Mi az a kriogén lézer

Az alacsony hőmérsékleten működő lézerek koncepciója nem új keletű: a történelem második lézere kriogén volt. Kezdetben a koncepció nehezen volt megvalósítható szobahőmérsékleten, és az alacsony hőmérsékletű munka iránti lelkesedés az 1990-es években kezdődött a nagy teljesítményű lézerek és erősítők kifejlesztésével.

Nagy teljesítménybenlézeres források, a hőhatások, mint a depolarizációs veszteség, a termikus lencse vagy a lézerkristály hajlítás befolyásolhatják a teljesítményétfényforrás. Alacsony hőmérsékletű hűtéssel számos káros hőhatás hatékonyan elfojtható, vagyis az erősítő közeget 77K-ra vagy akár 4K-ra kell hűteni. A hűtőhatás főként a következőket tartalmazza:

Az erősítő közeg jellemző vezetőképessége nagymértékben gátolt, főként azért, mert megnő a kötél átlagos szabad útja. Ennek eredményeként a hőmérsékleti gradiens drámaian csökken. Például, ha a hőmérsékletet 300 K-ról 77 K-ra csökkentik, a YAG kristály hővezető képessége hétszeresére nő.

A termikus diffúziós együttható is meredeken csökken. Ez a hőmérsékleti gradiens csökkenésével együtt csökkenti a termikus lencsehatást, és ezáltal csökkenti a feszültségtörés valószínűségét.

A termo-optikai együttható is csökken, tovább csökkentve a termikus lencse hatását.

A ritkaföldfém-ion abszorpciós keresztmetszetének növekedése elsősorban a termikus hatás okozta kiszélesedés csökkenése miatt következik be. Ezért a telítési teljesítmény csökken, és a lézererősítés nő. Ezért a szivattyú küszöbteljesítménye csökken, és rövidebb impulzusok érhetők el, amikor a Q kapcsoló működik. A kimeneti csatoló áteresztőképességének növelésével javítható a lejtés hatásfoka, így a parazita üregvesztés hatás kevésbé fontos.

A kvázi háromszintű erősítő közeg teljes alacsony szintjének részecskeszáma csökken, így csökken a szivattyúzási teljesítmény küszöbértéke és javul az energiahatékonyság. Például az Yb:YAG, amely 1030 nm-en állítja elő a fényt, szobahőmérsékleten kvázi háromszintű rendszernek tekinthető, 77 K-en viszont négyszintű rendszernek. Er: Ugyanez igaz a YAG-ra is.

Az erősítő közegtől függően egyes kioltási folyamatok intenzitása csökken.

A fenti tényezőkkel kombinálva az alacsony hőmérsékletű működés nagymértékben javíthatja a lézer teljesítményét. Az alacsony hőmérsékletű hűtőlézerekkel különösen nagy kimenő teljesítmény érhető el hőhatások nélkül, azaz jó sugárminőség érhető el.

Figyelembe kell venni, hogy a kriohűtött lézerkristályban a kisugárzott és az elnyelt fény sávszélessége csökken, így a hullámhossz hangolási tartománya szűkebb lesz, a szivattyúzott lézer vonalszélessége és hullámhosszstabilitása pedig szigorúbb lesz. . Ez a hatás azonban általában ritka.

A kriogén hűtés általában hűtőközeget használ, például folyékony nitrogént vagy folyékony héliumot, és ideális esetben a hűtőközeg egy lézerkristályhoz rögzített csövön keresztül kering. A hűtőfolyadékot időben pótolják, vagy zárt körben újrahasznosítják. A megszilárdulás elkerülése érdekében általában a lézerkristályt vákuumkamrába kell helyezni.

Az alacsony hőmérsékleten működő lézerkristályok koncepciója az erősítőkre is alkalmazható. A titán zafírból pozitív visszacsatolású erősítő készíthető, az átlagos kimeneti teljesítmény több tíz wattban.

Bár a kriogén hűtőberendezések bonyolíthatjáklézeres rendszerek, a gyakoribb hűtőrendszerek gyakran kevésbé egyszerűek, és a kriogén hűtés hatékonysága lehetővé teszi a bonyolultság némi csökkentését.