Wat is een cryogene laser

Het concept van lasers die bij lage temperaturen werken is niet nieuw: de tweede laser in de geschiedenis was cryogeen. Aanvankelijk was het concept moeilijk te realiseren bij kamertemperatuur, en het enthousiasme voor werken bij lage temperaturen begon in de jaren negentig met de ontwikkeling van krachtige lasers en versterkers.

Op hoog vermogenlaser bronnenThermische effecten zoals depolarisatieverlies, thermische lens of laserkristalbuiging kunnen de prestaties van het apparaat beïnvloedenlichtbron. Door koeling op lage temperatuur kunnen veel schadelijke thermische effecten effectief worden onderdrukt, dat wil zeggen dat het versterkingsmedium moet worden gekoeld tot 77K of zelfs 4K. Het verkoelende effect omvat voornamelijk:

De karakteristieke geleidbaarheid van het versterkingsmedium wordt sterk geremd, voornamelijk omdat het gemiddelde vrije pad van het touw wordt vergroot. Als gevolg hiervan daalt de temperatuurgradiënt dramatisch. Wanneer de temperatuur bijvoorbeeld wordt verlaagd van 300 K naar 77 K, neemt de thermische geleidbaarheid van het YAG-kristal met een factor zeven toe.

Ook de thermische diffusiecoëfficiënt neemt sterk af. Dit, samen met een vermindering van de temperatuurgradiënt, resulteert in een verminderd thermisch lenseffect en daardoor een verminderde kans op spanningsbreuk.

De thermo-optische coëfficiënt wordt ook verlaagd, waardoor het thermische lenseffect verder wordt verminderd.

De toename van de absorptiedwarsdoorsnede van zeldzame aardionen is voornamelijk te wijten aan de afname van de verbreding veroorzaakt door thermische effecten. Daarom wordt het verzadigingsvermogen verminderd en de laserversterking vergroot. Daarom wordt het drempelpompvermogen verlaagd en kunnen kortere pulsen worden verkregen wanneer de Q-schakelaar in werking is. Door de transmissie van de uitgangskoppeling te vergroten, kan de hellingsefficiëntie worden verbeterd, zodat het parasitaire holteverlieseffect minder belangrijk wordt.

Het deeltjesaantal van het totale lage niveau van het versterkingsmedium met quasi-drie niveaus wordt verminderd, waardoor het drempelpompvermogen wordt verlaagd en de energie-efficiëntie wordt verbeterd. Yb:YAG, dat licht produceert bij 1030 nm, kan bijvoorbeeld worden gezien als een quasi-drie-niveausysteem bij kamertemperatuur, maar als een vier-niveausysteem bij 77K. Er: Hetzelfde geldt voor YAG.

Afhankelijk van het versterkingsmedium zal de intensiteit van sommige uitdovingsprocessen worden verminderd.

Gecombineerd met de bovengenoemde factoren kan werking bij lage temperaturen de prestaties van de laser aanzienlijk verbeteren. In het bijzonder kunnen koellasers bij lage temperatuur een zeer hoog uitgangsvermogen verkrijgen zonder thermische effecten, dat wil zeggen dat er een goede straalkwaliteit kan worden verkregen.

Eén kwestie waarmee rekening moet worden gehouden is dat in een cryogekoeld laserkristal de bandbreedte van het uitgestraalde licht en het geabsorbeerde licht zal worden verminderd, waardoor het golflengte-afstembereik smaller zal zijn en de lijnbreedte en golflengtestabiliteit van de gepompte laser strenger zullen zijn. . Dit effect is echter meestal zeldzaam.

Cryogene koeling maakt meestal gebruik van een koelmiddel, zoals vloeibare stikstof of vloeibaar helium, en idealiter circuleert het koelmiddel door een buis die aan een laserkristal is bevestigd. Koelvloeistof wordt tijdig bijgevuld of gerecycled in een gesloten circuit. Om stolling te voorkomen is het meestal nodig om het laserkristal in een vacuümkamer te plaatsen.

Het concept van laserkristallen die bij lage temperaturen werken, kan ook op versterkers worden toegepast. Titanium-saffier kan worden gebruikt om een ​​positieve feedbackversterker te maken, het gemiddelde uitgangsvermogen in tientallen watt.

Hoewel cryogene koelapparatuur ingewikkeld kan zijnlasersystemenDe meer gebruikelijke koelsystemen zijn vaak minder eenvoudig, en de efficiëntie van cryogene koeling zorgt voor enige vermindering van de complexiteit.