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 om de operatie van kamertemperatuur te bereiken, en het enthousiasme voor lage temperatuurwerk begon in de jaren negentig met de ontwikkeling van krachtige lasers en versterkers.

In hoog vermogenlaserbronnen, thermische effecten zoals depolarisatieverlies, thermische lens of laserkristalbuigen kunnen de prestaties van delichtbron. 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 koeleffect omvat voornamelijk:

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

De thermische diffusiecoëfficiënt neemt ook sterk af. Dit, samen met een vermindering van de temperatuurgradiënt, resulteert in een verminderd thermisch lenseffect en daarom een ​​verminderde kans op stressbreuk.

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

De toename van de absorptie -dwarsdoorsnede van zeldzame aardionen is voornamelijk te wijten aan de afname van verbreding veroorzaakt door het thermische effect. Daarom wordt het verzadigingsvermogen verminderd en wordt de lasergestin verhoogd. Daarom wordt het drempelpompvermogen verminderd en kunnen kortere pulsen worden verkregen wanneer de Q -schakelaar werkt. Door de transmissie van de uitgangskoppeling te vergroten, kan de hellingsefficiëntie worden verbeterd, zodat het verlieseffect van parasitaire holte minder belangrijk wordt.

Het deeltjesaantal van het totale lage niveau van het quasi-op drie-niveau versterkingsmedium wordt verminderd, dus het drempelpompvermogen wordt verminderd en de vermogensefficiëntie is verbeterd. YB: YAG, die licht produceert bij 1030 nm, kan bijvoorbeeld worden gezien als een quasi-drie-niveau systeem bij kamertemperatuur, maar een systeem op vier niveaus op 77k. ER: Hetzelfde geldt voor YAG.

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

Gecombineerd met de bovenstaande factoren kan de lage temperatuurbedrijf de prestaties van de laser aanzienlijk verbeteren. In het bijzonder kunnen lagere temperatuur koellasers een zeer hoog uitgangsvermogen verkrijgen zonder thermische effecten, dat wil zeggen dat een goede bundelkwaliteit kan worden verkregen.

Een probleem om te overwegen is dat in een cryocooled laserkristal de bandbreedte van het uitgestraalde licht en het geabsorbeerde licht zal worden gereduceerd, dus het afstemmingsbereik van de golflengte zal smaller zijn en de lijnbreedte en golflengtestabiliteit van de gepompte laser zal strenger zijn. Dit effect is echter meestal zeldzaam.

Cryogene koeling gebruikt meestal een koelvloeistof, zoals vloeibare stikstof of vloeibaar helium, en idealiter circuleert het koelmiddel door een buis bevestigd aan een laserkristal. Koelvloeistof wordt op tijd aangevuld of gerecycled in een gesloten lus. 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 worden toegepast op versterkers. Titanium saffier kan worden gebruikt om een ​​positieve feedbackversterker te maken, het gemiddelde uitgangsvermogen in tientallen watt.

Hoewel cryogene koelapparaten kunnen ingewikkeld kunnen zijnlasersystemen, Meer voorkomende koelsystemen zijn vaak minder eenvoudig en de efficiëntie van cryogene koeling zorgt voor enige vermindering van de complexiteit.