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 lastig om dit concept bij kamertemperatuur te realiseren, en het enthousiasme voor werken bij lage temperaturen ontstond in de jaren negentig met de ontwikkeling van krachtige lasers en versterkers.

In hoog vermogenlaserbronnenThermische effecten zoals depolarisatieverlies, thermische lensvervorming of buiging van het laserkristal kunnen de prestaties van delichtbronDoor koeling bij lage temperaturen kunnen veel schadelijke thermische effecten effectief worden onderdrukt. Dit betekent dat het versterkingsmedium moet worden gekoeld tot 77K of zelfs 4K. Het koeleffect omvat hoofdzakelijk:

De karakteristieke geleidbaarheid van het versterkingsmedium wordt sterk geremd, voornamelijk doordat de gemiddelde vrije weglengte van de streng toeneemt. Hierdoor daalt de temperatuurgradiënt drastisch. 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.

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

Ook de thermo-optische coëfficiënt wordt verlaagd, waardoor het thermische lenseffect verder afneemt.

De toename van de absorptiedwarsdoorsnede van zeldzame-aardionen is voornamelijk te danken aan de afname van de verbreding veroorzaakt door thermische effecten. Hierdoor wordt het verzadigingsvermogen verlaagd en de laserversterking verhoogd. Dit resulteert in een verlaagd drempelvermogen voor de pomplaser en de mogelijkheid om kortere pulsen te verkrijgen wanneer de Q-schakelaar in werking is. Door de transmissie van de uitgangskoppelaar te verhogen, kan de hellingsrendement worden verbeterd, waardoor het effect van parasitaire caviteitsverliezen minder belangrijk wordt.

Het aantal deeltjes van het totale lage energieniveau van het quasi-drieniveau-versterkingsmedium wordt verminderd, waardoor het drempelvermogen voor de pomping wordt verlaagd en de energie-efficiëntie wordt verbeterd. Yb:YAG, dat licht produceert bij 1030 nm, kan bijvoorbeeld bij kamertemperatuur worden beschouwd als een quasi-drieniveau-systeem, maar bij 77 K als een vierniveau-systeem. Hetzelfde geldt voor YAG.

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

In combinatie met de bovengenoemde factoren kan een lage bedrijfstemperatuur de prestaties van de laser aanzienlijk verbeteren. Met name lasers die gekoeld worden bij lage temperaturen kunnen een zeer hoog uitgangsvermogen bereiken zonder thermische effecten, wat betekent dat een goede straalkwaliteit kan worden verkregen.

Een aandachtspunt is dat in een cryogekoeld laserkristal de bandbreedte van het uitgestraalde en geabsorbeerde licht kleiner wordt, waardoor het golflengte-afstemmingsbereik smaller wordt en de lijnbreedte en golflengtestabiliteit van de gepompte laser strenger worden. Dit effect is echter doorgaans zeldzaam.

Cryogene koeling maakt doorgaans gebruik van een koelmiddel, zoals vloeibare stikstof of vloeibaar helium. Idealiter circuleert dit koelmiddel door een buis die is verbonden met een laserkristal. Het koelmiddel wordt na verloop van tijd aangevuld of gerecycled in een gesloten circuit. Om stolling te voorkomen, is het meestal noodzakelijk om het laserkristal in een vacuümkamer te plaatsen.

Het concept van laserkristallen die bij lage temperaturen werken, kan ook worden toegepast op versterkers. Titaansaffier kan worden gebruikt om een ​​versterker met positieve terugkoppeling te maken, met een gemiddeld uitgangsvermogen van tientallen watts.

Hoewel cryogene koelapparaten de situatie kunnen complicerenlasersystemenGangbare koelsystemen zijn vaak minder eenvoudig, en de efficiëntie van cryogene koeling maakt een zekere vermindering van de complexiteit mogelijk.