Mikä on kryogeeninen laser

Matalassa lämpötilassa toimivien lasereiden käsite ei ole uusi: historian toinen laser oli kryogeeninen. Aluksi konseptin huoneenlämmössä toimiminen oli vaikeaa, ja innostus matalan lämpötilan työskentelyyn alkoi 1990-luvulla suurteholasereiden ja vahvistimien kehityksen myötä.

Suurella tehollalaserlähteetlämpövaikutukset, kuten depolarisaatiohäviö, lämpölinssi tai laserkiteen taittuminen, voivat vaikuttaa laitteen suorituskykyynvalonlähdeAlhaisen lämpötilan jäähdytyksellä voidaan tehokkaasti vaimentaa monia haitallisia lämpövaikutuksia, eli vahvistusväliaine on jäähdytettävä 77 K:n tai jopa 4 K:n lämpötilaan. Jäähdytysvaikutukseen kuuluvat pääasiassa:

Vahvistusväliaineen ominaisjohtavuus heikkenee huomattavasti, pääasiassa siksi, että köyden keskimääräinen vapaa matka kasvaa. Tämän seurauksena lämpötilagradientti laskee dramaattisesti. Esimerkiksi kun lämpötila laskee 300 K:sta 77 K:iin, YAG-kiteen lämmönjohtavuus kasvaa seitsemänkertaiseksi.

Myös lämpödiffuusiokerroin pienenee jyrkästi. Tämä yhdessä lämpötilagradientin pienenemisen kanssa johtaa lämpölinssivaikutuksen vähenemiseen ja siten jännitysmurtuman todennäköisyyden pienenemiseen.

Myös termo-optinen kerroin pienenee, mikä vähentää entisestään lämpölinssin vaikutusta.

Harvinaisten maametallien ionin absorptiovaikutusalan kasvu johtuu pääasiassa lämpövaikutuksen aiheuttaman levenemisen vähenemisestä. Tämän seurauksena kyllästysteho pienenee ja laservahvistus kasvaa. Tämän seurauksena kynnyspumppausteho pienenee ja Q-kytkimen ollessa toiminnassa voidaan saada lyhyempiä pulsseja. Lähtökytkimen läpäisykykyä lisäämällä voidaan parantaa kaltevuuden hyötysuhdetta, jolloin loisontelohäviövaikutuksesta tulee vähemmän merkittävä.

Kvasikolmitasoisen vahvistusväliaineen kokonaismatalapitoisuuden hiukkasmäärä pienenee, joten kynnyspumppausteho pienenee ja tehokkuus paranee. Esimerkiksi Yb:YAG, joka tuottaa valoa 1030 nm:n aallonpituudella, voidaan nähdä kvasikolmitasoisena järjestelmänä huoneenlämmössä, mutta nelitasoisena järjestelmänä 77 K:n lämpötilassa. Sama pätee YAG:hen.

Vahvistusväliaineesta riippuen joidenkin sammutusprosessien intensiteetti heikkenee.

Yhdessä edellä mainittujen tekijöiden kanssa matalan lämpötilan käyttö voi parantaa huomattavasti laserin suorituskykyä. Erityisesti matalan lämpötilan jäähdytyslaserit voivat saavuttaa erittäin suuren lähtötehon ilman lämpövaikutuksia, eli ne voivat saavuttaa hyvän säteen laadun.

Yksi huomioon otettava seikka on, että kryojäähdytetyssä laserkiteessä säteilevän ja absorboituneen valon kaistanleveys pienenee, joten aallonpituuden viritysalue on kapeampi ja pumpattavan laserin viivan leveys ja aallonpituuden stabiilius ovat tiukempia. Tämä vaikutus on kuitenkin yleensä harvinainen.

Kryogeenisessä jäähdytyksessä käytetään yleensä jäähdytysainetta, kuten nestemäistä typpeä tai nestemäistä heliumia, ja ihanteellisessa tapauksessa kylmäaine kiertää laserkiteeseen kiinnitetyn putken läpi. Jäähdytysnestettä täydennetään ajan myötä tai se kierrätetään suljetussa kierrossa. Jähmettymisen välttämiseksi laserkide on yleensä tarpeen sijoittaa tyhjiökammioon.

Matalassa lämpötilassa toimivien laserkiteiden käsitettä voidaan soveltaa myös vahvistimiin. Titaanisafiiriä voidaan käyttää positiivisen takaisinkytkennän vahvistimien valmistukseen, joiden keskimääräinen lähtöteho on kymmeniä watteja.

Vaikka kryogeeniset jäähdytyslaitteet voivat vaikeuttaalaserjärjestelmätYleisemmät jäähdytysjärjestelmät ovat usein vähemmän yksinkertaisia, ja kryogeenisen jäähdytyksen tehokkuus mahdollistaa jonkin verran monimutkaisuuden vähentämistä.