Mikä on kryogeeninen laser

Matalissa lämpötiloissa toimivien lasereiden käsite ei ole uusi: historian toinen laser oli kryogeeninen. Aluksi konseptia oli vaikea saavuttaa huoneenlämpötilassa, ja innostus matalan lämpötilan työhön alkoi 1990-luvulla, kun kehitettiin suuritehoisia lasereita ja vahvistimia.

Suurella tehollalaserlähteet, lämpövaikutukset, kuten depolarisaatiohäviö, lämpölinssi tai laserkidetaivutus, voivat vaikuttaa laitteen suorituskykyynvalonlähde. Matalalämpötilajäähdytyksellä voidaan tehokkaasti tukahduttaa monia haitallisia lämpövaikutuksia, eli vahvistusväliaine on jäähdytettävä 77K tai jopa 4K:iin. Jäähdytysvaikutus sisältää pääasiassa:

Vahvistusväliaineen ominaisjohtavuus estyy suuresti, pääasiassa siksi, että köyden keskimääräinen vapaa reitti kasvaa. Tämän seurauksena lämpötilagradientti laskee dramaattisesti. Esimerkiksi kun lämpötila lasketaan 300 K:sta 77 K:iin, YAG-kiteen lämmönjohtavuus kasvaa seitsemän kertaa.

Myös lämpödiffuusiokerroin pienenee jyrkästi. Tämä yhdessä lämpötilagradientin alenemisen kanssa johtaa heikentyneeseen lämpölinssivaikutukseen ja siten pienempään jännitysmurtuman todennäköisyyteen.

Myös lämpöoptinen kerroin pienenee, mikä vähentää entisestään lämpölinssin vaikutusta.

Harvinaisen maametallin ionin absorptiopoikkileikkauksen kasvu johtuu pääasiassa lämpövaikutuksen aiheuttamasta levenemisen vähenemisestä. Siksi kyllästysteho pienenee ja laservahvistus kasvaa. Siksi kynnyspumpun teho pienenee ja voidaan saada lyhyempiä pulsseja, kun Q-kytkin on toiminnassa. Lisäämällä lähtökytkimen läpäisevyyttä voidaan parantaa kaltevuuden tehokkuutta, jolloin loisontelon häviövaikutus vähenee.

Kvasikolmitasoisen vahvistusväliaineen koko matalan tason hiukkasluku pienenee, joten kynnyspumppausteho pienenee ja tehon hyötysuhde paranee. Esimerkiksi Yb:YAG, joka tuottaa valoa aallonpituudella 1030 nm, voidaan nähdä lähes kolmitasoisena järjestelmänä huoneenlämmössä, mutta nelitasoisena järjestelmänä 77 K:ssä. Er: Sama pätee YAG:hen.

Vahvistusväliaineesta riippuen joidenkin sammutusprosessien intensiteetti vähenee.

Yhdessä yllä olevien tekijöiden kanssa alhaisen lämpötilan toiminta voi parantaa laserin suorituskykyä huomattavasti. Erityisesti matalan lämpötilan jäähdytyslaserit voivat saada erittäin suuren lähtötehon ilman lämpövaikutuksia, eli voidaan saavuttaa hyvä säteen laatu.

Yksi huomioon otettava seikka on se, että kryojäähdytetyssä laserkiteessä säteilevän valon ja absorboituneen valon kaistanleveys pienenee, joten aallonpituuden viritysalue on kapeampi ja pumpattavan laserin viivanleveys ja aallonpituuden stabiilisuus ovat tiukemmat. . Tämä vaikutus on kuitenkin yleensä harvinainen.

Kryogeenisessa jäähdytyksessä käytetään yleensä jäähdytysainetta, kuten nestemäistä typpeä tai nestemäistä heliumia, ja ihanteellisesti kylmäaine kiertää laserkiteeseen kiinnitetyn putken läpi. Jäähdytysnestettä täydennetään ajoissa tai kierrätetään suljetussa kierrossa. Kiinteytymisen välttämiseksi laserkide on yleensä asetettava tyhjökammioon.

Alhaisissa lämpötiloissa toimivien laserkiteiden käsitettä voidaan soveltaa myös vahvistimiin. Titaanisafiirista voidaan tehdä positiivinen takaisinkytkentävahvistin, keskimääräinen lähtöteho kymmenissä watteissa.

Vaikka kryogeeniset jäähdytyslaitteet voivat monimutkaistaalaserjärjestelmät, yleisemmät jäähdytysjärjestelmät ovat usein vähemmän yksinkertaisia, ja kryogeenisen jäähdytyksen tehokkuus mahdollistaa jonkin verran monimutkaisuuden vähentämisen.