Какво е „криогенен лазер“? Всъщност това е...лазеркойто изисква работа при ниска температура в усилващата среда.
Концепцията за лазери, работещи при ниски температури, не е нова: вторият лазер в историята е криогенен. Първоначално концепцията е била трудна за постигане на работа при стайна температура, а ентусиазмът за работа при ниски температури започва през 90-те години на миналия век с разработването на мощни лазери и усилватели.
С висока мощностлазерни източници, термични ефекти като загуба на деполяризация, термична леща или огъване на лазерен кристал могат да повлияят на производителността наизточник на светлинаЧрез нискотемпературно охлаждане много вредни топлинни ефекти могат да бъдат ефективно потиснати, т.е. усилващата среда трябва да се охлади до 77K или дори 4K. Охлаждащият ефект включва главно:
Характерната проводимост на усилващата среда е силно потисната, главно защото средният свободен пробег на въжето се увеличава. В резултат на това температурният градиент спада драстично. Например, когато температурата се понижи от 300K на 77K, топлопроводимостта на YAG кристала се увеличава седем пъти.
Коефициентът на термична дифузия също намалява рязко. Това, заедно с намаляването на температурния градиент, води до намален ефект на термично лещиране и следователно до намалена вероятност от разкъсване от напрежение.
Термооптичният коефициент също е намален, което допълнително намалява ефекта на термичната леща.
Увеличението на напречното сечение на абсорбция на редкоземните йони се дължи главно на намаляването на разширението, причинено от термичен ефект. Следователно, мощността на насищане се намалява и лазерното усилване се увеличава. Следователно, праговата мощност на помпата се намалява и могат да се получат по-къси импулси, когато Q превключвателят работи. Чрез увеличаване на пропускателната способност на изходния разклонител може да се подобри ефективността на наклона, така че ефектът от паразитните загуби в кухината става по-малко важен.
Броят на частиците на общото ниско ниво на квази-тристепенната усилваща среда е намален, така че праговата мощност на изпомпване е намалена и енергийната ефективност е подобрена. Например, Yb:YAG, който произвежда светлина при 1030 nm, може да се разглежда като квази-тристепенна система при стайна температура, но като четиристепенна система при 77K. Er: Същото важи и за YAG.
В зависимост от усилващата среда, интензитетът на някои процеси на закаляване ще бъде намален.
В комбинация с горепосочените фактори, работата при ниски температури може значително да подобри производителността на лазера. По-специално, лазерите с нискотемпературно охлаждане могат да постигнат много висока изходна мощност без термични ефекти, т.е. да се постигне добро качество на лъча.
Един от проблемите, които трябва да се имат предвид, е, че в криогенно охлажден лазерен кристал, честотната лента на излъчената светлина и погълнатата светлина ще бъдат намалени, така че диапазонът на настройка на дължината на вълната ще бъде по-тесен, а ширината на линията и стабилността на дължината на вълната на изпомпвания лазер ще бъдат по-строги. Този ефект обаче обикновено е рядък.
Криогенното охлаждане обикновено използва охлаждаща течност, като течен азот или течен хелий, и в идеалния случай хладилната течност циркулира през тръба, прикрепена към лазерен кристал. Охлаждащата течност се допълва с времето или се рециклира в затворен цикъл. За да се избегне втвърдяване, обикновено е необходимо лазерният кристал да се постави във вакуумна камера.
Концепцията за лазерни кристали, работещи при ниски температури, може да се приложи и към усилватели. Титаниево-сапфиреният материал може да се използва за направата на усилватели с положителна обратна връзка, със средна изходна мощност в десетки ватове.
Въпреки че криогенните охладителни устройства могат да усложнятлазерни системи, по-често срещаните охладителни системи често са по-малко прости, а ефективността на криогенното охлаждане позволява известно намаляване на сложността.
Време на публикуване: 14 юли 2023 г.