Що таке кріогенний лазер

Концепція лазерів, що діють при низьких температурах, не є новою: другий лазер в історії був кріогенним. Спочатку концепцію було важко досягти роботи в кімнатній температурі, і ентузіазм до низькотемпературних робіт розпочався в 90-х роках з розвитком потужних лазерів та підсилювачів.

З великою силоюЛазерні джерела, теплові ефекти, такі як втрата деполяризації, тепловий об'єктив або згин лазерного кристала, можуть впливати на продуктивністьджерело світла. Через низьке температуру охолодження багато шкідливих теплових ефектів можна ефективно придушити, тобто посиленням середовища потрібно охолонути до 77 к або навіть 4 к. Ефект охолодження в основному включає:

Характерна провідність середовища посилення значно гальмується, головним чином через те, що середній вільний шлях мотузки збільшується. В результаті градієнт температури різко падає. Наприклад, коли температура знижується з 300 тис. До 77 тис., Теплопровідність кристала YAG збільшується на коефіцієнт семи.

Коефіцієнт термічної дифузії також різко зменшується. Це, разом із зниженням градієнта температури, призводить до зниження ефекту теплового лінзування і, отже, зменшення ймовірності розриву стресу.

Термооптичний коефіцієнт також зменшується, що ще більше зменшує ефект теплової лінзи.

Збільшення поперечного перерізу поглинання іона рідкісної землі в основному пов'язане з зменшенням розширення, викликаного тепловим ефектом. Тому потужність насичення знижується, а лазерний посилення збільшується. Тому потужність порогового насоса зменшується, і коротші імпульси можна отримати, коли працює перемикач Q. Збільшуючи пропускання вихідного з'єднувача, ефективність нахилу може бути підвищена, тому ефект втрати паразитарної порожнини стає менш важливим.

Кількість частинок загального низького рівня середнього рівня посилення квазі-трьох рівнів зменшується, тому порогова потужність насосів знижується і покращується ефективність потужності. Наприклад, YB: YAG, який виробляє світло при 1030 нм, можна розглядати як систему квазі-трьох рівнів при кімнатній температурі, але чотирирівнева система при 77 К. ER: Те саме стосується Яга.

Залежно від середовища посилення, інтенсивність деяких процесів гасіння буде зменшена.

У поєднанні з вищезазначеними факторами, низька температура може значно покращити продуктивність лазера. Зокрема, лазери з низькою температурою можуть отримати дуже високу вихідну потужність без теплових ефектів, тобто хорошої якості променя можна отримати.

Одне питання, яке слід врахувати, полягає в тому, що в кріокульованому лазерному кристалі пропускна здатність випромінюваного світла та поглиненого світла будуть зменшені, тому діапазон настройки довжини хвилі буде вужчим, а ширина лінії та стійкість довжини хвилі накачаного лазера будуть більш суворими. Однак цей ефект зазвичай рідко.

Кріогенне охолодження зазвичай використовує теплоносій, наприклад, рідкий азот або рідкий геліум, а в ідеалі холодоагент циркулює через трубку, прикріплену до лазерного кристала. Охолоджуюча рідина поповнюється вчасно або переробляється у закритій петлі. Щоб уникнути затвердіння, зазвичай необхідно розмістити лазерний кристал у вакуумну камеру.

Концепція лазерних кристалів, що діють при низьких температурах, також можна застосувати до підсилювачів. Сапфір титану можна використовувати для отримання позитивного підсилювача зворотного зв'язку, середньої потужності виходу в десятках ват.

Хоча кріогенні пристрої охолодження можуть ускладнитиЛазерні системи, більш поширені системи охолодження часто менш прості, а ефективність кріогенного охолодження дозволяє отримати певне зниження складності.