Czym jest „laser kriogeniczny”? W rzeczywistości jest tolaserktóry wymaga pracy w niskiej temperaturze ośrodka wzmacniającego.
Koncepcja laserów działających w niskich temperaturach nie jest nowa: drugi laser w historii był kriogeniczny. Początkowo koncepcja była trudna do osiągnięcia 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 światła. Poprzez chłodzenie w niskiej temperaturze można skutecznie stłumić wiele szkodliwych efektów cieplnych, tzn. ośrodek wzmocnienia musi zostać schłodzony do 77K lub nawet 4K. Efekt chłodzenia obejmuje głównie:
Charakterystyczna przewodność ośrodka wzmocnienia jest znacznie hamowana, głównie dlatego, że średnia droga swobodna liny jest zwiększona. W rezultacie gradient temperatury spada drastycznie. Na przykład, gdy temperatura zostanie obniżona z 300K do 77K, przewodność cieplna kryształu YAG wzrasta siedmiokrotnie.
Współczynnik dyfuzji cieplnej również gwałtownie spada. To, wraz ze zmniejszeniem gradientu temperatury, skutkuje zmniejszonym efektem soczewkowania cieplnego, a zatem zmniejszonym prawdopodobieństwem pęknięcia naprężeniowego.
Zmniejszono również współczynnik termooptyczny, co dodatkowo zmniejszyło efekt soczewki termicznej.
Wzrost przekroju absorpcyjnego jonu ziem rzadkich wynika głównie ze zmniejszenia poszerzenia spowodowanego efektem cieplnym. Dlatego moc nasycenia jest zmniejszona, a wzmocnienie lasera jest zwiększone. Dlatego moc pompy progowej jest zmniejszona, a krótsze impulsy można uzyskać, gdy przełącznik Q jest włączony. Poprzez zwiększenie transmitancji sprzęgacza wyjściowego można poprawić wydajność nachylenia, więc efekt strat pasożytniczych wnęki staje się mniej ważny.
Liczba cząstek całkowitego niskiego poziomu quasi-trójpoziomowego ośrodka wzmocnienia jest zmniejszona, więc moc pompowania progowego jest zmniejszona, a wydajność energetyczna jest poprawiona. Na przykład Yb:YAG, który wytwarza 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 wzmacniającego, intensywność niektórych procesów gaszenia może ulec zmniejszeniu.
W połączeniu z powyższymi czynnikami, praca w niskiej temperaturze może znacznie poprawić wydajność lasera. W szczególności lasery chłodzące w niskiej temperaturze mogą uzyskać bardzo wysoką moc wyjściową bez efektów termicznych, czyli można uzyskać dobrą jakość wiązki.
Jedną z kwestii do rozważenia jest to, że w kriogenicznym krysztale lasera szerokość pasma światła emitowanego i światła absorbowanego zostanie zmniejszona, więc zakres strojenia długości fali będzie węższy, a szerokość linii i stabilność długości fali pompowanego lasera będą bardziej rygorystyczne. Jednak ten efekt jest zwykle rzadki.
Chłodzenie kriogeniczne zwykle wykorzystuje chłodziwo, takie jak ciekły azot lub ciekły hel, a w idealnym przypadku chłodziwo krąży przez rurkę przymocowaną do kryształu lasera. Chłodziwo jest uzupełniane na czas lub poddawane 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 do wzmacniaczy. Tytanowy szafir można wykorzystać do wykonania wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym dodatnim, 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.
Czas publikacji: 14-07-2023