Kriyojenik lazer nedir?

Düşük sıcaklıklarda çalışan lazerler kavramı yeni değil: tarihteki ikinci lazer kriyojenikti. Başlangıçta, bu kavramın oda sıcaklığında çalıştırılması zordu ve düşük sıcaklık çalışmalarına olan ilgi, 1990'larda yüksek güçlü lazerlerin ve yükselticilerin geliştirilmesiyle başladı.

Yüksek güçtelazer kaynaklarıDepolarizasyon kaybı, termal mercek veya lazer kristalinin bükülmesi gibi termal etkiler, performansını etkileyebilir.ışık kaynağıDüşük sıcaklıkta soğutma sayesinde birçok zararlı termal etki etkili bir şekilde bastırılabilir; yani kazanç ortamının 77K hatta 4K'ya kadar soğutulması gerekir. Soğutma etkisi esas olarak şunları içerir:

Kazanç ortamının karakteristik iletkenliği büyük ölçüde engellenir, bunun temel nedeni halatın ortalama serbest yolunun artmasıdır. Sonuç olarak, sıcaklık gradyanı önemli ölçüde düşer. Örneğin, sıcaklık 300K'den 77K'ye düşürüldüğünde, YAG kristalinin termal iletkenliği yedi kat artar.

Termal difüzyon katsayısı da keskin bir şekilde azalır. Bu durum, sıcaklık gradyanındaki azalmayla birlikte, termal merceklenme etkisinin azalmasına ve dolayısıyla gerilme kırılması olasılığının azalmasına yol açar.

Termo-optik katsayı da azalır, bu da termal mercek etkisini daha da azaltır.

Nadir toprak iyonunun soğurma kesitinin artışı esas olarak termal etkiden kaynaklanan genişlemenin azalmasından kaynaklanmaktadır. Bu nedenle, doyma gücü azalır ve lazer kazancı artar. Dolayısıyla, eşik pompa gücü azalır ve Q anahtarı çalışırken daha kısa darbeler elde edilebilir. Çıkış kuplörünün geçirgenliğinin artırılmasıyla eğim verimliliği iyileştirilebilir, böylece parazitik boşluk kaybı etkisi daha az önemli hale gelir.

Yarı üç seviyeli kazanç ortamının toplam düşük seviyedeki parçacık sayısı azalır, bu nedenle eşik pompalama gücü azalır ve güç verimliliği artar. Örneğin, 1030 nm'de ışık üreten Yb:YAG, oda sıcaklığında yarı üç seviyeli bir sistem olarak görülebilirken, 77K'de dört seviyeli bir sistem olarak görülür. Er: Aynı durum YAG için de geçerlidir.

Kullanılan ortama bağlı olarak, bazı soğutma işlemlerinin yoğunluğu azalacaktır.

Yukarıdaki faktörlerle birleştiğinde, düşük sıcaklıkta çalışma lazerin performansını büyük ölçüde artırabilir. Özellikle, düşük sıcaklıkta soğutulan lazerler, termal etkiler olmadan çok yüksek çıkış gücü elde edebilir, yani iyi bir ışın kalitesi sağlanabilir.

Dikkate alınması gereken bir husus, kriyojenik olarak soğutulmuş bir lazer kristalinde, yayılan ışığın ve emilen ışığın bant genişliğinin azalacağı, dolayısıyla dalga boyu ayarlama aralığının daha dar olacağı ve pompalanan lazerin çizgi genişliği ve dalga boyu kararlılığının daha katı olacağıdır. Bununla birlikte, bu etki genellikle nadirdir.

Kriyojenik soğutma genellikle sıvı azot veya sıvı helyum gibi bir soğutucu madde kullanır ve ideal olarak soğutucu madde, lazer kristaline bağlı bir tüp içinden dolaşır. Soğutucu madde zamanla yenilenir veya kapalı bir döngüde geri dönüştürülür. Katılaşmayı önlemek için genellikle lazer kristalinin bir vakum odasına yerleştirilmesi gerekir.

Düşük sıcaklıklarda çalışan lazer kristalleri konsepti, yükselticilere de uygulanabilir. Titanyum safir, ortalama çıkış gücü onlarca watt olan pozitif geri beslemeli yükseltici yapmak için kullanılabilir.

Kriyojenik soğutma cihazları karmaşıklık yaratabilse delazer sistemleriDaha yaygın soğutma sistemleri genellikle daha karmaşıktır ve kriyojenik soğutmanın verimliliği, karmaşıklıkta bir miktar azalmaya olanak tanır.