Kriyojenik lazer nedir?

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

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

Kazanç ortamının karakteristik iletkenliği, esas olarak ipin ortalama serbest yolunun artması nedeniyle büyük ölçüde engellenir. Sonuç olarak, sıcaklık gradyanı önemli ölçüde düşer. Örneğin, sıcaklık 300K'den 77K'ye düşürüldüğünde, YAG kristalinin termal iletkenliği yedi kat artar.

Isıl difüzyon katsayısı da keskin bir şekilde azalır. Bu durum, sıcaklık gradyanındaki azalmayla birlikte, termal mercek etkisinin ve dolayısıyla gerilim kopması olasılığının azalmasına neden olur.

Termo-optik katsayı da düşürülerek termal lens etkisi daha da azaltılır.

Nadir toprak iyonlarının emilim kesitindeki artış, esas olarak termal etkinin neden olduğu genişlemenin azalmasından kaynaklanmaktadır. Bu nedenle, doyma gücü azalır ve lazer kazancı artar. Bu nedenle, eşik pompa gücü azalır ve Q anahtarı çalışırken daha kısa darbeler elde edilebilir. Çıkış kuplörünün geçirgenliği artırılarak eğim verimliliği artırılabilir, böylece parazitik boşluk kaybı etkisi daha az önemli hale gelir.

Yarı üç seviyeli kazanç ortamının toplam düşük seviyesindeki parçacık sayısı azaltıldığından, 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, 77 K'de dört seviyeli bir sistem olarak görülebilir. Aynı şey YAG için de geçerlidir.

Kazanç ortamına bağlı olarak bazı söndürme işlemlerinin şiddeti azalacaktır.

Yukarıdaki faktörlerle birlikte, düşük sıcaklıkta çalışma lazerin performansını önemli ölçüde artırabilir. Özellikle, düşük sıcaklıkta soğutmalı lazerler, termal etkiler olmadan çok yüksek çıkış gücü elde edebilir, yani iyi bir ışın kalitesi elde edilebilir.

Dikkate alınması gereken bir husus, kriyosoğutulmuş bir lazer kristalinde, yayılan ışığın ve emilen ışığın bant genişliğinin azalacağı, dolayısıyla dalga boyu ayar aralığının daha dar olacağı ve pompalanan lazerin çizgi genişliği ve dalga boyu kararlılığının daha katı olacağıdır. Ancak bu etki genellikle nadirdir.

Kriyojenik soğutma genellikle sıvı nitrojen veya sıvı helyum gibi bir soğutucu kullanır ve ideal olarak soğutucu, bir lazer kristaline bağlı bir tüp içerisinde dolaşır. Soğutucu, zaman içinde yenilenir veya kapalı bir devrede geri dönüştürülür. Katılaşmayı önlemek için genellikle lazer kristalinin bir vakum odasına yerleştirilmesi gerekir.

Düşük sıcaklıklarda çalışan lazer kristalleri kavramı amplifikatörlere de uygulanabilir. Titanyum safir, pozitif geri beslemeli amplifikatör yapmak için kullanılabilir, ortalama çıkış gücü onlarca watt'tır.

Kriyojenik soğutma cihazları karmaşık olabilse delazer sistemleriDaha yaygın soğutma sistemleri genellikle daha az basittir ve kriyojenik soğutmanın verimliliği karmaşıklığın bir miktar azaltılmasına olanak tanır.