Čo je kryogénny laser

Koncept laserov pracujúcich pri nízkych teplotách nie je nový: druhý laser v histórii bol kryogénny. Spočiatku bolo ťažké dosiahnuť prevádzku pri izbovej teplote a nadšenie pre prácu pri nízkych teplotách sa začalo v 90. rokoch 20. storočia s vývojom vysokovýkonných laserov a zosilňovačov.

Pri vysokom výkonelaserové zdrojeTepelné účinky, ako napríklad strata depolarizácie, tepelné šošovky alebo ohýbanie laserového kryštálu, môžu ovplyvniť výkonzdroj svetlaNízkoteplotným chladením 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 výrazne znížená, najmä preto, že sa zvyšuje stredná voľná dráha lana. V dôsledku toho dramaticky klesá teplotný gradient. Napríklad, keď sa teplota zníži z 300 K na 77 K, tepelná vodivosť kryštálu YAG sa zvýši sedemnásobne.

Koeficient tepelnej difúzie tiež prudko klesá. To spolu so znížením teplotného gradientu vedie k zníženiu efektu tepelnej šošovky, a tým k zníženiu pravdepodobnosti pretrhnutia v dôsledku napätia.

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

Zvýšenie absorpčného prierezu iónov vzácnych zemín je spôsobené najmä znížením rozšírenia spôsobeného tepelným efektom. Preto sa znižuje saturačný výkon a zvyšuje sa laserový zisk. Preto sa znižuje prahový výkon čerpania a pri prevádzke Q spínača je možné dosiahnuť kratšie impulzy. Zvýšením priepustnosti výstupného väzobného člena je možné zlepšiť účinnosť sklonu, takže efekt parazitných strát v dutine sa stáva menej významným.

Počet častíc celkovej nízkej úrovne kvázi trojúrovňového zosilňovacieho média sa zníži, čím sa zníži prahový čerpací výkon a zlepší sa energetická účinnosť. Napríklad Yb:YAG, ktorý produkuje svetlo pri 1030 nm, sa pri izbovej teplote môže považovať za kvázi trojúrovňový systém, ale pri 77 K za štvorúrovňový systém. Er: To isté platí pre YAG.

V závislosti od zosilňovacieho média sa intenzita niektorých procesov kalenia zníži.

V kombinácii s vyššie uvedenými faktormi môže prevádzka pri nízkych teplotách výrazne zlepšiť výkon lasera. Najmä nízkoteplotné chladiace lasery dokážu dosiahnuť veľmi vysoký výstupný výkon bez tepelných účinkov, čo znamená, že je možné dosiahnuť dobrú kvalitu lúča.

Jedným z problémov, ktoré treba zvážiť, je, že v kryochladenom laserovom kryštáli sa zníži šírka pásma vyžarovaného a absorbovaného svetla, takže rozsah ladenia vlnovej dĺžky bude užší a šírka čiary a stabilita vlnovej dĺžky čerpaného laseru budú prísnejšie. Tento efekt je však zvyčajne zriedkavý.

Kryogénne chladenie zvyčajne používa chladivo, ako je kvapalný dusík alebo kvapalné 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 laserový kryštál do vákuovej komory.

Koncept laserových kryštálov pracujúcich pri nízkych teplotách možno aplikovať aj na zosilňovače. Titán-zafír sa dá použiť na výrobu zosilňovačov s pozitívnou spätnou väzbou s priemerným výstupným výkonom v desiatkach wattov.

Hoci kryogénne chladiace zariadenia môžu komplikovaťlaserové systémyBežnejšie chladiace systémy sú často menej jednoduché a účinnosť kryogénneho chladenia umožňuje určité zníženie zložitosti.