Hva er en kryogen laser

Konseptet med lasere som opererer ved lave temperaturer er ikke nytt: den andre laseren i historien var kryogen. I utgangspunktet var konseptet vanskelig å oppnå romtemperaturdrift, og entusiasmen for lavtemperaturarbeid begynte på 1990-tallet med utviklingen av høyeffektslasere og forsterkere.

I høy effektlaserkilder, termiske effekter som depolarisasjonstap, bøying av termisk linse eller laserkrystall kan påvirke ytelsen tillyskildeGjennom lavtemperaturkjøling kan mange skadelige termiske effekter effektivt undertrykkes, det vil si at forsterkningsmediet må kjøles ned til 77K eller til og med 4K. Kjøleeffekten omfatter hovedsakelig:

Den karakteristiske konduktiviteten til forsterkningsmediet hemmes kraftig, hovedsakelig fordi tauets gjennomsnittlige frie bane økes. Som et resultat synker temperaturgradienten dramatisk. For eksempel, når temperaturen senkes fra 300 K til 77 K, øker den termiske konduktiviteten til YAG-krystallen med en faktor på syv.

Den termiske diffusjonskoeffisienten synker også kraftig. Dette, sammen med en reduksjon i temperaturgradienten, resulterer i en redusert termisk linseeffekt og dermed en redusert sannsynlighet for spenningsbrudd.

Den termooptiske koeffisienten reduseres også, noe som ytterligere reduserer den termiske linseeffekten.

Økningen i absorpsjonstverrsnittet til sjeldne jordartsmetaller skyldes hovedsakelig reduksjonen i utvidelse forårsaket av termisk effekt. Derfor reduseres metningseffekten og laserforsterkningen økes. Derfor reduseres terskelpumpeeffekten, og kortere pulser kan oppnås når Q-bryteren er i drift. Ved å øke transmittansen til utgangskobleren kan hellingseffektiviteten forbedres, slik at effekten av parasittisk hulromstap blir mindre viktig.

Partikkeltallet i det totale lave nivået av det kvasi-tre-nivå forsterkningsmediet reduseres, slik at terskelpumpeeffekten reduseres og effekteffektiviteten forbedres. For eksempel kan Yb:YAG, som produserer lys ved 1030 nm, sees på som et kvasi-tre-nivå system ved romtemperatur, men et fire-nivå system ved 77K. Er: Det samme gjelder for YAG.

Avhengig av forsterkningsmediet vil intensiteten til noen slokkeprosesser bli redusert.

Kombinert med faktorene ovenfor kan lavtemperaturdrift forbedre laserens ytelse betraktelig. Spesielt kan lasere med lav temperaturkjøling oppnå svært høy utgangseffekt uten termiske effekter, det vil si at god strålekvalitet kan oppnås.

En faktor å vurdere er at i en kryokjølt laserkrystall vil båndbredden til det utstrålte lyset og det absorberte lyset reduseres, slik at bølgelengdejusteringsområdet vil bli smalere, og linjebredden og bølgelengdestabiliteten til den pumpede laseren vil være strengere. Denne effekten er imidlertid vanligvis sjelden.

Kryogen kjøling bruker vanligvis et kjølemiddel, som flytende nitrogen eller flytende helium, og ideelt sett sirkulerer kjølemiddelet gjennom et rør festet til en laserkrystall. Kjølemiddel etterfylles over tid eller resirkuleres i en lukket sløyfe. For å unngå størkning er det vanligvis nødvendig å plassere laserkrystallen i et vakuumkammer.

Konseptet med laserkrystaller som opererer ved lave temperaturer kan også brukes på forsterkere. Titan-safir kan brukes til å lage positive tilbakekoblingsforsterkere, med en gjennomsnittlig utgangseffekt i titalls watt.

Selv om kryogene kjøleenheter kan kompliserelasersystemer, mer vanlige kjølesystemer er ofte mindre enkle, og effektiviteten til kryogen kjøling tillater en viss reduksjon i kompleksitet.