מהו לייזר קריוגני

הרעיון של לייזרים הפועלים בטמפרטורות נמוכות אינו חדש: הלייזר השני בהיסטוריה היה קריוגני. בתחילה, היה קשה להשיג את התפיסה על פעולת טמפרטורת החדר, וההתלהבות מהעבודה בטמפרטורה נמוכה החלה בשנות התשעים עם פיתוח לייזרים ומגברים בעלי עוצמה גבוהה.

בעוצמה גבוההמקורות לייזר, השפעות תרמיות כמו אובדן קיטוב, עדשה תרמית או כיפוף גבישי לייזר יכולים להשפיע על הביצועים שלמקור אורו באמצעות קירור בטמפרטורה נמוכה, ניתן לדכא ביעילות השפעות תרמיות מזיקות רבות, כלומר מדיום הרווח צריך להתקרר ל 77K או אפילו 4K. אפקט הקירור כולל בעיקר:

המוליכות האופיינית של מדיום הרווח מעוצבת מאוד, בעיקר מכיוון שהדרך החופשית הממוצעת של החבל מוגברת. כתוצאה מכך, שיפוע הטמפרטורה יורד באופן דרמטי. לדוגמה, כאשר הטמפרטורה מורידה מ- 300K ל- 77K, המוליכות התרמית של גביש YAG עולה בגורם של שבעה.

גם מקדם הדיפוזיה התרמית פוחת בצורה חדה. זה, יחד עם ירידה במדרגת הטמפרטורה, מביא לאפקט של עדשה תרמית מופחתת ולכן סבירות מופחתת לקרע מתח.

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

עליית חתך הקליטה של ​​יון כדור הארץ הנדיר נובעת בעיקר מירידה בהרחבה הנגרמת כתוצאה מהשפעה תרמית. לפיכך, כוח הרוויה מצטמצם ורווח הלייזר מוגבר. לפיכך, כוח משאבת הסף מצטמצם, וניתן להשיג פולסים קצרים יותר כאשר מתג Q פועל. על ידי הגדלת העברת מצמד הפלט, ניתן לשפר את יעילות המדרון, כך שאפקט אובדן חלל הטפילי הופך להיות פחות חשוב.

מספר החלקיקים של הרמה הנמוכה הכוללת של מדיום הרווח הרמת השלוש-שלוש מצטמצם, ולכן כוח השאיבה של הסף מופחת ומשתפר יעילות ההספק. לדוגמה, YB: YAG, המייצר אור בגובה 1030 ננומטר, ניתן לראות כמערכת ברמה מעין שלוש בטמפרטורת החדר, אך מערכת ארבע מפלס בגובה 77K. ER: הדבר נכון גם לגבי YAG.

תלוי במדיום הרווח, עוצמתם של כמה תהליכי מרווה תקטן.

בשילוב עם הגורמים לעיל, פעולת טמפרטורה נמוכה יכולה לשפר מאוד את ביצועי הלייזר. בפרט, לייזרי קירור בטמפרטורה נמוכה יכולים להשיג כוח תפוקה גבוה מאוד ללא השפעות תרמיות, כלומר ניתן להשיג איכות קרן טובה.

נושא אחד שיש לקחת בחשבון הוא שבגביש לייזר עם קריו -קול, רוחב הפס של האור המוקרן והאור הספוג יופחת, כך שתחום הכוונון באורך הגל יהיה צר יותר, ורוחב הקו ויציבות אורך הגל של הלייזר המשאב יהיו מחמרים יותר. עם זאת, השפעה זו היא בדרך כלל נדירה.

קירור קריוגני משתמש בדרך כלל בנוזל קירור, כמו חנקן נוזלי או הליום נוזלי, ובאופן אידיאלי הקירור מסתובב דרך צינור המחובר לגביש לייזר. נוזל הקירור 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. ניתן להשתמש בספיר טיטניום לייצור מגבר משוב חיובי, כוח הפלט הממוצע בעשרות וואט.

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