Hva er en kryogen laser

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

I høy effektlaserkilder, kan termiske effekter som depolariseringstap, termisk linse eller laserkrystallbøyning påvirke ytelsen tillyskilde. Gjennom lavtemperaturkjøling kan mange skadelige termiske effekter effektivt undertrykkes, det vil si at forsterkningsmediet må avkjøles til 77K eller til og med 4K. Kjøleeffekten inkluderer hovedsakelig:

Den karakteristiske ledningsevnen til forsterkningsmediet er sterkt hemmet, hovedsakelig fordi den gjennomsnittlige frie banen til tauet økes. Som et resultat synker temperaturgradienten dramatisk. For eksempel, når temperaturen senkes fra 300K til 77K, øker den termiske ledningsevnen til YAG-krystallen med en faktor på syv.

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

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

Økningen i absorpsjonstverrsnittet av sjeldne jordartsmetaller skyldes hovedsakelig reduksjonen av 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 utgangskoblingen kan hellingseffektiviteten forbedres, slik at effekten av parasittisk hulromstap blir mindre viktig.

Partikkeltallet for det totale lave nivået av kvasi-tre-nivå forsterkningsmediet reduseres, slik at terskelpumpekraften reduseres og effekteffektiviteten forbedres. For eksempel kan Yb:YAG, som produserer lys ved 1030nm, 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 bråkjølingsprosesser reduseres.

Kombinert med de ovennevnte faktorene kan lavtemperaturdrift i stor grad forbedre ytelsen til laseren. Spesielt kan lavtemperaturkjølelasere oppnå svært høy utgangseffekt uten termiske effekter, det vil si at god strålekvalitet kan oppnås.

Et problem å vurdere er at i en kryokjølt laserkrystall vil båndbredden til det utstrålte lyset og det absorberte lyset reduseres, slik at bølgelengdeinnstillingsområdet vil bli smalere, og linjebredden og bølgelengdestabiliteten til den pumpede laseren vil være strengere . Imidlertid er denne effekten vanligvis sjelden.

Kryogen kjøling bruker vanligvis et kjølemiddel, for eksempel flytende nitrogen eller flytende helium, og ideelt sett sirkulerer kjølemediet gjennom et rør festet til en laserkrystall. Kjølevæske etterfylles i tide 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 positiv feedback forsterker, den gjennomsnittlige utgangseffekten 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.