Co to jest laser kriogeniczny

Pojęcie laserów działających w niskich temperaturach nie jest nowe: drugi laser w historii był kriogeniczny. Początkowo koncepcja była trudna do osiągnięcia operacji temperatury pokojowej, a entuzjazm dla prac o niskiej temperaturze rozpoczął się w latach 90. wraz z rozwojem laserów i wzmacniaczy dużej mocy.

W dużej mocyŹródła laserowe, Efekty termiczne, takie jak utrata depolaryzacji, soczewka termiczna lub zgięcie kryształów laserowych, mogą wpływać na wydajnośćźródło światła. Poprzez chłodzenie w niskiej temperaturze wiele szkodliwych efektów termicznych można skutecznie tłumić, to znaczy medium wzmocnienia należy schłodzić do 77K, a nawet 4k. Efekt chłodzenia obejmuje głównie:

Charakterystyczne przewodnictwo pożywki wzmocnienia jest znacznie hamowane, głównie dlatego, że zwiększa się średnia wolna ścieżka liny. W rezultacie gradient temperatury spadnie dramatycznie. Na przykład, gdy temperatura jest obniżona z 300k do 77K, przewodność cieplna kryształu YAG wzrasta o współczynnik siedmiu.

Współczynnik dyfuzji termicznej również gwałtownie maleje. To, wraz ze zmniejszeniem gradientu temperatury, powoduje zmniejszenie efektu soczewki termicznej, a zatem zmniejszone prawdopodobieństwo pęknięcia naprężeń.

Współczynnik termooptyczny jest również zmniejszony, co dodatkowo zmniejsza efekt soczewki termicznej.

Wzrost przekroju absorpcji jonu ziem rzadkich wynika głównie ze zmniejszenia poszerzenia spowodowanego efektem termicznym. Dlatego moc nasycenia jest zmniejszona, a przyrost lasera jest zwiększony. Dlatego moc pompy progowej jest zmniejszona, a krótsze impulsy można uzyskać, gdy przełącznik Q działa. Poprzez zwiększenie transmisji łącznika wyjściowego skuteczność nachylenia można poprawić, aby efekt utraty wnęki pasożytniczej staje się mniej ważny.

Liczba cząstek całkowitego niskiego poziomu podłoża wzmocnienia quasi-trzech poziomów jest zmniejszona, więc moc pompowania progu jest zmniejszona i poprawia wydajność energetyczną. Na przykład YB: YAG, który wytwarza światło przy 1030 Nm, może być postrzegany jako system quasi-trzech poziomów w temperaturze pokojowej, ale czteropoziomowy system na 77 tys. ER: To samo dotyczy Yag.

W zależności od pożywki wzmocnienia intensywność niektórych procesów wygaszania zostanie zmniejszona.

W połączeniu z powyższymi czynnikami obsługa niskiej temperatury może znacznie poprawić wydajność lasera. W szczególności lasery chłodzenia w niskiej temperaturze mogą uzyskać bardzo wysoką moc wyjściową bez efektów termicznych, to znaczy dobrej jakości wiązki można uzyskać.

Jednym z problemów, które należy wziąć pod uwagę, jest to, że w kriokolowanym krysztale laserowym przepustowość promieniowanego światła i pochłoniętego światła zostanie zmniejszona, więc zakres strojenia długości fali będzie węższy, a stabilność szerokości linii i długości fali pompowanego lasera będzie bardziej rygorystyczna. Jednak ten efekt jest zwykle rzadki.

Chłodzenie kriogeniczne zwykle wykorzystuje płyn chłodzący, taki jak ciekły azot lub hel ciekły, a najlepiej czynnik chłodniczy krąży przez rurkę przymocowaną do kryształu lasera. Chłód jest uzupełniany w czasie lub poddany recyklingowi w zamkniętej pętli. Aby uniknąć zestalenia, zwykle konieczne jest umieszczenie kryształu lasera w komorze próżniowej.

Do wzmacniaczy można również zastosować pojęcie kryształów laserowych działających w niskich temperaturach. Sapphire tytanu można użyć do tworzenia pozytywnego wzmacniacza sprzężenia zwrotnego, średniej mocy wyjściowej w dziesiątkach Watts.

Chociaż kriogeniczne urządzenia chłodzące mogą się komplikowaćSystemy laserowe, bardziej popularne systemy chłodzenia są często mniej proste, a wydajność chłodzenia kriogenicznego pozwala na pewne zmniejszenie złożoności.