Hvad er en kryogen laser

Konceptet med lasere, der fungerer ved lave temperaturer, er ikke nyt: den anden laser i historien var kryogen. I starten var konceptet svært at opnå stuetemperaturdrift, og begejstringen for lavtemperaturarbejde begyndte i 1990'erne med udviklingen af ​​højeffektlasere og forstærkere.

I høj effektlaserkilder, kan termiske effekter såsom tab af depolarisering, termisk linse eller laserkrystalbøjning påvirke ydeevnen aflyskilde. Gennem lavtemperaturkøling kan mange skadelige termiske effekter effektivt undertrykkes, det vil sige, at forstærkningsmediet skal afkøles til 77K eller endda 4K. Køleeffekten omfatter hovedsageligt:

Forstærkningsmediets karakteristiske ledningsevne er stærkt hæmmet, hovedsageligt fordi den gennemsnitlige frie vej for rebet øges. Som et resultat falder temperaturgradienten dramatisk. For eksempel, når temperaturen sænkes fra 300K til 77K, øges YAG-krystallens termiske ledningsevne med en faktor på syv.

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

Den termo-optiske koefficient reduceres også, hvilket yderligere reducerer den termiske linseeffekt.

Forøgelsen af ​​absorptionstværsnittet af sjældne jordarters ion skyldes hovedsageligt faldet i udvidelsen forårsaget af termisk effekt. Derfor reduceres mætningseffekten, og laserforstærkningen øges. Derfor reduceres tærskelpumpeeffekten, og kortere impulser kan opnås, når Q-kontakten er i drift. Ved at øge udgangskoblingens transmittans kan hældningseffektiviteten forbedres, så virkningen af ​​tab af parasithulrum bliver mindre vigtig.

Partikelantallet af det totale lave niveau af quasi-tre-niveau forstærkningsmediet reduceres, så tærskelpumpeeffekten reduceres, og effekteffektiviteten forbedres. For eksempel kan Yb:YAG, der producerer lys ved 1030nm, ses som et quasi-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 quenching-processer blive reduceret.

Kombineret med ovenstående faktorer kan lavtemperaturdrift i høj grad forbedre laserens ydeevne. Især lavtemperaturkølelasere kan opnå meget høj udgangseffekt uden termiske effekter, det vil sige, at der kan opnås en god strålekvalitet.

Et problem at overveje er, at i en kryokølet laserkrystal vil båndbredden af ​​det udstrålede lys og det absorberede lys blive reduceret, så bølgelængdejusteringsområdet vil være smallere, og linjebredden og bølgelængdestabiliteten af ​​den pumpede laser vil være mere stringent . 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. Kølevæske efterfyldes i tide eller genbruges i et lukket kredsløb. For at undgå størkning er det normalt nødvendigt at placere laserkrystallen i et vakuumkammer.

Konceptet med laserkrystaller, der fungerer ved lave temperaturer, kan også anvendes på forstærkere. Titanium safir kan bruges til at lave positiv feedback forstærker, den gennemsnitlige udgangseffekt i snesevis af watt.

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