Czym jest laser kriogeniczny

Koncepcja laserów pracujących w niskich temperaturach nie jest nowa: drugi laser w historii był kriogeniczny. Początkowo trudno było osiągnąć tę koncepcję w temperaturze pokojowej, a entuzjazm dla pracy w niskich temperaturach rozpoczął się w latach 90. XX wieku wraz z rozwojem laserów i wzmacniaczy dużej mocy.

W dużej mocyźródła laserowe, efekty termiczne, takie jak utrata depolaryzacji, zginanie soczewki termicznej lub kryształu lasera, mogą mieć wpływ na wydajnośćźródło światłaDzięki chłodzeniu niskotemperaturowemu można skutecznie stłumić wiele szkodliwych efektów termicznych, co oznacza, że ​​ośrodek wzmocnienia musi zostać schłodzony do 77 K, a nawet 4 K. Efekt chłodzenia obejmuje głównie:

Przewodność charakterystyczna ośrodka wzmocnienia jest znacznie ograniczona, głównie ze względu na zwiększenie średniej drogi swobodnej liny. W rezultacie gradient temperatury drastycznie spada. Na przykład, po obniżeniu temperatury z 300 K do 77 K, przewodność cieplna kryształu YAG wzrasta siedmiokrotnie.

Współczynnik dyfuzji cieplnej również gwałtownie spada. To, w połączeniu ze zmniejszeniem gradientu temperatury, skutkuje zmniejszeniem efektu soczewkowania termicznego, a tym samym mniejszym prawdopodobieństwem pęknięcia pod wpływem naprężeń.

Zmniejszono również współczynnik termooptyczny, co dodatkowo zmniejszyło efekt soczewki termicznej.

Wzrost przekroju czynnego absorpcji jonów ziem rzadkich wynika głównie ze zmniejszenia poszerzenia spowodowanego efektem termicznym. W związku z tym zmniejsza się moc nasycenia i wzrasta wzmocnienie lasera. W rezultacie zmniejsza się moc pompowania progowego, co pozwala uzyskać krótsze impulsy podczas działania przełącznika Q. Zwiększając transmitancję sprzęgacza wyjściowego, można poprawić sprawność nachylenia, dzięki czemu efekt strat pasożytniczych wnęk staje się mniej istotny.

Liczba cząstek całkowitego niskiego poziomu quasi-trójpoziomowego ośrodka wzmocnienia jest zmniejszona, co przekłada się na zmniejszenie progowej mocy pompowania i poprawę wydajności energetycznej. Na przykład Yb:YAG, który emituje światło o długości fali 1030 nm, można postrzegać jako układ quasi-trójpoziomowy w temperaturze pokojowej, ale jako układ czteropoziomowy w temperaturze 77 K. Er: To samo dotyczy YAG.

W zależności od ośrodka wzmocnienia intensywność niektórych procesów gaszenia będzie się zmniejszać.

W połączeniu z powyższymi czynnikami, praca w niskiej temperaturze może znacznie poprawić wydajność lasera. W szczególności lasery chłodzone w niskiej temperaturze pozwalają uzyskać bardzo wysoką moc wyjściową bez efektów termicznych, co oznacza, że ​​można uzyskać dobrą jakość wiązki.

Należy wziąć pod uwagę, że w krysztale lasera kriogenicznego szerokość pasma promieniowania i absorpcji światła ulegnie zmniejszeniu, co spowoduje węższy zakres dostrajania długości fali, a szerokość linii i stabilność długości fali lasera pompowanego będą bardziej rygorystyczne. Jednak ten efekt występuje zazwyczaj rzadko.

Chłodzenie kriogeniczne zazwyczaj wykorzystuje czynnik chłodniczy, taki jak ciekły azot lub ciekły hel, a w idealnym przypadku czynnik chłodniczy krąży w rurze przymocowanej do kryształu lasera. Chłodziwo jest uzupełniane na bieżąco lub poddawane recyklingowi w obiegu zamkniętym. Aby uniknąć zestalenia, zazwyczaj konieczne jest umieszczenie kryształu lasera w komorze próżniowej.

Koncepcja kryształów laserowych pracujących w niskich temperaturach może być również zastosowana we wzmacniaczach. Tytanowo-szafirowy materiał można wykorzystać do budowy wzmacniaczy ze sprzężeniem zwrotnym o średniej mocy wyjściowej rzędu dziesiątek watów.

Chociaż urządzenia chłodzące kriogeniczne mogą komplikowaćsystemy laserowe, powszechniejsze systemy chłodzenia są często mniej proste, a efektywność chłodzenia kriogenicznego pozwala na pewną redukcję złożoności.