Ano ang isang cryogenic laser

Hindi na bago ang konsepto ng mga laser na gumagana sa mababang temperatura: ang pangalawang laser sa kasaysayan ay cryogenic. Sa simula, ang konsepto ay mahirap makamit ang operasyon sa temperatura ng silid, at ang sigasig para sa gawaing mababa ang temperatura ay nagsimula noong dekada 1990 sa pag-unlad ng mga high-power laser at amplifier.

Sa mataas na kapangyarihanmga pinagmumulan ng laser, ang mga thermal effect tulad ng depolarization loss, thermal lens o laser crystal bending ay maaaring makaapekto sa performance ngpinagmumulan ng liwanagSa pamamagitan ng mababang temperaturang pagpapalamig, maraming mapaminsalang epekto ng init ang maaaring epektibong mapigilan, ibig sabihin, ang gain medium ay kailangang palamigin sa 77K o kahit 4K. Ang epekto ng pagpapalamig ay pangunahing kinabibilangan ng:

Ang katangiang kondaktibiti ng gain medium ay lubhang napipigilan, pangunahin dahil ang mean free path ng lubid ay tumataas. Bilang resulta, ang temperature gradient ay bumababa nang husto. Halimbawa, kapag ang temperatura ay ibinaba mula 300K patungong 77K, ang thermal conductivity ng YAG crystal ay tumataas nang pito ka beses.

Ang thermal diffusion coefficient ay bumababa rin nang husto. Ito, kasama ang pagbaba ng temperature gradient, ay nagreresulta sa nabawasang thermal lensing effect at samakatuwid ay nabawasang posibilidad ng stress rupture.

Nababawasan din ang thermo-optical coefficient, na lalong nagpapababa sa thermal lens effect.

Ang pagtaas ng absorption cross section ng rare earth ion ay pangunahing dahil sa pagbaba ng broadening na dulot ng thermal effect. Samakatuwid, ang saturation power ay nababawasan at ang laser gain ay tumataas. Samakatuwid, ang threshold pump power ay nababawasan, at ang mas maiikling pulse ay maaaring makuha kapag gumagana ang Q switch. 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.

Nababawasan ang bilang ng particle ng kabuuang mababang antas ng quasi-three-level gain medium, kaya nababawasan ang threshold pumping power at napapabuti ang power efficiency. Halimbawa, ang Yb:YAG, na naglalabas ng liwanag sa 1030nm, ay makikita bilang isang quasi-three-level system sa temperatura ng silid, ngunit isang four-level system sa 77K. Er: Ganito rin ang nangyayari sa YAG.

Depende sa gain medium, ang tindi ng ilang proseso ng quenching ay mababawasan.

Kapag sinamahan ng mga salik na nabanggit, ang mababang temperaturang operasyon ay lubos na makakapagpabuti sa pagganap ng laser. Sa partikular, ang mga low temperature cooling laser ay maaaring makakuha ng napakataas na output power nang walang thermal effect, ibig sabihin, makakamit ang mahusay na kalidad ng beam.

Isang isyung dapat isaalang-alang ay sa isang cryocooled laser crystal, ang bandwidth ng radiated light at 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 epektong ito ay karaniwang bihira.

Ang cryogenic cooling ay karaniwang gumagamit ng coolant, tulad ng liquid nitrogen o liquid helium, at sa isip, ang refrigerant ay umiikot sa isang tubo na nakakabit sa isang laser crystal. Ang coolant ay pinupunan muli sa paglipas ng panahon o nirerecycle sa isang closed loop. Upang maiwasan ang pagtigas, karaniwang kinakailangang ilagay ang laser crystal sa isang vacuum chamber.

Ang konsepto ng mga kristal ng laser na gumagana sa mababang temperatura ay maaari ding ilapat sa mga amplifier. Ang titanium sapiro ay maaaring gamitin upang gumawa ng positive feedback amplifier, na ang average na output power ay nasa sampu-sampung watts.

Bagama't maaaring maging kumplikado ang mga cryogenic cooling devicemga sistema ng laser, ang mas karaniwang mga sistema ng pagpapalamig ay kadalasang hindi gaanong simple, at ang kahusayan ng cryogenic cooling ay nagbibigay-daan para sa ilang pagbawas sa pagiging kumplikado.