Kas yra kriogeninis lazeris

Lazerių, veikiančių žemoje temperatūroje, koncepcija nėra nauja: antrasis lazeris istorijoje buvo kriogeninis. Iš pradžių koncepciją buvo sunku pasiekti kambario temperatūroje, o entuziazmas dirbti žemoje temperatūroje prasidėjo 1990-aisiais, kai buvo sukurti didelės galios lazeriai ir stiprintuvai.

Didelės galioslazeriniai šaltiniai, terminis poveikis, pvz., depoliarizacijos praradimas, terminis lęšis arba lazerio kristalų lenkimas, gali turėti įtakos įrenginio veikimuišviesos šaltinis. Aušinant žemoje temperatūroje, galima efektyviai slopinti daug žalingų šiluminių efektų, tai yra, stiprinimo terpę reikia atvėsinti iki 77K ar net 4K. Aušinimo efektas daugiausia apima:

Būdingas stiprinimo terpės laidumas yra labai slopinamas, daugiausia dėl to, kad padidėja vidutinis laisvas lyno kelias. Dėl to temperatūros gradientas smarkiai sumažėja. Pavyzdžiui, kai temperatūra sumažinama nuo 300K iki 77K, YAG kristalo šilumos laidumas padidėja septynis kartus.

Šilumos difuzijos koeficientas taip pat smarkiai sumažėja. Dėl to kartu su temperatūros gradiento sumažėjimu sumažėja šiluminio lęšio efektas, todėl sumažėja įtempių plyšimo tikimybė.

Taip pat sumažinamas termooptinis koeficientas, dar labiau sumažinant terminio lęšio efektą.

Retųjų žemių jonų sugerties skerspjūvio padidėjimą daugiausia lemia šiluminio efekto sukeltas išsiplėtimo sumažėjimas. Dėl to sumažėja soties galia ir padidėja lazerio stiprinimas. Todėl slenkstinė siurblio galia sumažėja, o veikiant Q jungikliui galima gauti trumpesnius impulsus. Padidinus išėjimo movos pralaidumą, galima pagerinti nuolydžio efektyvumą, todėl parazitinės ertmės praradimo efektas tampa mažiau svarbus.

Kvazi trijų lygių stiprinimo terpės žemo lygio dalelių skaičius sumažinamas, todėl sumažėja slenkstinė siurbimo galia ir pagerėja energijos vartojimo efektyvumas. Pavyzdžiui, Yb:YAG, kuri gamina šviesą esant 1030 nm, gali būti vertinama kaip beveik trijų lygių sistema kambario temperatūroje, bet keturių lygių sistema esant 77 K. Er: Tas pats pasakytina ir apie YAG.

Priklausomai nuo stiprinimo terpės, kai kurių gesinimo procesų intensyvumas bus sumažintas.

Kartu su pirmiau nurodytais veiksniais žemos temperatūros veikimas gali labai pagerinti lazerio veikimą. Visų pirma, žemos temperatūros aušinimo lazeriai gali gauti labai didelę išėjimo galią be šiluminio poveikio, tai yra, galima gauti gerą pluošto kokybę.

Vienas iš problemų, į kurias reikia atsižvelgti, yra tai, kad krioaušinamame lazerio kristale bus sumažintas spinduliuojamos šviesos ir sugertos šviesos dažnių juostos plotis, todėl bangos ilgio derinimo diapazonas bus siauresnis, o pumpuojamo lazerio linijos plotis ir bangos ilgio stabilumas bus griežtesni. . Tačiau šis poveikis paprastai būna retas.

Kriogeniniam aušinimui paprastai naudojamas aušinimo skystis, pavyzdžiui, skystas azotas arba skystas helis, o idealiu atveju šaltnešis cirkuliuoja per vamzdelį, pritvirtintą prie lazerio kristalo. Aušinimo skystis papildomas laiku arba perdirbamas uždaroje grandinėje. Norint išvengti sukietėjimo, lazerio kristalą dažniausiai reikia įdėti į vakuuminę kamerą.

Lazerinių kristalų, veikiančių žemoje temperatūroje, koncepciją galima pritaikyti ir stiprintuvams. Iš titano safyro galima pagaminti teigiamo grįžtamojo ryšio stiprintuvą, kurio vidutinė išėjimo galia dešimtimis vatų.

Nors kriogeniniai aušinimo įrenginiai gali apsunkintilazerinės sistemos, dažnesnės aušinimo sistemos dažnai yra ne tokios paprastos, o kriogeninio aušinimo efektyvumas leidžia šiek tiek sumažinti jų sudėtingumą.