Mi az a kriogén lézer?

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

Nagy teljesítményűlézerforrásokA termikus hatások, mint például a depolarizációs veszteség, a hőlencse vagy a lézeres kristályhajlítás, befolyásolhatják a teljesítményét.fényforrásAlacsony hőmérsékletű hűtéssel számos káros hőhatás hatékonyan elnyomható, azaz az erősítőközeget 77 K-re vagy akár 4 K-re kell hűteni. A hűtési hatás főként a következőket foglalja magában:

Az erősítőközeg karakterisztikus vezetőképessége jelentősen csökken, főként a kötél átlagos szabad úthosszának növekedése miatt. Ennek eredményeként a hőmérsékleti gradiens drámaian csökken. Például, amikor a hőmérsékletet 300 K-ről 77 K-re csökkentjük, a YAG kristály hővezető képessége hétszeresére nő.

A hődiffúziós együttható is meredeken csökken. Ez a hőmérsékleti gradiens csökkenésével együtt a hőlencse-effektus csökkenéséhez, és ezáltal a feszültség okozta repedés valószínűségének csökkenéséhez vezet.

A termooptikai együttható is csökken, ami tovább mérsékli a hőlencse hatását.

A ritkaföldfém ion abszorpciós keresztmetszetének növekedése főként a termikus hatás okozta kiszélesedés csökkenésének köszönhető. Ennek következtében a telítési teljesítmény csökken, és a lézererősítés nő. Ennek következtében a küszöbpumpálási teljesítmény csökken, és rövidebb impulzusok érhetők el, amikor a Q kapcsoló működik. A kimeneti csatoló áteresztőképességének növelésével javítható a meredekség hatásfoka, így a parazita üregveszteség hatása kevésbé válik jelentőssé.

A kvázi-háromszintű erősítésű közeg teljes alacsony szintjének részecskeszáma csökken, így a küszöbpumpálási teljesítmény is csökken, és az energiahatékonyság javul. Például az Yb:YAG, amely 1030 nm-en fényt bocsát ki, szobahőmérsékleten kvázi-háromszintű rendszernek tekinthető, de 77 K-en négyszintű rendszernek. Er: Ugyanez igaz a YAG-ra is.

Az erősítő közegtől függően egyes kioltási folyamatok intenzitása csökkenni fog.

A fenti tényezőkkel kombinálva az alacsony hőmérsékleten történő működés jelentősen javíthatja a lézer teljesítményét. Különösen az alacsony hőmérsékleten hűtött lézerek képesek nagyon nagy kimeneti teljesítményt elérni hőhatások nélkül, azaz jó nyalábminőséget kapni.

Egy figyelembe veendő szempont, hogy egy kriohűtéses lézerkristályban a kisugárzott és az elnyelt fény sávszélessége csökken, így a hullámhossz-hangolási tartomány szűkebb lesz, a pumpált lézer vonalszélessége és hullámhossz-stabilitása pedig szigorúbb. Ez a hatás azonban általában ritka.

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

Az alacsony hőmérsékleten működő lézerkristályok koncepciója erősítőkre is alkalmazható. A titán-zafírból pozitív visszacsatolású erősítőket lehet készíteni, amelyek átlagos kimenő teljesítménye tíz wattban mérhető.

Bár a kriogén hűtőberendezések bonyolíthatjáklézerrendszereka gyakoribb hűtőrendszerek gyakran kevésbé egyszerűek, és a kriogén hűtés hatékonysága lehetővé teszi a bonyolultság bizonyos mértékű csökkentését.