Τι είναι ένα κρυογονικό λέιζερ

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

Σε υψηλή ισχύπηγές λέιζερ, οι θερμικές επιδράσεις όπως η απώλεια αποπόλωσης, η κάμψη του θερμικού φακού ή των κρυστάλλων λέιζερ μπορούν να επηρεάσουν την απόδοση τουπηγή φωτόςΜέσω της ψύξης σε χαμηλή θερμοκρασία, πολλές επιβλαβείς θερμικές επιδράσεις μπορούν να κατασταλούν αποτελεσματικά, δηλαδή, το μέσο κέρδους πρέπει να ψυχθεί στους 77K ή ακόμα και στους 4K. Το φαινόμενο 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 θερμοκρασιακή κλίση μειώνεται δραματικά. Για παράδειγμα, όταν η θερμοκρασία μειώνεται από 300K σε 77K, η θερμική αγωγιμότητα του κρυστάλλου YAG αυξάνεται κατά επτά φορές.

Ο συντελεστής θερμικής διάχυσης μειώνεται επίσης απότομα. Αυτό, σε συνδυασμό με τη μείωση της θερμοκρασιακής κλίσης, έχει ως αποτέλεσμα μειωμένο φαινόμενο θερμικής εστιοποίησης και επομένως μειωμένη πιθανότητα ρήξης λόγω τάσης.

Ο θερμοοπτικός συντελεστής μειώνεται επίσης, μειώνοντας περαιτέρω το φαινόμενο του θερμικού φακού.

Η αύξηση της διατομής απορρόφησης των ιόντων σπάνιων γαιών οφείλεται κυρίως στη μείωση της διεύρυνσης που προκαλείται από τη θερμική επίδραση. Επομένως, η ισχύς κορεσμού μειώνεται και το κέρδος λέιζερ αυξάνεται. Επομένως, η ισχύς της αντλίας κατωφλίου μειώνεται και μπορούν να ληφθούν μικρότεροι παλμοί όταν λειτουργεί ο διακόπτης Q. Αυξάνοντας τη διαπερατότητα του ζεύκτη εξόδου, η απόδοση της κλίσης μπορεί να βελτιωθεί, επομένως το φαινόμενο απώλειας παρασιτικής κοιλότητας καθίσταται λιγότερο σημαντικό.

Ο αριθμός των σωματιδίων του συνολικού χαμηλού επιπέδου του μέσου κέρδους σχεδόν τριών επιπέδων μειώνεται, επομένως μειώνεται η ισχύς άντλησης κατωφλίου και βελτιώνεται η ενεργειακή απόδοση. Για παράδειγμα, το Yb:YAG, το οποίο παράγει φως στα 1030nm, μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σύστημα σχεδόν τριών επιπέδων σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά ως ένα σύστημα τεσσάρων επιπέδων στους 77K. Er: Το ίδιο ισχύει και για το YAG.

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

Σε συνδυασμό με τους παραπάνω παράγοντες, η λειτουργία σε χαμηλή θερμοκρασία μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση του λέιζερ. Συγκεκριμένα, τα λέιζερ ψύξης χαμηλής θερμοκρασίας μπορούν να επιτύχουν πολύ υψηλή ισχύ εξόδου χωρίς θερμικές επιδράσεις, δηλαδή, μπορούν να επιτευχθούν καλές ποιοτικές δέσμες.

Ένα ζήτημα που πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι ότι σε έναν κρυοψυγμένο κρύσταλλο λέιζερ, το εύρος ζώνης του ακτινοβολούμενου φωτός και του απορροφούμενου φωτός θα μειωθεί, επομένως το εύρος ρύθμισης μήκους κύματος θα είναι στενότερο και το πλάτος γραμμής και η σταθερότητα μήκους κύματος του αντλούμενου λέιζερ θα είναι πιο αυστηρά. Ωστόσο, αυτό το φαινόμενο είναι συνήθως σπάνιο.

Η κρυογονική ψύξη συνήθως χρησιμοποιεί ψυκτικό μέσο, ​​όπως υγρό άζωτο ή υγρό ήλιο, και ιδανικά το ψυκτικό μέσο κυκλοφορεί μέσω ενός σωλήνα που είναι προσαρτημένος σε έναν κρύσταλλο λέιζερ. Το ψυκτικό υγρό αναπληρώνεται με την πάροδο του χρόνου ή ανακυκλώνεται σε κλειστό βρόχο. Για να αποφευχθεί η στερεοποίηση, είναι συνήθως απαραίτητο να τοποθετηθεί ο κρύσταλλος λέιζερ σε θάλαμο κενού.

Η ιδέα των κρυστάλλων λέιζερ που λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες μπορεί επίσης να εφαρμοστεί σε ενισχυτές. Το ζαφείρι τιτανίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ενισχυτή θετικής ανάδρασης, με μέση ισχύ εξόδου σε δεκάδες βατ.

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