Mikä on kryogeeninen laser

Alhaisissa lämpötiloissa toimivien laserien käsite ei ole uusi: historian toinen laser oli kryogeeninen. Aluksi konseptia oli vaikea saavuttaa huoneenlämpötilaa, ja innostus matalan lämpötilan työhön alkoi 1990-luvulla suuritehoisten laserien ja vahvistimien kehittämisellä.

Voimakkaastilaserlähteet, lämpövaikutukset, kuten depolarisaatiohäviö, lämpölinssi tai laserkiteiden taivutus, voivat vaikuttaa suorituskykyynvalonlähde. Matalan lämpötilan jäähdytyksen avulla monia haitallisia lämpövaikutuksia voidaan tukahduttaa tehokkaasti, ts. Vahvistusväliaine on jäähdytettävä 77K: iin tai jopa 4K: iin. Jäähdytysvaikutus sisältää pääasiassa:

Väliaineen tyypillinen johtavuus estetään suuresti, lähinnä siksi, että köyden keskimääräinen vapaa polku kasvaa. Seurauksena lämpötilagradientti putoaa dramaattisesti. Esimerkiksi, kun lämpötila lasketaan 300–77k: iin, YAG -kiteen lämmönjohtavuus kasvaa kertoimella.

Lämpödiffuusiokerroin pienenee myös voimakkaasti. Tämä yhdessä lämpötilagradientin alenemisen kanssa johtaa vähentyneeseen lämpölinssivaikutukseen ja siten vähentyneeseen stressin repeämän todennäköisyyteen.

Lämpöoptinen kerroin on myös vähentynyt, mikä vähentää edelleen lämpölinssivaikutusta.

Harvinaisten maametalli -ionin absorptiopoikkileikkauksen lisääntyminen johtuu pääasiassa lämpövaikutuksen aiheuttamasta laajentumisen vähenemisestä. Siksi kyllästymisteho vähenee ja laservahvistusta lisääntyy. Siksi kynnyspumpun teho vähenee ja lyhyemmät pulssit voidaan saada, kun Q -kytkin toimii. Lisäämällä lähtökytkimen läpäisevyyttä kaltevuustehokkuutta voidaan parantaa, joten loisten ontelon häviövaikutus tulee vähemmän tärkeäksi.

Kvasi-kolmen tason vahvistusväliaineen kokonaismäärän hiukkasen lukumäärä vähenee, joten kynnyspumppausteho vähenee ja tehotehokkuutta paranee. Esimerkiksi YB: YAG, joka tuottaa valoa 1030 nm: ssä, voidaan nähdä kvasi-kolmen tason järjestelmänä huoneenlämpötilassa, mutta nelitasoisena järjestelmänä 77K: ssa. ER: Sama pätee Yagiin.

Väliaineesta riippuen joidenkin sammutusprosessien voimakkuus vähenee.

Yhdistettynä yllä oleviin tekijöihin matala lämpötila voi parantaa huomattavasti laserin suorituskykyä. Erityisesti matalan lämpötilan jäähdytyslaserit voivat saada erittäin korkean lähtötehon ilman lämpövaikutuksia, ts. Hyvä säteen laatu voidaan saada.

Yksi huomioitava ongelma on, että kryokoidussa laserkiteessä säteilyvalon kaistanleveys ja absorboitunut valo vähenee, joten aallonpituuden viritysalue on kapeampi ja pumpatun laserin viivan leveys ja aallonpituuden stabiilisuus ovat tiukempia. Tämä vaikutus on kuitenkin yleensä harvinainen.

Kryogeeninen jäähdytys käyttää yleensä jäähdytysnestettä, kuten nestemäistä typpeä tai nestemäistä heliumia, ja ihannetapauksessa kylmäaine kiertää laserkiteeseen kiinnitetyn putken läpi. Jäähdytysneste täydennetään ajoissa tai kierrätetään suljetussa silmukassa. Jähmennyksen välttämiseksi on yleensä tarpeen sijoittaa laserkiteet tyhjiökammioon.

Vahvistimiin voidaan soveltaa myös alhaisissa lämpötiloissa toimivien laserkiteiden käsitettä. Titanium -safiiria voidaan käyttää positiivisen palautevahvistimen, keskimääräisen lähtötehon tekemiseen kymmenien wattien kanssa.

Vaikka kryogeeniset jäähdytyslaitteet voivat vaikeuttaalaserjärjestelmät, yleisemmät jäähdytysjärjestelmät ovat usein vähemmän yksinkertaisia, ja kryogeenisen jäähdytyksen tehokkuus mahdollistaa monimutkaisuuden vähentymisen.