Co to jest laser kriogeniczny

Koncepcja laserów działających w niskich temperaturach nie jest nowa: drugi w historii laser był laserem kriogenicznym. Początkowo koncepcja była trudna do osiągnięcia przy pracy w temperaturze pokojowej, a entuzjazm do pracy w niskich temperaturach rozpoczął się w latach 90. XX wieku wraz z opracowaniem laserów i wzmacniaczy dużej mocy.

W dużej mocyźródła laseroweefekty termiczne, takie jak utrata depolaryzacji, soczewka termiczna lub zginanie kryształów lasera, mogą mieć wpływ na działanieźródło światła. Dzięki chłodzeniu niskotemperaturowemu można skutecznie stłumić wiele szkodliwych efektów cieplnych, co oznacza, że ​​ośrodek wzmacniający musi zostać schłodzony do 77 K, a nawet 4 K. Efekt chłodzenia obejmuje głównie:

Charakterystyczna przewodność ośrodka wzmacniającego jest znacznie zmniejszona, głównie z powodu zwiększenia średniej swobodnej drogi liny. W rezultacie gradient temperatury drastycznie spada. Na przykład, gdy temperatura zostanie obniżona z 300 K do 77 K, przewodność cieplna kryształu YAG wzrasta siedmiokrotnie.

Współczynnik dyfuzji ciepła również gwałtownie spada. To, wraz ze zmniejszeniem gradientu temperatury, skutkuje zmniejszeniem efektu soczewkowania termicznego, a tym samym zmniejszonym prawdopodobieństwem pęknięcia naprężeniowego.

Zmniejsza się także współczynnik termooptyczny, co jeszcze bardziej ogranicza efekt soczewki termicznej.

Wzrost przekroju absorpcji jonów metali ziem rzadkich wynika głównie ze zmniejszenia poszerzenia spowodowanego efektem termicznym. Dlatego moc nasycenia jest zmniejszona, a wzmocnienie lasera zwiększone. Dlatego progowa moc pompy jest zmniejszona i można uzyskać krótsze impulsy, gdy działa przełącznik Q. Zwiększając transmitancję sprzęgacza wyjściowego, można poprawić wydajność nachylenia, dzięki czemu efekt utraty pasożytniczej wnęki staje się mniej istotny.

Liczba cząstek całkowitego niskiego poziomu quasi-trójpoziomowego ośrodka wzmacniającego jest zmniejszona, więc progowa moc pompowania jest zmniejszona i poprawia się wydajność energetyczna. Na przykład Yb:YAG, który wytwarza światło o długości fali 1030 nm, można postrzegać jako układ quasi-trójpoziomowy w temperaturze pokojowej, ale układ czteropoziomowy w temperaturze 77 K. Er: To samo dotyczy YAG.

W zależności od medium wzmacniającego intensywność niektórych procesów hartowania zostanie zmniejszona.

W połączeniu z powyższymi czynnikami, działanie w niskiej temperaturze może znacznie poprawić wydajność lasera. W szczególności lasery chłodzące w niskiej temperaturze mogą uzyskać bardzo wysoką moc wyjściową bez efektów termicznych, to znaczy można uzyskać dobrą jakość wiązki.

Jedną z kwestii do rozważenia jest to, że w kriochłodzonym krysztale lasera szerokość pasma światła wypromieniowanego i światła zaabsorbowanego zostanie zmniejszona, więc zakres strojenia długości fali będzie węższy, a szerokość linii i stabilność długości fali pompowanego lasera będą bardziej rygorystyczne . Jednak efekt ten jest zwykle rzadki.

Chłodzenie kriogeniczne zwykle wykorzystuje chłodziwo, takie jak ciekły azot lub ciekły hel, a w idealnym przypadku czynnik chłodniczy krąży przez rurkę przymocowaną do kryształu lasera. Płyn chłodzący jest uzupełniany na czas lub poddawany recyklingowi w obiegu zamkniętym. Aby uniknąć zestalenia, zwykle konieczne jest umieszczenie kryształu lasera w komorze próżniowej.

Koncepcję kryształów laserowych działających w niskich temperaturach można również zastosować we wzmacniaczach. Szafir tytanowy można wykorzystać do wzmacniacza z dodatnim sprzężeniem zwrotnym, średnia moc wyjściowa w dziesiątkach watów.

Chociaż kriogeniczne urządzenia chłodzące mogą być skomplikowanesystemy laserowe, bardziej powszechne systemy chłodzenia są często mniej proste, a wydajność chłodzenia kriogenicznego pozwala na pewne zmniejszenie złożoności.