Τι είναι ένα κρυογονικό λέιζερ

Η έννοια των λέιζερ που λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες δεν είναι νέα: το δεύτερο λέιζερ στην ιστορία ήταν κρυογονική. Αρχικά, η ιδέα ήταν δύσκολο να επιτευχθεί η λειτουργία θερμοκρασίας δωματίου και ο ενθουσιασμός για εργασία χαμηλής θερμοκρασίας ξεκίνησε τη δεκαετία του 1990 με την ανάπτυξη λέιζερ και ενισχυτές υψηλής ισχύος.

Σε υψηλή ισχύπηγές λέιζερ, θερμικές επιδράσεις, όπως η απώλεια αποπόλωσης, ο θερμικός φακός ή η κάμψη των κρυστάλλων λέιζερ μπορούν να επηρεάσουν την απόδοση τουελαφριά πηγή. Μέσω της ψύξης χαμηλής θερμοκρασίας, πολλά επιβλαβή θερμικά αποτελέσματα μπορούν να κατασταλούν αποτελεσματικά, δηλαδή το μέσο κέρδους πρέπει να ψύχεται σε 77K ή ακόμα και 4Κ. Το αποτέλεσμα ψύξης περιλαμβάνει κυρίως:

Η χαρακτηριστική αγωγιμότητα του μέσου κέρδους αναστέλλεται σε μεγάλο βαθμό, κυρίως επειδή αυξάνεται η μέση ελεύθερη διαδρομή του σχοινιού. Ως αποτέλεσμα, η κλίση της θερμοκρασίας πέφτει δραματικά. Για παράδειγμα, όταν η θερμοκρασία μειώνεται από 300Κ σε 77Κ, η θερμική αγωγιμότητα του κρυστάλλου YAG αυξάνεται κατά έναν συντελεστή επτά.

Ο συντελεστής θερμικής διάχυσης μειώνεται επίσης απότομα. Αυτό, μαζί με τη μείωση της κλίσης της θερμοκρασίας, οδηγεί σε μειωμένη θερμική επίδραση φακού και ως εκ τούτου μειωμένη πιθανότητα ρήξης στρες.

Ο θερμο-οπτικός συντελεστής μειώνεται επίσης, μειώνοντας περαιτέρω το αποτέλεσμα του θερμικού φακού.

Η αύξηση της διατομής απορρόφησης του ιόντος σπάνιων γαιών οφείλεται κυρίως στη μείωση της διεύρυνσης που προκαλείται από τη θερμική επίδραση. Ως εκ τούτου, η ισχύς κορεσμού μειώνεται και το κέρδος λέιζερ αυξάνεται. Επομένως, η ισχύς της αντλίας κατωφλίου μειώνεται και οι μικρότεροι παλμοί μπορούν να ληφθούν όταν λειτουργεί ο διακόπτης Q. Με την αύξηση της μετάδοσης του ζεύκτη εξόδου, η απόδοση της κλίσης μπορεί να βελτιωθεί, οπότε η επίδραση απώλειας της κοιλότητας παρασιτικών κοιλοτήτων καθίσταται λιγότερο σημαντική.

Ο αριθμός των σωματιδίων του συνολικού χαμηλού επιπέδου του μέσου κέρδους του οιονεί τριών επιπέδων μειώνεται, έτσι ώστε η ισχύς της άντλησης κατωφλίου μειώνεται και η απόδοση ισχύος βελτιώνεται. Για παράδειγμα, το YB: YAG, το οποίο παράγει φως στα 1030nm, μπορεί να θεωρηθεί ως σύστημα οιονεί τριών επιπέδων σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά ένα σύστημα τεσσάρων επιπέδων στα 77K. ER: Το ίδιο ισχύει και για το Yag.

Ανάλογα με το μέσο κέρδους, η ένταση ορισμένων διαδικασιών απόσβεσης θα μειωθεί.

Σε συνδυασμό με τους παραπάνω παράγοντες, η λειτουργία χαμηλής θερμοκρασίας μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση του λέιζερ. Συγκεκριμένα, τα λέιζερ ψύξης χαμηλής θερμοκρασίας μπορούν να αποκτήσουν πολύ υψηλή ισχύ εξόδου χωρίς θερμικές επιδράσεις, δηλαδή μπορούν να ληφθούν καλή ποιότητα δέσμης.

Ένα ζήτημα που πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι ότι σε ένα κρυσταλλικό λέιζερ κρυσταλλόμενο, το εύρος ζώνης του ακτινοβολούμενου φωτός και το απορροφημένο φως θα μειωθεί, έτσι ώστε το εύρος συντονισμού μήκους κύματος θα είναι στενότερη και το πλάτος της γραμμής και η σταθερότητα του μήκους κύματος του αντλημένου λέιζερ θα είναι πιο αυστηρές. Ωστόσο, αυτό το αποτέλεσμα είναι συνήθως σπάνιο.

Η κρυογονική ψύξη συνήθως χρησιμοποιεί ψυκτικό, όπως υγρό άζωτο ή υγρό ήλιο, και ιδανικά το ψυκτικό κυκλοφορεί μέσω ενός σωλήνα που συνδέεται με κρύσταλλο λέιζερ. Το ψυκτικό ψυκτικό αναπληρώνεται εγκαίρως ή ανακυκλώνεται σε κλειστό βρόχο. Προκειμένου να αποφευχθεί η στερεοποίηση, είναι συνήθως απαραίτητο να τοποθετηθεί ο κρύσταλλος λέιζερ σε θάλαμο κενού.

Η έννοια των κρυστάλλων λέιζερ που λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες μπορεί επίσης να εφαρμοστεί σε ενισχυτές. Το Titanium Sapphire μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή θετικού ενισχυτή ανάδρασης, τη μέση ισχύ εξόδου σε δεκάδες watts.

Αν και οι κρυογονικές συσκευές ψύξης μπορούν να περιπλέξουνσυστήματα λέιζερ, τα πιο κοινά συστήματα ψύξης είναι συχνά λιγότερο απλά και η αποτελεσματικότητα της κρυογονικής ψύξης επιτρέπει κάποια μείωση της πολυπλοκότητας.