Co je kryogenní laser

Koncept laserů pracujících při nízkých teplotách není nový: druhý laser v historii byl kryogenní. Zpočátku bylo obtížné dosáhnout provozu při pokojové teplotě a nadšení pro práci při nízkých teplotách začalo v 90. letech 20. století s vývojem vysoce výkonných laserů a zesilovačů.

Při vysokém výkonulaserové zdrojeTepelné efekty, jako je depolarizační ztráta, tepelná čočka nebo ohýbání laserového krystalu, mohou ovlivnit výkonzdroj světlaNízkoteplotním chlazením lze účinně potlačit mnoho škodlivých tepelných účinků, to znamená, že je nutné zesilovací médium ochladit na 77 K nebo dokonce 4 K. Chladicí účinek zahrnuje zejména:

Charakteristická vodivost zesilovacího média je značně omezena, zejména proto, že se zvětšuje střední volná dráha lana. V důsledku toho dramaticky klesá teplotní gradient. Například při snížení teploty z 300 K na 77 K se tepelná vodivost krystalu YAG zvýší sedmkrát.

Koeficient tepelné difúze také prudce klesá. To spolu se snížením teplotního gradientu vede ke snížení efektu tepelné čočky, a tím i ke snížení pravděpodobnosti prasknutí v důsledku napětí.

Termooptický koeficient se také snižuje, což dále snižuje efekt tepelné čočky.

Zvýšení absorpčního průřezu iontů vzácných zemin je způsobeno především snížením rozšíření způsobeného tepelným efektem. Proto se snižuje saturační výkon a zvyšuje se laserový zisk. Proto se snižuje prahový výkon pumpy a při provozu Q spínače lze dosáhnout kratších pulzů. Zvýšením propustnosti výstupního vazebního členu lze zlepšit účinnost sklonu, takže efekt parazitních ztrát v dutině se stává méně významným.

Počet částic celkové nízké hladiny kvazi-tříúrovňového zesilovacího média se sníží, takže se sníží prahový čerpací výkon a zlepší se energetická účinnost. Například Yb:YAG, který produkuje světlo o vlnové délce 1030 nm, lze při pokojové teplotě považovat za kvazi-tříúrovňový systém, ale při 77 K za čtyřúrovňový systém. Erg: Totéž platí pro YAG.

V závislosti na zesilovacím médiu se intenzita některých procesů zhášení sníží.

V kombinaci s výše uvedenými faktory může provoz při nízkých teplotách výrazně zlepšit výkon laseru. Zejména nízkoteplotní chladicí lasery mohou dosáhnout velmi vysokého výstupního výkonu bez tepelných účinků, což znamená, že lze dosáhnout dobré kvality paprsku.

Jedním z problémů, které je třeba zvážit, je, že v kryokrystalu laseru se šířka pásma vyzařovaného a absorbovaného světla sníží, takže rozsah ladění vlnové délky bude užší a šířka čáry a stabilita vlnové délky čerpaného laseru budou přísnější. Tento jev je však obvykle vzácný.

Kryogenní chlazení obvykle používá chladivo, jako je kapalný dusík nebo kapalné hélium, a ideálně chladivo cirkuluje trubicí připojenou k laserovému krystalu. Chladivo se včas doplňuje nebo recykluje v uzavřené smyčce. Aby se zabránilo jeho tuhnutí, je obvykle nutné umístit laserový krystal do vakuové komory.

Koncept laserových krystalů pracujících při nízkých teplotách lze aplikovat i na zesilovače. Titan-safír lze použít k výrobě zesilovačů s pozitivní zpětnou vazbou a průměrným výstupním výkonem v desítkách wattů.

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