Hvad er en kryogen laser

Konceptet med lasere, der opererer ved lave temperaturer, er ikke nyt: den anden laser i historien var kryogen. I starten var konceptet vanskeligt at opnå drift ved stuetemperatur, og entusiasmen for lavtemperaturarbejde begyndte i 1990'erne med udviklingen af ​​højtydende lasere og forstærkere.

I høj effektlaserkilder, termiske effekter såsom depolarisationstab, bøjning af termiske linser eller laserkrystaller kan påvirke ydeevnen aflyskildeGennem lavtemperaturkøling kan mange skadelige termiske effekter effektivt undertrykkes, dvs. forstærkningsmediet skal afkøles til 77K eller endda 4K. Køleeffekten omfatter hovedsageligt:

Forstærkningsmediets karakteristiske ledningsevne hæmmes kraftigt, primært fordi rebets gennemsnitlige frie bane øges. Som følge heraf falder temperaturgradienten dramatisk. For eksempel, når temperaturen sænkes fra 300K til 77K, øges YAG-krystallens varmeledningsevne med en faktor syv.

Den termiske diffusionskoefficient falder også kraftigt. Dette, sammen med en reduktion i temperaturgradienten, resulterer i en reduceret termisk linseeffekt og dermed en reduceret sandsynlighed for spændingsbrud.

Den termooptiske koefficient reduceres også, hvilket yderligere reducerer den termiske linseeffekt.

Stigningen i absorptionstværsnittet af sjældne jordarters ioner skyldes primært den reducerede udvidelse forårsaget af termisk effekt. Derfor reduceres mætningseffekten, og laserforstærkningen øges. Derfor reduceres tærskelpumpeeffekten, og kortere pulser kan opnås, når Q-kontakten er i drift. Ved at øge transmittansen af ​​udgangskobleren kan hældningseffektiviteten forbedres, så effekten af ​​parasithulrumstab bliver mindre vigtig.

Partikelantallet i det samlede lave niveau af det kvasi-tre-niveau forstærkningsmedium reduceres, så tærskelpumpeeffekten reduceres, og effekteffektiviteten forbedres. For eksempel kan Yb:YAG, som producerer lys ved 1030 nm, ses som et kvasi-tre-niveau system ved stuetemperatur, men et fire-niveau system ved 77K. Er: Det samme gælder for YAG.

Afhængigt af forstærkningsmediet vil intensiteten af ​​nogle dæmpningsprocesser blive reduceret.

Kombineret med ovenstående faktorer kan drift ved lav temperatur forbedre laserens ydeevne betydeligt. Især lasere med lav temperaturkøling kan opnå en meget høj udgangseffekt uden termiske effekter, dvs. god strålekvalitet kan opnås.

Et problem at overveje er, at i en kryokølet laserkrystal vil båndbredden af ​​det udstrålede lys og det absorberede lys blive reduceret, så bølgelængdeindstillingsområdet vil være smallere, og linjebredden og bølgelængdestabiliteten af ​​den pumpede laser vil være mere stringente. Denne effekt er dog normalt sjælden.

Kryogen køling bruger normalt et kølemiddel, såsom flydende nitrogen eller flydende helium, og ideelt set cirkulerer kølemidlet gennem et rør, der er fastgjort til en laserkrystal. Kølemiddel genopfyldes med tiden eller genbruges i et lukket kredsløb. For at undgå størkning er det normalt nødvendigt at placere laserkrystallen i et vakuumkammer.

Konceptet med laserkrystaller, der opererer ved lave temperaturer, kan også anvendes på forstærkere. Titanium-safir kan bruges til at lave positiv feedback-forstærkere med en gennemsnitlig udgangseffekt i ti watt.

Selvom kryogene køleanordninger kan komplicerelasersystemer, mere almindelige kølesystemer er ofte mindre simple, og effektiviteten af ​​kryogen køling giver mulighed for en vis reduktion i kompleksitet.