מהו לייזר קריוגני

הרעיון של לייזרים הפועלים בטמפרטורות נמוכות אינו חדש: הלייזר השני בהיסטוריה היה קריוגני. בתחילה, הרעיון היה קשה להשיג פעולה בטמפרטורת החדר, וההתלהבות מעבודה בטמפרטורה נמוכה החלה בשנות ה-90 עם פיתוח לייזרים ומגברים בעלי הספק גבוה.

בעוצמה גבוההמקורות לייזר, השפעות תרמיות כגון אובדן דה-פולריזציה, עדשה תרמית או כיפוף גבישי לייזר עלולות להשפיע על הביצועים שלמקור אור. באמצעות קירור בטמפרטורה נמוכה, ניתן לדכא ביעילות השפעות תרמיות מזיקות רבות, כלומר, יש לקרר את מדיום הרווח ל-77K או אפילו 4K. אפקט הקירור כולל בעיקר:

המוליכות האופיינית של מדיום הרווח מעוכבת מאוד, בעיקר בגלל שהנתיב החופשי הממוצע של החבל גדל. כתוצאה מכך, שיפוע הטמפרטורה יורד באופן דרמטי. לדוגמה, כאשר הטמפרטורה יורדת מ-300K ל-77K, המוליכות התרמית של גביש YAG עולה בפקטור שבע.

גם מקדם הדיפוזיה התרמי יורד בחדות. זה, יחד עם הפחתה בשיפוע הטמפרטורה, מביא להפחתת אפקט העדשה התרמית ולכן הסבירות להפחתת הלחץ.

המקדם התרמו-אופטי מופחת אף הוא, מה שמפחית עוד יותר את אפקט העדשה התרמית.

הגידול בחתך הספיגה של יון אדמה נדיר נובעת בעיקר מירידה בהרחבה הנגרמת על ידי השפעה תרמית. לכן, עוצמת הרוויה מופחתת ורווח הלייזר גדל. לכן, כוח משאבת הסף מופחת, וניתן לקבל פולסים קצרים יותר כאשר מתג ה-Q פועל. על ידי הגדלת השידור של מצמד הפלט, ניתן לשפר את יעילות השיפוע, כך שאפקט אובדן החלל הטפילי הופך פחות חשוב.

מספר החלקיקים של הרמה הנמוכה הכוללת של מדיום ההגבר המדומה לשלוש רמות מצטמצם, כך שכוח השאיבה בסף מופחת ויעילות ההספק משתפרת. לדוגמה, ניתן לראות את Yb:YAG, המפיקה אור ב-1030nm, כמערכת מעין-שלוש רמות בטמפרטורת החדר, אך מערכת בעלת ארבע רמות ב-77K. Er: אותו הדבר נכון עבור YAG.

בהתאם למדיום ההגברה, עוצמתם של כמה תהליכי מרווה תופחת.

בשילוב עם הגורמים לעיל, פעולה בטמפרטורה נמוכה יכולה לשפר מאוד את ביצועי הלייזר. בפרט, לייזרים לקירור בטמפרטורה נמוכה יכולים להשיג הספק פלט גבוה מאוד ללא השפעות תרמיות, כלומר ניתן להשיג איכות קרן טובה.

נושא אחד שיש לקחת בחשבון הוא שבגביש לייזר מקורר בהקפאה, רוחב הפס של האור המוקרן והאור הנבלע יקטן, כך שטווח כוונון אורך הגל יהיה צר יותר, ויציבות הקו ואורך הגל של הלייזר הנשאב יהיו מחמירות יותר. . עם זאת, השפעה זו היא בדרך כלל נדירה.

קירור קריוגני משתמש בדרך כלל בנוזל קירור, כגון חנקן נוזלי או הליום נוזלי, ובאופן אידיאלי, נוזל הקירור מסתובב דרך צינור המחובר לקריסטל לייזר. נוזל קירור מתחדש בזמן או ממוחזר בלולאה סגורה. על מנת למנוע התמצקות, בדרך כלל יש צורך להציב את גביש הלייזר בתא ואקום.

ניתן ליישם את הרעיון של גבישי לייזר הפועלים בטמפרטורות נמוכות גם על מגברים. ניתן להשתמש בספיר טיטניום לייצור מגבר משוב חיובי, הספק המוצא הממוצע בעשרות וואט.

למרות שמכשירי קירור קריוגניים יכולים לסבךמערכות לייזר, מערכות קירור נפוצות יותר הן לרוב פחות פשוטות, והיעילות של קירור קריוגני מאפשרת הפחתה מסוימת במורכבות.