«لیزر برودتی» چیست؟ در واقع، این یک ...لیزرکه نیاز به عملکرد در دمای پایین در محیط تقویت دارد.
مفهوم لیزرهایی که در دماهای پایین کار می‌کنند چیز جدیدی نیست: دومین لیزر تاریخ، لیزر برودتی بود. در ابتدا، دستیابی به این مفهوم در دمای اتاق دشوار بود و اشتیاق برای کار در دمای پایین در دهه 1990 با توسعه لیزرها و تقویت‌کننده‌های پرقدرت آغاز شد.
در قدرت بالامنابع لیزراثرات حرارتی مانند از دست دادن دپلاریزاسیون، لنز حرارتی یا خم شدن کریستال لیزر می‌تواند بر عملکرد آن تأثیر بگذارد.منبع نوراز طریق خنک‌سازی در دمای پایین، بسیاری از اثرات حرارتی مضر را می‌توان به طور مؤثر سرکوب کرد، یعنی، محیط تقویت‌کننده باید تا دمای ۷۷ کلوین یا حتی ۴ کلوین خنک شود. اثر خنک‌سازی عمدتاً شامل موارد زیر است:
رسانایی مشخصه محیط تقویت‌کننده به شدت کاهش می‌یابد، عمدتاً به این دلیل که میانگین مسیر آزاد طناب افزایش می‌یابد. در نتیجه، گرادیان دما به طور چشمگیری کاهش می‌یابد. به عنوان مثال، هنگامی که دما از 300 کلوین به 77 کلوین کاهش می‌یابد، رسانایی حرارتی کریستال YAG هفت برابر افزایش می‌یابد.
ضریب نفوذ حرارتی نیز به شدت کاهش می‌یابد. این امر، همراه با کاهش گرادیان دما، منجر به کاهش اثر عدسی حرارتی و در نتیجه کاهش احتمال پارگی ناشی از تنش می‌شود.
ضریب ترمواپتیکی نیز کاهش می‌یابد و اثر لنز حرارتی را بیشتر کاهش می‌دهد.
افزایش سطح مقطع جذب یون عناصر خاکی کمیاب عمدتاً به دلیل کاهش پهن‌شدگی ناشی از اثر حرارتی است. بنابراین، توان اشباع کاهش یافته و بهره لیزر افزایش می‌یابد. بنابراین، توان پمپ آستانه کاهش می‌یابد و هنگام عملکرد سوئیچ Q می‌توان پالس‌های کوتاه‌تری به دست آورد. با افزایش عبور کوپلر خروجی، می‌توان راندمان شیب را بهبود بخشید، بنابراین اثر اتلاف حفره انگلی اهمیت کمتری پیدا می‌کند.
تعداد ذرات کل تراز پایین محیط بهره شبه سه ترازی کاهش می‌یابد، بنابراین توان پمپاژ آستانه کاهش یافته و راندمان توان بهبود می‌یابد. به عنوان مثال، Yb:YAG که در طول موج 1030 نانومتر نور تولید می‌کند، می‌تواند در دمای اتاق به عنوان یک سیستم شبه سه ترازی دیده شود، اما در دمای 77 کلوین به عنوان یک سیستم چهار ترازی. Er: همین امر در مورد YAG نیز صادق است.
بسته به محیط تقویت، شدت برخی از فرآیندهای خاموش شدن کاهش می‌یابد.
در کنار عوامل فوق، عملکرد لیزر در دمای پایین می‌تواند عملکرد آن را تا حد زیادی بهبود بخشد. به طور خاص، لیزرهای خنک‌کننده در دمای پایین می‌توانند بدون اثرات حرارتی، توان خروجی بسیار بالایی داشته باشند، یعنی کیفیت پرتو خوبی حاصل می‌شود.
یکی از مسائلی که باید در نظر گرفته شود این است که در یک کریستال لیزر کرایوکلد، پهنای باند نور تابشی و نور جذب شده کاهش می‌یابد، بنابراین محدوده تنظیم طول موج باریک‌تر خواهد شد و پهنای خط و پایداری طول موج لیزر پمپ شده دقیق‌تر خواهد بود. با این حال، این اثر معمولاً نادر است.
خنک‌سازی کرایوژنیک معمولاً از یک خنک‌کننده مانند نیتروژن مایع یا هلیوم مایع استفاده می‌کند و در حالت ایده‌آل، مبرد از طریق لوله‌ای متصل به کریستال لیزر در گردش است. خنک‌کننده به موقع دوباره پر می‌شود یا در یک حلقه بسته بازیافت می‌شود. برای جلوگیری از انجماد، معمولاً لازم است کریستال لیزر در یک محفظه خلاء قرار گیرد.
مفهوم کریستال‌های لیزری که در دماهای پایین کار می‌کنند را می‌توان در تقویت‌کننده‌ها نیز به کار برد. یاقوت کبود تیتانیوم را می‌توان برای ساخت تقویت‌کننده بازخورد مثبت استفاده کرد که توان خروجی متوسط آن در حد ده‌ها وات است.
اگرچه دستگاه‌های خنک‌کننده کرایوژنیک می‌توانند پیچیده باشندسیستم‌های لیزریسیستم‌های خنک‌کننده رایج‌تر اغلب ساده‌تر نیستند و کارایی خنک‌کننده‌های برودتی امکان کاهش پیچیدگی را فراهم می‌کند.
زمان ارسال: ۱۴ ژوئیه ۲۰۲۳