Kriyojenik lazer nedir

Düşük sıcaklıklarda çalışan lazer kavramı yeni değil: tarihteki ikinci lazer kriyojenikti. Başlangıçta, konseptin oda sıcaklığında çalışmasını sağlamak zordu ve düşük sıcaklıkta çalışmaya yönelik 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 kaynağı. Düşük sıcaklıkta soğutma yoluyla birçok zararlı termal etki etkili bir şekilde bastırılabilir; yani kazanç ortamının 77K'ya, hatta 4K'ya 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 düştüğünde YAG kristalinin termal iletkenliği yedi kat artar.

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

Termo-optik katsayı da azaltılarak termal mercek etkisi daha da azaltılır.

Nadir toprak iyonunun soğurma kesitindeki artış 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 çalışırken daha kısa darbeler elde edilebilir. Çıkış kuplörünün geçirgenliğini artırarak eğim verimliliği iyileştirilebilir, böylece parazitik boşluk kaybı etkisi daha az önemli hale gelir.

Neredeyse üç seviyeli kazanç ortamının toplam düşük seviyesinin parçacık sayısı azaltılır, böylece eşik pompalama gücü azaltılır ve güç verimliliği artar. Örneğin, 1030 nm'de ışık üreten Yb:YAG, oda sıcaklığında yarı üç seviyeli bir sistem olarak görülebilirken, 77K'da dört seviyeli bir sistem olarak görülebilir. Er: Aynı şey YAG için de geçerli.

Kazanç ortamına bağlı olarak bazı söndürme işlemlerinin yoğunluğu azalacaktır.

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

Göz önünde bulundurulması gereken bir konu, kriyo-soğutulmuş bir lazer kristalinde, yayılan ışığın ve emilen ışığın bant genişliğinin azaltılacağı, dolayısıyla dalga boyu ayarlama aralığının daha dar olacağı ve pompalanan lazerin çizgi genişliği ve dalga boyu stabilitesinin 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 tüp içerisinden 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, ortalama çıkış gücü onlarca watt olan pozitif geri beslemeli amplifikatör yapmak için kullanılabilir.

Her ne kadar kriyojenik soğutma cihazları karmaşık hale gelse delazer sistemleri, daha yaygın soğutma sistemleri genellikle daha az basittir ve kriyojenik soğutmanın verimliliği, karmaşıklığın bir miktar azaltılmasına olanak tanır.