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.

In hoog vermogenlaserbronnenthermische effecten zoals depolarisatieverlies, thermische lens- of laserkristalbuiging kunnen de prestaties van delichtbronDoor koeling bij lage temperaturen kunnen veel schadelijke thermische effecten effectief worden onderdrukt. Dit betekent dat het versterkingsmedium gekoeld moet worden tot 77K of zelfs 4K. Het koeleffect omvat voornamelijk:

De karakteristieke geleidbaarheid van het versterkende medium wordt sterk geremd, voornamelijk doordat de gemiddelde vrije weglengte van de kabel toeneemt. Hierdoor daalt de temperatuurgradiënt aanzienlijk. 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 afname van de temperatuurgradiënt, resulteert in een verminderd thermisch lenseffect en dus een verminderde kans op spanningsbreuk.

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

De toename van de absorptiedoorsnede van zeldzame-aarde-ionen is voornamelijk te wijten aan de afname van de verbreding door het thermische effect. Hierdoor wordt het verzadigingsvermogen verlaagd en de laserversterking verhoogd. Hierdoor wordt het drempelpompvermogen verlaagd en kunnen kortere pulsen worden verkregen wanneer de Q-schakelaar in werking is. Door de transmissie van de uitgangskoppelaar te verhogen, kan de hellingsefficiëntie worden verbeterd, waardoor het effect van parasitaire holteverliezen minder belangrijk wordt.

Het aantal deeltjes in het totale lage niveau van het quasi-drie-niveau versterkingsmedium wordt verlaagd, waardoor het drempelpompvermogen wordt verlaagd en de energie-efficiëntie wordt verbeterd. Zo kan Yb:YAG, dat licht produceert met een golflengte van 1030 nm, worden gezien als een quasi-drie-niveau systeem bij kamertemperatuur, maar als een vier-niveau systeem bij 77 K. Eh: Hetzelfde geldt voor YAG.

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

In combinatie met bovenstaande factoren kan werking bij lage temperaturen de prestaties van de laser aanzienlijk verbeteren. Met name lasers met lagetemperatuurkoeling kunnen een zeer hoog uitgangsvermogen bereiken zonder thermische effecten, wat betekent dat een goede straalkwaliteit kan worden bereikt.

Een punt om te overwegen is dat in een cryogekoeld laserkristal de bandbreedte van het uitgestraalde licht en het geabsorbeerde licht kleiner wordt, waardoor het golflengtebereik smaller wordt en de lijnbreedte en golflengtestabiliteit van de gepompte laser strenger zijn. Dit effect is echter meestal zeldzaam.

Cryogene koeling maakt meestal gebruik van een koelmiddel, zoals vloeibare stikstof of vloeibaar helium. Idealiter circuleert het koelmiddel door een buis die aan een laserkristal is bevestigd. Het koelmiddel wordt na verloop van tijd aangevuld of gerecycled in een gesloten kringloop. 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. Titaniumsaffier kan worden gebruikt om versterkers met positieve feedback te maken, met een gemiddeld uitgangsvermogen in tientallen watt.

Hoewel cryogene koelapparaten ingewikkeld kunnen zijnlasersystemenDe meest gangbare koelsystemen zijn vaak minder eenvoudig en de efficiëntie van cryogene koeling zorgt voor een vermindering van de complexiteit.