Apakah laser kriogenik

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

Dalam kuasa tinggisumber laser, kesan haba seperti kehilangan penyahkutuban, kanta haba atau lenturan hablur laser boleh menjejaskan prestasisumber cahaya. Melalui penyejukan suhu rendah, banyak kesan terma berbahaya boleh ditindas dengan berkesan, iaitu, medium perolehan perlu disejukkan kepada 77K atau bahkan 4K. Kesan penyejukan terutamanya termasuk:

Kekonduksian ciri medium perolehan sangat terhalang, terutamanya kerana laluan bebas purata tali meningkat. Akibatnya, kecerunan suhu menurun secara mendadak. Sebagai contoh, apabila suhu diturunkan daripada 300K kepada 77K, kekonduksian haba kristal YAG meningkat dengan faktor tujuh.

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

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

Peningkatan keratan rentas penyerapan ion nadir bumi adalah disebabkan terutamanya oleh pengurangan pelebaran yang disebabkan oleh kesan haba. Oleh itu, kuasa tepu dikurangkan dan keuntungan laser meningkat. Oleh itu, kuasa pam ambang dikurangkan, dan denyutan yang lebih pendek boleh diperoleh apabila suis Q beroperasi. Dengan meningkatkan ketransmisian pengganding keluaran, kecekapan cerun boleh dipertingkatkan, jadi kesan kehilangan rongga parasit menjadi kurang penting.

Nombor zarah jumlah tahap rendah bagi medium perolehan separa tiga peringkat dikurangkan, jadi kuasa pam ambang dikurangkan dan kecekapan kuasa dipertingkatkan. Sebagai contoh, Yb:YAG, yang menghasilkan cahaya pada 1030nm, boleh dilihat sebagai sistem kuasi tiga peringkat pada suhu bilik, tetapi sistem empat peringkat pada 77K. Er: Perkara yang sama berlaku untuk YAG.

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

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

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

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

Konsep kristal laser yang beroperasi pada suhu rendah juga boleh digunakan untuk penguat. Nilam titanium boleh digunakan untuk membuat penguat maklum balas positif, kuasa output purata dalam berpuluh-puluh watt.

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