لیزر کرایوژنیک چیست

مفهوم لیزرهایی که در دماهای پایین کار می کنند چیز جدیدی نیست: لیزر دوم در تاریخ کرایوژنیک بود. در ابتدا ، دستیابی به عملکرد دمای اتاق دشوار بود و اشتیاق به کار با دمای پایین در دهه 1990 با توسعه لیزرها و آمپلی فایرهای پر قدرت آغاز شد.

در قدرت بالامنابع لیزری، اثرات حرارتی مانند از بین رفتن دپلاریزاسیون ، لنزهای حرارتی یا خم کریستال لیزر می تواند بر عملکرد آن تأثیر بگذاردمنبع نوربشر از طریق خنک کننده دمای پایین ، بسیاری از اثرات حرارتی مضر می توانند به طور موثری سرکوب شوند ، یعنی باید محیط افزایش به 77K یا حتی 4K خنک شود. اثر خنک کننده عمدتا شامل موارد زیر است:

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

ضریب انتشار حرارتی نیز به شدت کاهش می یابد. این ، همراه با کاهش در گرادیان دما ، منجر به کاهش اثر لنز حرارتی و بنابراین کاهش احتمال پارگی استرس می شود.

ضریب حرارتی نوری نیز کاهش می یابد و بیشتر اثر لنز حرارتی را کاهش می دهد.

افزایش سطح مقطع جذب یون زمین نادر عمدتاً به دلیل کاهش گسترش ناشی از اثر حرارتی است. بنابراین ، قدرت اشباع کاهش می یابد و افزایش لیزر افزایش می یابد. بنابراین ، قدرت پمپ آستانه کاهش می یابد و در هنگام کار سوئیچ Q می توان پالس های کوتاه تری بدست آورد. با افزایش انتقال کوپلر خروجی ، می توان بازده شیب را بهبود بخشید ، بنابراین اثر از دست دادن حفره انگلی از اهمیت کمتری برخوردار می شود.

تعداد ذرات سطح پایین کل محیط افزایش سطح سه سطح کاهش می یابد ، بنابراین قدرت پمپاژ آستانه کاهش می یابد و راندمان قدرت 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 سطح در دمای اتاق دیده شود ، اما یک سیستم چهار سطح در 77k است. ER: همین مورد در مورد YAG نیز صادق است.

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

همراه با فاکتورهای فوق ، عملکرد دمای پایین می تواند عملکرد لیزر را تا حد زیادی بهبود بخشد. به طور خاص ، لیزرهای خنک کننده درجه حرارت پایین می توانند قدرت تولیدی بسیار بالایی را بدون اثرات حرارتی بدست آورند ، یعنی کیفیت پرتو خوب را می توان بدست آورد.

یک مسئله که باید مورد توجه قرار گیرد این است که در یک کریستال لیزر کرایوکلد ، پهنای باند نور تابش شده و نور جذب شده کاهش می یابد ، بنابراین دامنه تنظیم طول موج باریک تر خواهد بود ، و عرض خط و پایداری طول موج لیزر پمپاژ دقیق تر خواهد بود. با این حال ، این اثر معمولاً نادر است.

خنک کننده کرایوژنیک معمولاً از خنک کننده مانند نیتروژن مایع یا هلیوم مایع استفاده می کند و در حالت ایده آل مبرد از طریق لوله متصل به کریستال لیزر گردش می کند. خنک کننده به موقع دوباره پر می شود یا در یک حلقه بسته بازیافت می شود. برای جلوگیری از جامد سازی ، معمولاً لازم است کریستال لیزر را در یک محفظه خلاء قرار دهید.

مفهوم کریستال های لیزری که در دماهای پایین کار می کنند نیز می تواند برای آمپلی فایرها اعمال شود. یاقوت کبود تیتانیوم می تواند برای ایجاد تقویت کننده بازخورد مثبت ، میانگین توان خروجی در ده ها وات استفاده شود.

اگرچه دستگاه های خنک کننده کرایوژنیک می توانند پیچیده شوندسیستم لیزری، سیستم های خنک کننده رایج تر اغلب ساده تر هستند و کارآیی خنک کننده کرایوژنیک باعث کاهش پیچیدگی می شود.