Kriyojenik lazer nedir?

Düşük sıcaklıklarda çalışan lazerler kavramı yeni değildir: Tarihteki ikinci lazer kriyojenikti. Başlangıçta, kavramın oda sıcaklığında çalışmasını sağlamak zordu ve düşük sıcaklıkta çalışmaya olan ilgi, 1990'larda yüksek güçlü lazerlerin ve amplifikatörlerin 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 veya hatta 4K'ye soğutulması gerekir. Soğutma etkisi esas olarak şunları içerir:

Kazanç ortamının karakteristik iletkenliği büyük ölçüde engellenir, bunun başlıca nedeni ipin 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, sıcaklık gradyanındaki bir azalmayla birlikte, termal merceklenme etkisinin azalmasına ve dolayısıyla gerilim kopması olasılığının azalmasına neden olur.

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

Nadir toprak iyonunun emilim kesitinin artması, esas olarak termal etkiden kaynaklanan genişlemenin azalmasından kaynaklanır. 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 iyileştirilebilir, böylece parazitik boşluk kaybı etkisi daha az önemli hale gelir.

Yarı üç seviyeli kazanç ortamının toplam düşük seviyesinin parçacık sayısı azaltılır, bu nedenle eşik pompalama gücü azaltılır ve güç verimliliği iyileştirilir. Örneğin, 1030 nm'de ışık üreten Yb:YAG, oda sıcaklığında yarı üç seviyeli bir sistem olarak görülebilir, ancak 77 K'de dört seviyeli bir sistem olarak görülebilir. Er: Aynısı YAG için de geçerlidir.

Kazanç ortamına bağlı olarak bazı söndürme işlemlerinin şiddeti azalacaktır.

Yukarıdaki faktörlerle birleştirildiğinde, düşük sıcaklıkta çalışma lazerin performansını büyük ölçüde iyileştirebilir. Özellikle, düşük sıcaklıkta soğutma lazerleri termal etkiler olmadan çok yüksek çıkış gücü elde edebilir, yani iyi ışın kalitesi elde edilebilir.

Dikkate alınması gereken bir konu, kriyosoğutulmuş 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 sıkı 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 tüpte dolaşır. Soğutucu zamanla yenilenir veya kapalı bir devrede geri dönüştürülür. Katılaşmayı önlemek için genellikle lazer kristalini bir vakum odasına yerleştirmek 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 olabilirlazer sistemleriDaha yaygın soğutma sistemleri genellikle daha az basittir ve kriyojenik soğutmanın verimliliği karmaşıklığın bir miktar azaltılmasına olanak tanır.