Vad är en kryogen laser

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

Med hög effektlaserkällor, kan termiska effekter som depolarisationsförlust, termisk lins eller laserkristallböjning påverka prestandan hosljuskälla. Genom lågtemperaturkylning kan många skadliga termiska effekter effektivt undertryckas, det vill säga att förstärkningsmediet måste kylas till 77K eller till och med 4K. Kylningseffekten inkluderar huvudsakligen:

Den karakteristiska konduktiviteten hos förstärkningsmediet är kraftigt hämmad, främst på grund av att den genomsnittliga fria banan för repet ökas. Som ett resultat sjunker temperaturgradienten dramatiskt. Till exempel, när temperaturen sänks från 300K till 77K, 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 termoptiska koefficienten reduceras också, vilket ytterligare minskar den termiska linseffekten.

Ökningen av absorptionstvärsnittet av sällsynta jordartsmetalljoner beror huvudsakligen på minskningen av breddningen orsakad av termisk effekt. Därför reduceras mättnadseffekten och laserförstärkningen ökas. Därför reduceras tröskelpumpens effekt, och kortare pulser kan erhållas när Q-omkopplaren är i drift. Genom att öka transmittansen hos utgångskopplaren kan lutningseffektiviteten förbättras, så att effekten av parasitisk kavitetsförlust blir mindre viktig.

Partikelantalet för den totala låga nivån av kvasi-tre-nivåförstärkningsmediet reduceras, så att tröskelpumpeffekten reduceras och effekteffektiviteten förbättras. Till exempel kan Yb:YAG, som producerar ljus vid 1030nm, ses som ett kvasi-trenivåsystem vid rumstemperatur, men ett fyranivåsystem vid 77K. Er: Detsamma gäller för YAG.

Beroende på förstärkningsmediet kommer intensiteten av vissa härdningsprocesser att reduceras.

I kombination med ovanstående faktorer kan lågtemperaturdrift avsevärt förbättra laserns prestanda. I synnerhet kan kyllasrar med låg temperatur erhålla mycket hög uteffekt utan termiska effekter, det vill säga god strålkvalitet kan erhållas.

En fråga att tänka på är att i en kryokyld laserkristall kommer bandbredden för det utstrålade ljuset och det absorberade ljuset att reduceras, så att våglängdsjusteringsområdet blir smalare, och linjebredden och våglängdsstabiliteten för den pumpade lasern blir mer stringent . 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 till en laserkristall. Kylvätska fylls på i tid 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. Titan safir kan användas för att göra positiv feedback förstärkare, den genomsnittliga uteffekten i tiotals watt.

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