Kas ir kriogēnais lāzers

Lāzeru koncepcija, kas darbojas zemā temperatūrā, nav jauna: otrais lāzers vēsturē bija kriogēns. Sākotnēji šī koncepcija bija grūti sasniedzama istabas temperatūrā, un entuziasms par darbu zemā temperatūrā sākās 90. gados, izstrādājot lieljaudas lāzerus un pastiprinātājus.

Lielā jaudālāzera avoti, termiskie efekti, piemēram, depolarizācijas zudumi, termiskās lēcas vai lāzera kristāla locīšana, var ietekmēt ierīces darbībugaismas avots. Izmantojot dzesēšanu zemā temperatūrā, daudzus kaitīgus termiskos efektus var efektīvi nomākt, tas ir, pastiprināšanas vide ir jāatdzesē līdz 77K vai pat 4K. Dzesēšanas efekts galvenokārt ietver:

Pastiprināšanas vides raksturīgā vadītspēja ir ievērojami kavēta, galvenokārt tāpēc, ka ir palielināts virves vidējais brīvais ceļš. Tā rezultātā temperatūras gradients dramatiski pazeminās. Piemēram, kad temperatūra tiek pazemināta no 300K līdz 77K, YAG kristāla siltumvadītspēja palielinās septiņas reizes.

Arī termiskās difūzijas koeficients strauji samazinās. Tas kopā ar temperatūras gradienta samazināšanos samazina termiskās lēcas efektu un tādējādi samazina sprieguma pārrāvuma iespējamību.

Samazināts arī termooptiskais koeficients, vēl vairāk samazinot termiskās lēcas efektu.

Retzemju jonu absorbcijas šķērsgriezuma palielināšanos galvenokārt nosaka termiskā efekta izraisītā paplašināšanās samazināšanās. Tāpēc piesātinājuma jauda tiek samazināta un lāzera pastiprinājums tiek palielināts. Līdz ar to tiek samazināta sūkņa jauda sliekšņa režīmā un, kad darbojas Q slēdzis, var iegūt īsākus impulsus. Palielinot izejas savienotāja caurlaidību, var uzlabot slīpuma efektivitāti, tāpēc parazītu dobuma zuduma efekts kļūst mazāk svarīgs.

Kvazi-trīs līmeņu pastiprināšanas vides kopējā zemā līmeņa daļiņu skaits ir samazināts, tādējādi tiek samazināta sūknēšanas jauda un uzlabota jaudas efektivitāte. Piemēram, Yb:YAG, kas rada gaismu pie 1030 nm, var uzskatīt par gandrīz trīs līmeņu sistēmu istabas temperatūrā, bet četru līmeņu sistēmu pie 77 K. Er: Tas pats attiecas uz YAG.

Atkarībā no pastiprināšanas vides dažu dzēšanas procesu intensitāte tiks samazināta.

Apvienojumā ar iepriekšminētajiem faktoriem darbība zemā temperatūrā var ievērojami uzlabot lāzera veiktspēju. Jo īpaši zemas temperatūras dzesēšanas lāzeri var iegūt ļoti lielu izejas jaudu bez termiskiem efektiem, tas ir, var iegūt labu staru kvalitāti.

Viena no problēmām, kas jāņem vērā, ir tāda, ka kriodzesētā lāzera kristālā tiks samazināts izstarotās gaismas un absorbētās gaismas joslas platums, tāpēc viļņa garuma regulēšanas diapazons būs šaurāks un sūknētā lāzera līnijas platums un viļņa garuma stabilitāte būs stingrāka. . Tomēr šī ietekme parasti ir reta.

Kriogēnajā dzesēšanā parasti tiek izmantots dzesēšanas šķidrums, piemēram, šķidrais slāpeklis vai šķidrais hēlijs, un ideālā gadījumā aukstumaģents cirkulē caur cauruli, kas pievienota lāzera kristālam. Dzesēšanas šķidrums tiek papildināts savlaicīgi vai pārstrādāts slēgtā kontūrā. Lai izvairītos no sacietēšanas, lāzera kristāls parasti ir jāievieto vakuuma kamerā.

Lāzera kristālu koncepciju, kas darbojas zemā temperatūrā, var attiecināt arī uz pastiprinātājiem. Titāna safīru var izmantot, lai izveidotu pozitīvas atgriezeniskās saites pastiprinātāju, vidējā izejas jauda desmitos vatos.

Lai gan kriogēnās dzesēšanas ierīces var sarežģītlāzera sistēmas, biežāk sastopamās dzesēšanas sistēmas bieži ir mazāk vienkāršas, un kriogēnās dzesēšanas efektivitāte ļauj nedaudz samazināt sarežģītību.