Vad är en kryogen laser

Konceptet med lasrar som arbetar vid låga temperaturer är inte nytt: den andra lasern i historien var kryogen. Ursprungligen var konceptet svårt att uppnå rumstemperaturdrift, och entusiasmen för lågtemperaturarbete började på 1990-talet med utvecklingen av högeffektslarar och förstärkare.

I hög effektlaserkällor, termiska effekter såsom depolarisationsförlust, böjning av termiska linser eller laserkristaller kan påverka prestandan hosljuskällaGenom lågtemperaturkylning kan många skadliga termiska effekter effektivt undertryckas, det vill säga att förstärkningsmediet behöver kylas till 77K eller till och med 4K. Kyleffekten inkluderar huvudsakligen:

Förstärkningsmediets karakteristiska konduktivitet hämmas kraftigt, främst på grund av att repets genomsnittliga fria väg ökas. Som ett resultat sjunker temperaturgradienten dramatiskt. Till exempel, när temperaturen sänks från 300 K till 77 K, ökar YAG-kristallens värmeledningsförmåga med en faktor sju.

Den termiska diffusionskoefficienten minskar också kraftigt. Detta, tillsammans med en minskning av temperaturgradienten, resulterar i en minskad termisk linseffekt och därmed en minskad sannolikhet för spänningsbrott.

Den termooptiska koefficienten minskas också, vilket ytterligare minskar den termiska linseffekten.

Ökningen av absorptionstvärsnittet för sällsynta jordartsmetaller beror huvudsakligen på minskad breddning orsakad av termisk effekt. Därför minskar mättnadseffekten och laserförstärkningen ökar. Därför minskar tröskelpumpeffekten, och kortare pulser kan erhållas när Q-omkopplaren är i drift. Genom att öka transmittansen hos utgångskopplaren kan lutningseffektiviteten förbättras, så att effekten av parasitkavitetsförlust blir mindre viktig.

Partikelantalet för den totala låga nivån i det kvasi-trenivåförstärkningsmediet minskas, så tröskelpumpeffekten minskas och effekteffektiviteten förbättras. Till exempel kan Yb:YAG, som producerar ljus vid 1030 nm, ses som ett kvasi-trenivåsystem vid rumstemperatur, men ett fyrnivåsystem vid 77K. Er: Detsamma gäller för YAG.

Beroende på förstärkningsmediet kommer intensiteten hos vissa kylprocesser att minska.

I kombination med ovanstående faktorer kan lågtemperaturdrift avsevärt förbättra laserns prestanda. I synnerhet kan lasrar med låg temperaturkylning uppnå mycket hög uteffekt utan termiska effekter, det vill säga god strålkvalitet kan uppnås.

En sak att beakta är att i en kryokyld laserkristall kommer bandbredden för det utstrålade ljuset och det absorberade ljuset att minska, så våglängdsavstämningsområdet blir smalare och linjebredden och våglängdsstabiliteten hos den pumpade lasern blir strängare. Denna effekt är dock vanligtvis sällsynt.

Kryogen kylning använder vanligtvis ett kylmedel, såsom flytande kväve eller flytande helium, och helst cirkulerar köldmediet genom ett rör fäst vid en laserkristall. Kylvätskan fylls på med tiden eller återvinns i en sluten slinga. För att undvika stelning är det vanligtvis nödvändigt att placera laserkristallen i en vakuumkammare.

Konceptet med laserkristaller som arbetar vid låga temperaturer kan också tillämpas på förstärkare. Titansafir kan användas för att tillverka positiv återkopplingsförstärkare, med en genomsnittlig uteffekt i tiotals watt.

Även om kryogena kylanordningar kan kompliceralasersystem, vanligare kylsystem är ofta mindre enkla, och effektiviteten hos kryogen kylning möjliggör en viss minskning av komplexiteten.