Apakah laser kriogenik?

Konsep laser yang beroperasi pada suhu rendah bukanlah sesuatu yang baharu: laser kedua dalam sejarah adalah kriogenik. Pada mulanya, konsep ini sukar untuk mencapai operasi suhu bilik, dan semangat untuk kerja suhu rendah bermula pada tahun 1990-an dengan pembangunan laser dan penguat berkuasa tinggi.

Dalam kuasa tinggisumber laser, kesan haba seperti kehilangan depolarisasi, kanta haba atau lenturan hablur laser boleh menjejaskan prestasisumber cahayaMelalui penyejukan suhu rendah, banyak kesan terma berbahaya dapat dihalang dengan berkesan, iaitu, medium penguatan perlu disejukkan kepada 77K atau 4K. Kesan penyejukan terutamanya merangkumi:

Kekonduksian ciri medium gandaan sangat terhalang, terutamanya kerana purata laluan bebas tali meningkat. Akibatnya, kecerunan suhu menurun secara mendadak. Contohnya, apabila suhu diturunkan dari 300K kepada 77K, kekonduksian terma kristal YAG meningkat sebanyak tujuh kali ganda.

Pekali resapan terma juga menurun dengan mendadak. Ini, bersama-sama dengan pengurangan kecerunan suhu, mengakibatkan kesan kanta terma yang berkurangan dan oleh itu kemungkinan pecah tegasan yang berkurangan.

Pekali termo-optik juga dikurangkan, seterusnya mengurangkan kesan kanta terma.

Peningkatan keratan rentas penyerapan ion nadir bumi terutamanya disebabkan oleh penurunan pelebaran yang disebabkan oleh kesan haba. Oleh itu, kuasa tepu berkurangan dan gandaan laser meningkat. Oleh itu, kuasa pam ambang berkurangan, dan denyutan yang lebih pendek boleh diperolehi apabila suis Q beroperasi. Dengan meningkatkan transmisi pengganding output, kecekapan cerun boleh diperbaiki, jadi kesan kehilangan rongga parasit menjadi kurang penting.

Bilangan zarah bagi jumlah aras rendah medium gandaan kuasi-tiga aras dikurangkan, jadi kuasa pam ambang dikurangkan dan kecekapan kuasa dipertingkatkan. Contohnya, Yb:YAG, yang menghasilkan cahaya pada 1030nm, boleh dilihat sebagai sistem kuasi-tiga aras pada suhu bilik, tetapi sistem empat aras pada 77K. Er: Perkara yang sama berlaku untuk YAG.

Bergantung pada medium penguatan, keamatan beberapa proses pelindapkejutan akan dikurangkan.

Digabungkan dengan faktor-faktor di atas, operasi suhu rendah boleh meningkatkan prestasi laser dengan ketara. Khususnya, laser penyejukan suhu rendah boleh memperoleh kuasa output yang sangat tinggi tanpa kesan haba, iaitu kualiti pancaran yang baik boleh diperolehi.

Satu isu yang perlu dipertimbangkan ialah dalam kristal laser yang disejukkan secara krio, lebar jalur cahaya yang dipancarkan dan cahaya yang diserap akan dikurangkan, jadi julat penalaan panjang gelombang akan lebih sempit, dan lebar garis serta kestabilan panjang gelombang laser yang dipam akan lebih ketat. Walau bagaimanapun, kesan ini biasanya jarang berlaku.

Penyejukan kriogenik biasanya menggunakan bahan penyejuk, seperti nitrogen cecair atau helium cecair, dan idealnya bahan penyejuk beredar melalui tiub yang dipasang pada kristal laser. Bahan penyejuk diisi semula dari semasa ke semasa atau dikitar semula dalam gelung tertutup. Untuk mengelakkan pemejalan, biasanya perlu meletakkan kristal laser di dalam ruang vakum.

Konsep hablur laser yang beroperasi pada suhu rendah juga boleh digunakan pada penguat. Nilam titanium boleh digunakan untuk membuat penguat maklum balas positif, dengan purata kuasa output dalam puluhan watt.

Walaupun peranti penyejukan kriogenik boleh merumitkansistem laser, sistem penyejukan yang lebih biasa selalunya kurang mudah, dan kecekapan penyejukan kriogenik membolehkan sedikit pengurangan dalam kerumitan.