Co je kryogenní laser

Koncept laserů pracujících při nízkých teplotách není nový: druhý laser v historii byl kryogenní. Zpočátku bylo obtížné dosáhnout tohoto konceptu provozu při pokojové teplotě a nadšení pro nízkoteplotní práci začalo v 90. letech s vývojem vysokovýkonných laserů a zesilovačů.

Ve vysokém výkonulaserové zdrojetepelné efekty, jako je ztráta depolarizace, tepelné ohnutí čočky nebo laserového krystalu, mohou ovlivnit výkon zařízenísvětelný zdroj. Nízkoteplotním chlazením lze účinně potlačit mnoho škodlivých tepelných efektů, to znamená, že zesilovací médium musí být ochlazeno na 77 K nebo dokonce 4 K. Chladicí účinek zahrnuje především:

Charakteristická vodivost zesilovacího média je značně inhibována, hlavně proto, že je zvětšena střední volná dráha lana. V důsledku toho teplotní gradient dramaticky klesá. Například, když se teplota sníží z 300 K na 77 K, tepelná vodivost krystalu YAG se zvýší sedmkrát.

Také koeficient tepelné difúze prudce klesá. To spolu se snížením teplotního gradientu vede ke snížení efektu tepelné čočky a tím i ke snížení pravděpodobnosti prasknutí pnutím.

Termooptický koeficient je také snížen, což dále snižuje efekt tepelné čočky.

Zvýšení absorpčního průřezu iontu vzácných zemin je způsobeno především snížením rozšíření způsobeného tepelným efektem. Proto se sníží saturační výkon a zvýší se zisk laseru. Proto je prahový výkon čerpadla snížen a lze získat kratší impulsy, když je Q spínač v činnosti. Zvýšením propustnosti výstupního vazebního členu lze zlepšit účinnost sklonu, takže efekt ztráty parazitní dutiny se stává méně důležitým.

Počet částic na celkové nízké úrovni kvazi-tříúrovňového média zesílení je snížen, takže prahový čerpací výkon je snížen a energetická účinnost je zlepšena. Například Yb:YAG, který produkuje světlo při 1030nm, může být viděn jako kvazi-tříúrovňový systém při pokojové teplotě, ale čtyřúrovňový systém při 77K. Er: Totéž platí pro YAG.

V závislosti na médiu zesílení bude intenzita některých procesů zhášení snížena.

V kombinaci s výše uvedenými faktory může provoz při nízké teplotě výrazně zlepšit výkon laseru. Zejména nízkoteplotní chladicí lasery mohou získat velmi vysoký výstupní výkon bez tepelných účinků, to znamená, že lze získat dobrou kvalitu paprsku.

Jedním z problémů, který je třeba zvážit, je, že v kryo chlazeném laserovém krystalu se sníží šířka pásma vyzařovaného světla a absorbovaného světla, takže rozsah ladění vlnové délky bude užší a šířka čáry a stabilita vlnové délky čerpaného laseru budou přísnější. . Tento efekt je však obvykle vzácný.

Kryogenní chlazení obvykle používá chladivo, jako je kapalný dusík nebo kapalné helium, a ideálně chladivo cirkuluje trubicí připojenou k laserovému krystalu. Chladicí kapalina je včas doplňována nebo recyklována v uzavřené smyčce. Aby se zabránilo ztuhnutí, je obvykle nutné umístit laserový krystal do vakuové komory.

Koncept laserových krystalů pracujících při nízkých teplotách lze aplikovat i na zesilovače. Z titanového safíru lze vyrobit zesilovač s kladnou zpětnou vazbou, průměrný výstupní výkon v desítkách wattů.

I když kryogenní chladicí zařízení mohou komplikovatlaserové systémyBěžnější chladicí systémy jsou často méně jednoduché a účinnost kryogenního chlazení umožňuje určité snížení složitosti.