Ano ang isang cryogenic laser

Ang konsepto ng mga laser na tumatakbo sa mababang temperatura ay hindi bago: ang pangalawang laser sa kasaysayan ay cryogenic. Sa una, ang konsepto ay mahirap na makamit ang pagpapatakbo ng temperatura ng silid, at ang sigasig para sa mababang temperatura na trabaho ay nagsimula noong 1990s sa pagbuo ng mga high-power laser at amplifier.

Sa mataas na kapangyarihanmga mapagkukunan ng laser, thermal effect tulad ng pagkawala ng depolarization, thermal lens o laser crystal bending ay maaaring makaapekto sa pagganap ngpinagmumulan ng liwanag. Sa pamamagitan ng mababang temperatura na paglamig, maraming mapaminsalang thermal effect ang maaaring epektibong masugpo, ibig sabihin, ang gain medium ay kailangang palamig sa 77K o kahit 4K. Ang epekto ng paglamig ay pangunahing kasama ang:

Ang katangian ng kondaktibiti ng daluyan ng pakinabang ay lubos na napigilan, pangunahin dahil ang ibig sabihin ng libreng landas ng lubid ay nadagdagan. Bilang isang resulta, ang gradient ng temperatura ay bumaba nang husto. Halimbawa, kapag ang temperatura ay ibinaba mula 300K hanggang 77K, ang thermal conductivity ng YAG crystal ay tumataas ng pitong salik.

Ang koepisyent ng thermal diffusion ay bumababa rin nang husto. Ito, kasama ang pagbawas sa gradient ng temperatura, ay nagreresulta sa isang pinababang thermal lensing effect at samakatuwid ay isang pinababang posibilidad ng pagkalagot ng stress.

Ang thermo-optical coefficient ay nabawasan din, na higit na binabawasan ang thermal lens effect.

Ang pagtaas ng cross section ng absorption ng rare earth ion ay higit sa lahat dahil sa pagbaba ng pagpapalawak na dulot ng thermal effect. Samakatuwid, ang saturation power ay nabawasan at ang laser gain ay nadagdagan. Samakatuwid, ang threshold pump power ay nababawasan, at mas maiikling pulse ay maaaring makuha kapag ang Q switch ay gumagana. Sa pamamagitan ng pagtaas ng transmittance ng output coupler, ang slope efficiency ay maaaring mapabuti, kaya ang parasitic cavity loss effect ay nagiging hindi gaanong mahalaga.

Ang particle number ng kabuuang mababang antas ng quasi-three-level gain medium ay nababawasan, kaya ang threshold pumping power ay nababawasan at ang power efficiency ay napabuti. Halimbawa, ang Yb:YAG, na gumagawa ng liwanag sa 1030nm, ay makikita bilang isang quasi-three-level system sa room temperature, ngunit isang four-level system sa 77K. Er: Ang parehong ay totoo para sa YAG.

Depende sa gain medium, ang intensity ng ilang mga proseso ng pagsusubo ay mababawasan.

Kasama ang mga salik sa itaas, ang pagpapatakbo ng mababang temperatura ay maaaring lubos na mapabuti ang pagganap ng laser. Sa partikular, ang mga low temperature cooling laser ay maaaring makakuha ng napakataas na output power nang walang thermal effect, iyon ay, magandang beam na kalidad ay maaaring makuha.

Ang isang isyu na dapat isaalang-alang ay na sa isang cryocooled laser crystal, ang bandwidth ng radiated light at ang absorbed light ay mababawasan, kaya ang wavelength tuning range ay magiging mas makitid, at ang line width at wavelength stability ng pumped laser ay magiging mas mahigpit. . Gayunpaman, ang epekto na ito ay kadalasang bihira.

Ang cryogenic cooling ay kadalasang gumagamit ng coolant, tulad ng liquid nitrogen o liquid helium, at mas mabuti na ang nagpapalamig ay umiikot sa pamamagitan ng isang tubo na nakakabit sa isang laser crystal. Ang coolant ay pinupunan sa oras o nire-recycle sa isang closed loop. Upang maiwasan ang solidification, kadalasang kinakailangan upang ilagay ang laser crystal sa isang vacuum chamber.

Ang konsepto ng mga kristal ng laser na tumatakbo sa mababang temperatura ay maaari ding ilapat sa mga amplifier. Maaaring gamitin ang Titanium sapphire para gumawa ng positive feedback amplifier, ang average na output power sa sampu-sampung watts.

Kahit na ang mga cryogenic cooling device ay maaaring maging kumplikadomga sistema ng laser, ang mas karaniwang mga cooling system ay kadalasang hindi gaanong simple, at ang kahusayan ng cryogenic cooling ay nagbibigay-daan para sa ilang pagbawas sa pagiging kumplikado.