenje, mnogi štetni termalni efekti se mogu efikasno potisnuti, odnosno medij pojačanja treba da se ohladi na 77K ili čak 4K. Efekat hlađenja uglavnom uključuje:

Karakteristična provodljivost medijuma za pojačavanje je u velikoj meri inhibirana, uglavnom zato što je povećana srednja slobodna putanja užeta. Kao rezultat toga, temperaturni gradijent dramatično opada. Na primjer, kada se temperatura spusti sa 300K na 77K, toplotna provodljivost YAG kristala se povećava za faktor sedam.

Koeficijent toplinske difuzije također naglo opada. Ovo, zajedno sa smanjenjem temperaturnog gradijenta, rezultira smanjenim efektom termičkog sočiva i samim tim smanjenom vjerovatnoćom rupture naprezanja.

Termo-optički koeficijent je takođe smanjen, dodatno smanjujući efekat termičkog sočiva.

Povećanje poprečnog presjeka apsorpcije jona rijetkih zemalja uglavnom je posljedica smanjenja širenja uzrokovanog termičkim efektom. Zbog toga se smanjuje snaga zasićenja i povećava se pojačanje lasera. Zbog toga je granična snaga pumpe smanjena, a kraći impulsi se mogu dobiti kada Q prekidač radi. Povećanjem propustljivosti izlaznog spojnika, efikasnost nagiba se može poboljšati, tako da efekat gubitka parazitne šupljine postaje manje važan.

Broj čestica ukupnog niskog nivoa kvazi-trostepenog medijuma za pojačavanje je smanjen, tako da je smanjena granična pumpna snaga i poboljšana energetska efikasnost. Na primjer, Yb:YAG, koji proizvodi svjetlost na 1030 nm, može se posmatrati kao sistem kvazi tri nivoa na sobnoj temperaturi, ali sistem na četiri nivoa na 77K. Er: Isto važi i za YAG.

U zavisnosti od medijuma pojačanja, intenzitet nekih procesa gašenja će biti smanjen.

U kombinaciji s gore navedenim faktorima, rad na niskim temperaturama može uvelike poboljšati performanse lasera. Konkretno, laseri za hlađenje na niskim temperaturama mogu dobiti vrlo veliku izlaznu snagu bez termičkih efekata, odnosno može se postići dobar kvalitet zraka.

Jedno pitanje koje treba uzeti u obzir je da će u kriohlađenom laserskom kristalu širina opsega zračenog i apsorbovanog svjetla biti smanjena, tako da će raspon podešavanja valne dužine biti uži, a širina linije i stabilnost talasne dužine pumpanog lasera će biti stroži. . Međutim, ovaj efekat je obično rijedak.

Kriogeno hlađenje obično koristi rashladnu tečnost, kao što je tečni azot ili tečni helijum, a idealno bi bilo da rashladno sredstvo cirkuliše kroz cijev pričvršćenu na laserski kristal. Rashladna tečnost se dopunjuje na vrijeme ili reciklira u zatvorenom krugu. Kako bi se izbjeglo skrućivanje, obično je potrebno postaviti laserski kristal u vakuumsku komoru.

Koncept laserskih kristala koji rade na niskim temperaturama može se primijeniti i na pojačala. Titan safir se može koristiti za pravljenje pojačala s pozitivnom povratnom spregom, prosječne izlazne snage u desetinama vati.

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