Kas ir kriogēnais lāzers

Lāzeru, kas darbojas zemā temperatūrā, koncepcija nav jauna: otrais lāzers vēsturē bija kriogēns. Sākotnēji koncepcijas darbība istabas temperatūrā bija sarežģīta, un entuziasms par darbu zemā temperatūrā sākās 20. gs. deviņdesmitajos gados, attīstoties lieljaudas lāzeriem un pastiprinātājiem.

Lielas jaudaslāzera avoti, termiskie efekti, piemēram, depolarizācijas zudums, termiskā lēca vai lāzera kristāla locīšana, var ietekmēt ierīces veiktspēju.gaismas avotsAr zemas temperatūras dzesēšanu var efektīvi nomākt daudzus kaitīgus termiskos efektus, tas ir, pastiprināšanas vide ir jāatdzesē līdz 77K vai pat 4K. Dzesēšanas efekts galvenokārt ietver:

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

Arī termiskās difūzijas koeficients strauji samazinās. Tas kopā ar temperatūras gradienta samazināšanos samazina termiskās lēcas efektu un līdz ar to samazina sprieguma plīsuma iespējamību.

Arī termooptiskais koeficients tiek samazināts, vēl vairāk samazinot termiskās lēcas efektu.

Retzemju jonu absorbcijas šķērsgriezuma palielināšanās galvenokārt ir saistīta ar termiskā efekta izraisītās paplašināšanās samazināšanos. Līdz ar to samazinās piesātinājuma jauda un palielinās lāzera pastiprinājums. Līdz ar to samazinās sliekšņa sūknēšanas jauda, ​​un, darbojoties Q slēdzim, var iegūt īsākus impulsus. Palielinot izejas savienotāja caurlaidību, var uzlabot slīpuma efektivitāti, tāpēc parazītisko rezonatoru zudumu efekts kļūst mazāk svarīgs.

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

Atkarībā no pastiprināšanas vides dažu dzēšanas procesu intensitāte tiks samazināta.

Apvienojumā ar iepriekš minētajiem 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.

Viens no apsvērumiem ir tāds, ka kriodzesētā lāzerkristālā izstarotās un absorbētās gaismas joslas platums samazināsies, 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 līdzeklis, piemēram, šķidrs slāpeklis vai šķidrs hēlijs, un ideālā gadījumā dzesēšanas līdzeklis cirkulē caur cauruli, kas piestiprināta pie lāzerkristāla. Dzesēšanas līdzeklis tiek laika gaitā papildināts vai pārstrādāts slēgtā cilpā. Lai izvairītos no sacietēšanas, lāzerkristāls parasti ir jāievieto vakuuma kamerā.

Lāzeru kristālu, kas darbojas zemā temperatūrā, koncepciju var izmantot arī pastiprinātājos. Titāna safīru var izmantot pozitīvas atgriezeniskās saites pastiprinātāju izgatavošanai, kuru vidējā izejas jauda ir desmitos vatu.

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