Vad är en kryogen laser

Begreppet 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 högeffektiva lasrar och förstärkare.

I hög kraftlaserkällor, termiska effekter såsom depolarisationsförlust, termisk lins eller laserkristallböjning kan påverka prestandan förljuskälla. Genom låg temperaturkylning kan många skadliga termiska effekter effektivt undertryckas, det vill säga förstärkningsmediet måste kylas till 77K eller till och med 4K. Kyleffekten inkluderar huvudsakligen:

Den karakteristiska konduktiviteten hos förstärkningsmediet hämmas kraftigt, främst för att repets genomsnittliga fria väg ökas. Som ett resultat sjunker temperaturgradienten dramatiskt. Till exempel, när temperaturen sänks från 300K till 77K, ökar YAG -kristallens värmeledning med en faktor sju.

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

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

Ökningen av absorption tvärsnittet av sällsynt jordjon beror främst på minskningen av breddningen orsakad av termisk effekt. Därför reduceras mättnadseffekten och laserförstärkningen ökas. Därför reduceras tröskelpumpens kraft och kortare pulser kan erhållas när Q -omkopplaren fungerar. Genom att öka överföring av utgångskopplaren kan lutningseffektiviteten förbättras, så att förlusteffekten av parasitisk kavitet blir mindre viktig.

Partikelantalet för den totala låga nivån för det kvasi-tre-nivå förstärkningsmediet reduceras, så tröskelpumpkraften reduceras och effekteffektiviteten förbättras. Till exempel kan YB: YAG, som producerar ljus vid 1030Nm, ses som ett kvasi-tre-system vid rumstemperatur, men ett fyra-nivå-system vid 77K. ER: Detsamma gäller för YAG.

Beroende på förstärkningsmedium kommer intensiteten för vissa släckningsprocesser att reduceras.

Kombinerat med ovanstående faktorer kan låg temperaturdrift kraftigt förbättra laserens prestanda. I synnerhet kan lasrar med låg temperaturkylning få mycket hög utgångseffekt utan termiska effekter, det vill säga god balkkvalitet kan erhållas.

En fråga att tänka på är att i en kryokoolerad laserkristall, bandbredden för det strålade ljuset och det absorberade ljuset kommer att reduceras, så att våglängdsjusteringsområdet blir smalare, och linjens bredd och våglängdsstabilitet för den pumpade lasern kommer att vara strängare. Men denna effekt är vanligtvis sällsynt.

Kryogen kylning använder vanligtvis ett kylvätska, såsom flytande kväve eller flytande helium, och idealiskt cirkulerar kylmedlet genom ett rör fäst vid en laserkristall. Kylvätska fylls i tid eller återvinns i en sluten slinga. För att undvika stelning är det vanligtvis nödvändigt att placera laserkristallen i en vakuumkammare.

Begreppet laserkristaller som arbetar vid låga temperaturer kan också tillämpas på förstärkare. Titan Sapphire kan användas för att göra positiv återkopplingsförstärkare, den genomsnittliga utgångseffekten i tiotals watt.

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