Čo je kryogénny laser

Koncept laserov pracujúcich pri nízkych teplotách nie je nový: druhý laser v histórii bol kryogénny. Spočiatku sa koncept ťažko dosiahol prevádzku teploty miestnosti a nadšenie pre prácu s nízkou teplotou sa začalo v 90. rokoch 20. storočia vývojom vysoko výkonných laserov a zosilňovačov.

Vysoká energialaserové zdroje, tepelné účinky, ako je strata depolarizácie, tepelné šošovky alebo ohýbanie laserových kryštálov, môžu ovplyvniť výkonnosťsvetelný zdroj. Prostredníctvom chladenia s nízkou teplotou je možné účinne potlačiť veľa škodlivých tepelných účinkov, to znamená, že ziskové médium je potrebné ochladiť na 77 000 alebo dokonca 4K. Účinok chladenia zahŕňa:

Charakteristická vodivosť ziskového média je veľmi inhibovaná, hlavne preto, že sa zvyšuje priemerná voľná cesta lana. Výsledkom je, že teplotný gradient dramaticky klesá. Napríklad, keď sa teplota zníži z 300 000 na 77 000, tepelná vodivosť kryštálu YAG sa zvyšuje o sedem.

Koeficient tepelnej difúzie tiež prudko klesá. To spolu so znížením teplotného gradientu vedie k zníženému účinku tepelného šošovky, a teda k zníženej pravdepodobnosti prasknutia stresu.

Termo-optický koeficient sa tiež zníži, čím sa ďalej znižuje účinok tepelnej šošovky.

Zvýšenie absorpčného prierezu iónov vzácnych zemín je spôsobené najmä znížením rozšírenia spôsobeného tepelným účinkom. Preto sa saturačná sila zníži a zvýši sa laserový zisk. Preto sa zníži výkon prahového čerpadla a pri prevádzke Q prepínača je možné získať kratšie impulzy. Zvýšením priepustnosti výstupného spojenia sa môže zlepšiť účinnosť sklonu, takže účinok straty parazitickej dutiny sa stáva menej dôležitým.

Počet častíc z celkovej nízkej úrovne média zisku na úrovni kvázi-tri sa zníži, takže prahový čerpací výkon sa zníži a zlepší sa výkonová účinnosť. Napríklad YB: YAG, ktorý produkuje svetlo pri 1030nm, možno vnímať ako kvázi trojúrovňový systém pri izbovej teplote, ale systém so štyrmi úrovňami pri 77 000. ER: To isté platí pre Yag.

V závislosti od ziskového média sa zníži intenzita niektorých procesov ochladenia.

V kombinácii s vyššie uvedenými faktormi môže prevádzka nízkej teploty výrazne zlepšiť výkon lasera. Obzvlášť chladiace lasery s nízkou teplotou môžu získať veľmi vysoký výkon bez tepelných efektov, to znamená, že je možné získať dobrú kvalitu lúča.

Jedným z problémov, ktoré je potrebné zvážiť, je to, že v kryoochulovanom laserovom kryštáli sa zníži šírka pásma vyžarovaného svetla a absorbované svetlo, takže rozsah ladenia vlnovej dĺžky bude užší a šírka čiary a stabilita vlnovej dĺžky čerpaného lasera bude prísnejšia. Tento účinok je však zvyčajne zriedkavý.

Kryogénne chladenie zvyčajne používa chladivo, ako je tekutý dusík alebo tekutý hélium, a v ideálnom prípade chladivo cirkuluje cez trubicu pripevnenú na laserový kryštál. Chladivo sa dopĺňa v čase alebo recykluje v uzavretej slučke. Aby sa predišlo tuhnutiu, je zvyčajne potrebné umiestniť laserový kryštál vo vákuovej komore.

Koncept laserových kryštálov pracujúcich pri nízkych teplotách sa môže použiť aj na zosilňovače. Titánsky zafír sa môže použiť na vytvorenie pozitívneho zosilňovača spätnej väzby, priemerného výstupného výkonu v desiatkach wattov.

Aj keď sa môžu komplikovať kryogénne chladiace zariadenialaserové systémy, bežnejšie chladiace systémy sú často menej jednoduché a účinnosť kryogénneho chladenia umožňuje určité zníženie zložitosti.