Kriyojenik lazer nedir

Düşük sıcaklıklarda çalışan lazerler kavramı yeni değildir: tarihteki ikinci lazer kriyojenikti. Başlangıçta, oda sıcaklığı operasyonuna ulaşmak zordu ve düşük sıcaklık çalışmalarına olan coşku 1990'larda yüksek güçlü lazerlerin ve amplifikatörlerin geliştirilmesiyle başladı.

Yüksek güçtelazer kaynakları, depolarizasyon kaybı, termal lens veya lazer kristal bükme gibi termal etkilerışık kaynağı. Düşük sıcaklıkta soğutma yoluyla, birçok zararlı termal etki etkili bir şekilde bastırılabilir, yani kazanç ortamının 77k veya hatta 4K'ya kadar soğutulması gerekir. Soğutma etkisi esas olarak şunları içerir:

Kazanç ortamının karakteristik iletkenliği, esas olarak ipin ortalama serbest yolu arttırıldığı için büyük ölçüde inhibe edilir. Sonuç olarak, sıcaklık gradyanı önemli ölçüde düşer. Örneğin, sıcaklık 300K'dan 77K'ya düşürüldüğünde, YAG kristalinin termal iletkenliği yedi kat artar.

Termal difüzyon katsayısı da keskin bir şekilde azalır. Bu, sıcaklık gradyanındaki bir azalma ile birlikte, termal lens etkisinin azalmasına ve dolayısıyla stres rüptürü olasılığının azalmasına neden olur.

Termo-optik katsayı da azaltılır, bu da termal lens etkisini daha da azaltır.

Nadir toprak iyonunun emilim kesitinin artması esas olarak termal etkinin neden olduğu genişlemenin azalmasından kaynaklanmaktadır. Bu nedenle, doygunluk gücü azalır ve lazer kazancı artar. Bu nedenle, eşik pompa gücü azalır ve Q anahtarı çalıştığında daha kısa darbeler elde edilebilir. Çıkış kuplörünün geçirgenliğini artırarak, eğim verimliliği geliştirilebilir, böylece parazitik boşluk kaybı etkisi daha az önemli hale gelir.

Yarı üç seviyeli kazanç ortamının toplam düşük seviyesinin partikül sayısı azalır, bu nedenle eşik pompalama gücü azalır ve güç verimliliği iyileştirilir. Örneğin, 1030Nm'de ışık üreten YB: YAG, oda sıcaklığında yarı üç düzey bir sistem olarak görülebilir, ancak 77K'da dört seviyeli bir sistem olarak görülebilir. ER: Aynı şey YAG için de geçerlidir.

Kazanç ortamına bağlı olarak, bazı söndürme işlemlerinin yoğunluğu azalacaktır.

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

Dikkate alınması gereken bir sorun, kriyo soğutmalı bir lazer kristalinde, yayılan ışığın bant genişliğinin ve emilen ışığın azaltılacağıdır, bu nedenle dalga boyu ayarlama aralığının daha dar olması ve pompalanan lazerin hat genişliği ve dalga boyu stabilitesinin daha sıkı olacağıdır. Bununla birlikte, bu etki genellikle nadirdir.

Kriyojenik soğutma genellikle sıvı azot veya sıvı helyum gibi bir soğutucu kullanır ve ideal olarak soğutucu, bir lazer kristaline bağlı bir tüpten dolaşır. Soğutma sıvısı zamanında yenilenir veya kapalı bir döngüde geri dönüştürülür. Katılaşmayı önlemek için genellikle lazer kristalinin bir vakum odasına yerleştirilmesi gerekir.

Düşük sıcaklıklarda çalışan lazer kristalleri kavramı amplifikatörlere de uygulanabilir. Titanyum safir, onlarca watt'taki ortalama çıkış gücü olan pozitif geri bildirim amplifikatörü yapmak için kullanılabilir.

Her ne kadar kriyojenik soğutma cihazları karmaşık olabilirlazer sistemleri, daha yaygın soğutma sistemleri genellikle daha az basittir ve kriyojenik soğutma etkinliği karmaşıklığın bir kısmını azaltacaktır.