لیزر کرایوژنیک چیست؟

مفهوم لیزرهایی که در دماهای پایین کار می کنند جدید نیست: دومین لیزر در تاریخ برودتی بود. در ابتدا، این مفهوم برای دستیابی به عملکرد دمای اتاق دشوار بود، و اشتیاق برای کار در دمای پایین در دهه 1990 با توسعه لیزرها و تقویت کننده های پرقدرت آغاز شد.

در قدرت بالامنابع لیزریاثرات حرارتی مانند از دست دادن دپلاریزاسیون، لنز حرارتی یا خمش کریستال لیزری می تواند بر عملکرد دستگاه تأثیر بگذارد.منبع نور. از طریق خنک کردن دمای پایین، بسیاری از اثرات مضر حرارتی را می توان به طور موثری سرکوب کرد، یعنی محیط افزایش باید تا 77K یا حتی 4K خنک شود. اثر خنک کننده عمدتاً شامل موارد زیر است:

هدایت مشخصه محیط افزایش تا حد زیادی مهار می شود، عمدتاً به این دلیل که میانگین مسیر آزاد طناب افزایش می یابد. در نتیجه، گرادیان دما به طور چشمگیری کاهش می یابد. به عنوان مثال، هنگامی که دما از 300K به 77K کاهش می یابد، هدایت حرارتی کریستال YAG به میزان هفت افزایش می یابد.

ضریب انتشار حرارتی نیز به شدت کاهش می یابد. این، همراه با کاهش گرادیان دما، منجر به کاهش اثر عدسی حرارتی و در نتیجه کاهش احتمال پارگی تنش می شود.

ضریب حرارتی نوری نیز کاهش می‌یابد و اثر لنز حرارتی را بیشتر کاهش می‌دهد.

افزایش سطح مقطع جذب یون خاکی کمیاب عمدتاً به دلیل کاهش گشاد شدن ناشی از اثر حرارتی است. بنابراین، قدرت اشباع کاهش می یابد و بهره لیزر افزایش می یابد. بنابراین، قدرت پمپ آستانه کاهش می یابد و هنگامی که سوئیچ Q کار می کند، پالس های کوتاه تری به دست می آید. با افزایش انتقال کوپل خروجی، راندمان شیب را می توان بهبود بخشید، بنابراین اثر کاهش حفره انگلی اهمیت کمتری پیدا می کند.

تعداد ذرات سطح پایین کل محیط بهره شبه سه سطح کاهش می یابد، بنابراین قدرت پمپاژ آستانه کاهش می یابد و راندمان توان بهبود می یابد. به عنوان مثال، Yb:YAG، که نور را در 1030 نانومتر تولید می کند، می تواند به عنوان یک سیستم شبه سه سطحی در دمای اتاق، اما یک سیستم چهار سطحی در 77K دیده شود. Er: همین امر در مورد YAG نیز صادق است.

بسته به محیط افزایش، شدت برخی از فرآیندهای کوئنچ کاهش می یابد.

همراه با عوامل فوق، عملکرد دمای پایین می تواند عملکرد لیزر را تا حد زیادی بهبود بخشد. به طور خاص، لیزرهای خنک کننده با دمای پایین می توانند توان خروجی بسیار بالایی را بدون اثرات حرارتی به دست آورند، یعنی می توان کیفیت پرتو خوبی را به دست آورد.

یکی از مسائلی که باید در نظر گرفت این است که در یک کریستال لیزر سرمایشی، پهنای باند نور تابیده شده و نور جذب شده کاهش می‌یابد، بنابراین محدوده تنظیم طول موج باریک‌تر می‌شود و عرض خط و پایداری طول موج لیزر پمپ‌شده دقیق‌تر خواهد بود. . با این حال، این اثر معمولا نادر است.

خنک‌سازی برودتی معمولاً از یک خنک‌کننده مانند نیتروژن مایع یا هلیوم مایع استفاده می‌کند و در حالت ایده‌آل مبرد از طریق یک لوله متصل به کریستال لیزر گردش می‌کند. مایع خنک کننده به موقع پر می شود یا در یک حلقه بسته بازیافت می شود. برای جلوگیری از انجماد، معمولاً لازم است کریستال لیزر را در یک محفظه خلاء قرار دهید.

مفهوم کریستال های لیزری که در دماهای پایین کار می کنند را می توان برای تقویت کننده ها نیز به کار برد. از یاقوت کبود تیتانیوم می توان برای ساخت تقویت کننده بازخورد مثبت استفاده کرد که میانگین توان خروجی آن در ده ها وات است.

اگرچه دستگاه های خنک کننده برودتی می توانند پیچیده باشندسیستم های لیزری، سیستم های خنک کننده رایج تر اغلب ساده تر هستند و کارایی خنک کننده برودتی امکان کاهش پیچیدگی را فراهم می کند.