Čo je kryogénny laser

Koncept laserov pracujúcich pri nízkych teplotách nie je nový: druhý laser v histórii bol kryogénny. Spočiatku bol tento koncept náročný na dosiahnutie prevádzky pri izbovej teplote a nadšenie pre prácu pri nízkych teplotách začalo v 90. rokoch s vývojom vysokovýkonných laserov a zosilňovačov.

Vo vysokej silelaserové zdrojetepelné efekty, ako je strata depolarizácie, tepelná šošovka alebo ohýbanie laserových kryštálov, môžu ovplyvniť výkon zariadeniasvetelný zdroj. Prostredníctvom nízkoteplotného chladenia možno účinne potlačiť mnohé škodlivé tepelné účinky, to znamená, že zosilňovacie médium je potrebné ochladiť na 77 K alebo dokonca 4 K. Chladiaci účinok zahŕňa najmä:

Charakteristická vodivosť zosilňovacieho média je značne inhibovaná, hlavne preto, že stredná voľná dráha lana je zvýšená. V dôsledku toho teplotný gradient dramaticky klesá. Napríklad, keď sa teplota zníži z 300 K na 77 K, tepelná vodivosť kryštálu YAG sa zvýši sedemkrát.

Koeficient tepelnej difúzie tiež prudko klesá. To spolu so znížením teplotného gradientu má za následok znížený efekt tepelnej šošovky a tým aj zníženú pravdepodobnosť prasknutia napätím.

Termooptický koeficient je tiež znížený, čím sa ďalej znižuje efekt tepelnej šošovky.

Nárast absorpčného prierezu iónu vzácnych zemín je spôsobený najmä znížením rozšírenia spôsobeného tepelným efektom. Preto sa zníži saturačný výkon a zvýši sa zisk lasera. Preto je prahový výkon čerpadla znížený a pri prevádzke Q spínača je možné získať kratšie impulzy. Zvýšením priepustnosti výstupnej spojky sa môže zlepšiť účinnosť sklonu, takže efekt straty parazitnej dutiny sa stáva menej dôležitým.

Počet častíc celkovej nízkej úrovne média kvázi trojúrovňového zosilnenia je znížený, takže prahový čerpací výkon je znížený a energetická účinnosť je zlepšená. Napríklad Yb:YAG, ktorý produkuje svetlo pri 1030nm, možno považovať za kvázi trojúrovňový systém pri izbovej teplote, ale štvorúrovňový systém pri 77K. Er: To isté platí pre YAG.

V závislosti od média zosilnenia sa intenzita niektorých procesov zhášania zníži.

V kombinácii s vyššie uvedenými faktormi môže prevádzka pri nízkej teplote výrazne zlepšiť výkon lasera. Najmä nízkoteplotné chladiace lasery môžu získať veľmi vysoký výstupný výkon bez tepelných účinkov, to znamená, že je možné dosiahnuť dobrú kvalitu lúča.

Jedným problémom, ktorý treba zvážiť, je, že v kryochladzovacom laserovom kryštáli sa šírka pásma vyžarovaného svetla a absorbovaného svetla zníži, takže rozsah ladenia vlnovej dĺžky bude užší a šírka čiary a stabilita vlnovej dĺžky čerpaného lasera budú prísnejšie. . Tento účinok je však zvyčajne zriedkavý.

Kryogénne chladenie zvyčajne používa chladivo, ako je tekutý dusík alebo tekuté hélium, a ideálne chladivo cirkuluje cez trubicu pripojenú k laserovému kryštálu. Chladiaca kvapalina sa včas dopĺňa alebo recykluje v uzavretej slučke. Aby sa zabránilo stuhnutiu, je zvyčajne potrebné umiestniť kryštál lasera do vákuovej komory.

Koncept laserových kryštálov pracujúcich pri nízkych teplotách je možné aplikovať aj na zosilňovače. Titánový zafír sa dá použiť na výrobu zosilňovača s pozitívnou spätnou väzbou, priemerný výstupný výkon v desiatkach wattov.

Aj keď kryogénne chladiace zariadenia môžu skomplikovaťlaserové systémyBežnejšie chladiace systémy sú často menej jednoduché a účinnosť kryogénneho chladenia umožňuje určité zníženie zložitosti.