Τι είναι το κρυογονικό λέιζερ

Η ιδέα των λέιζερ που λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες δεν είναι νέα: το δεύτερο λέιζερ στην ιστορία ήταν κρυογονικό. Αρχικά, η ιδέα ήταν δύσκολο να επιτευχθεί η 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, θερμικές επιδράσεις όπως απώλεια εκπόλωσης, θερμικός φακός ή κάμψη κρυστάλλου λέιζερ μπορεί να επηρεάσουν την απόδοση τουπηγή φωτός. Μέσω της ψύξης σε χαμηλή θερμοκρασία, πολλές επιβλαβείς θερμικές επιδράσεις μπορούν να κατασταλεί αποτελεσματικά, δηλαδή, το μέσο απολαβής πρέπει να ψύχεται στους 77K ή ακόμα και στους 4K. Το αποτέλεσμα ψύξης περιλαμβάνει κυρίως:

Η χαρακτηριστική αγωγιμότητα του μέσου απολαβής παρεμποδίζεται σε μεγάλο βαθμό, κυρίως επειδή αυξάνεται η μέση ελεύθερη διαδρομή του σχοινιού. Ως αποτέλεσμα, η διαβάθμιση θερμοκρασίας πέφτει δραματικά. Για παράδειγμα, όταν η θερμοκρασία μειώνεται από 300K σε 77K, η θερμική αγωγιμότητα του κρυστάλλου YAG αυξάνεται κατά επτά.

Ο συντελεστής θερμικής διάχυσης μειώνεται επίσης απότομα. Αυτό, μαζί με τη μείωση της διαβάθμισης της θερμοκρασίας, έχει ως αποτέλεσμα μειωμένο φαινόμενο θερμικού φακού και συνεπώς μειωμένη πιθανότητα ρήξης τάσεων.

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

Η αύξηση της διατομής απορρόφησης ιόντων σπανίων 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 συζεύκτη εξόδου, η απόδοση της κλίσης μπορεί να βελτιωθεί, έτσι το φαινόμενο της απώλειας παρασιτικής κοιλότητας γίνεται λιγότερο σημαντικό.

Ο αριθμός σωματιδίων της συνολικής χαμηλής στάθμης του μέσου απολαβής οιονεί τριών επιπέδων μειώνεται, επομένως η ισχύς άντλησης κατωφλίου μειώνεται και βελτιώνεται η απόδοση ισχύος. Για παράδειγμα, το Yb:YAG, το οποίο παράγει φως στα 1030 nm, μπορεί να θεωρηθεί ως σύστημα σχεδόν τριών επιπέδων σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά ένα σύστημα τεσσάρων επιπέδων στους 77 Κ. Ερ: Το ίδιο ισχύει και για το YAG.

Ανάλογα με το μέσο απολαβής, η ένταση ορισμένων διαδικασιών σβέσης θα μειωθεί.

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

Ένα θέμα που πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι ότι σε έναν κρυόψυκτο κρύσταλλο λέιζερ, το εύρος ζώνης του ακτινοβολούμενου φωτός και του απορροφούμενου φωτός θα μειωθεί, επομένως το εύρος συντονισμού μήκους κύματος θα είναι στενότερο και το πλάτος γραμμής και η σταθερότητα μήκους κύματος του αντλούμενου λέιζερ θα είναι πιο αυστηρά . Ωστόσο, αυτή η επίδραση είναι συνήθως σπάνια.

Η κρυογονική ψύξη χρησιμοποιεί συνήθως ένα ψυκτικό υγρό, όπως υγρό άζωτο ή υγρό ήλιο, και ιδανικά το ψυκτικό κυκλοφορεί μέσω ενός σωλήνα που συνδέεται με έναν κρύσταλλο λέιζερ. Το 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 ζαφείρι τιτανίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ενισχυτή θετικής ανάδρασης, η μέση ισχύς εξόδου σε δεκάδες watt.

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