מהו לייזר קריוגני

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

בעוצמה גבוההמקורות לייזר, השפעות תרמיות כגון אובדן דה-פולריזציה, כיפוף עדשה תרמית או גביש לייזר עלולים להשפיע על ביצועי ה-מקור אורבאמצעות קירור בטמפרטורה נמוכה, ניתן לדכא ביעילות השפעות תרמיות מזיקות רבות, כלומר, יש לקרר את מדיום ההגבר ל-77K או אפילו 4K. אפקט הקירור כולל בעיקר:

המוליכות האופיינית של תווך ההגבר מעוכבת מאוד, בעיקר משום שהמסלול החופשי הממוצע של החבל גדל. כתוצאה מכך, גרדיאנט הטמפרטורה יורד באופן דרמטי. לדוגמה, כאשר הטמפרטורה יורדת מ-300K ל-77K, המוליכות התרמית של גביש YAG עולה פי שבע.

מקדם הדיפוזיה התרמית גם הוא יורד בחדות. זה, יחד עם הפחתה במפל הטמפרטורה, מביא להפחתת אפקט העדשה התרמית ולכן להפחתת הסבירות לקריעת מאמץ.

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

העלייה בחתך הבליעה של יון אדמה נדירה נובעת בעיקר מהפחתת ההתרחבות הנגרמת על ידי אפקט תרמי. לכן, עוצמת הרוויה מצטמצמת והגבר הלייזר גדל. לכן, עוצמת משאבת הסף מצטמצמת, וניתן להשיג פולסים קצרים יותר כאשר מתג Q פועל. על ידי הגדלת העברת האור של מצמד הפלט, ניתן לשפר את יעילות השיפוע, כך שאפקט אובדן החלל הטפילי הופך לפחות חשוב.

מספר החלקיקים של הרמה הנמוכה הכוללת של תווך ההגבר בעל שלוש הרמות הקוואזי מצטמצם, כך שעוצמת שאיבת הסף מצטמצמת ויעילות ההספק משתפרת. לדוגמה, Yb:YAG, המייצר אור ב-1030 ננומטר, ניתן לראות כמערכת בעלת שלוש רמות בטמפרטורת החדר, אך כמערכת בעלת ארבע רמות ב-77K. Er: אותו הדבר נכון לגבי YAG.

בהתאם למדיום ההגבר, עוצמתם של חלק מתהליכי הכיבוי תפחת.

בשילוב עם הגורמים הנ"ל, פעולה בטמפרטורה נמוכה יכולה לשפר מאוד את ביצועי הלייזר. בפרט, לייזרים בעלי קירור 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 בקריוגן, רוחב הפס של האור המוקרן והאור הנספג יופחת, כך שטווח כוונון אורך הגל יהיה צר יותר, ורוחב הקו ויציבות אורך הגל של הלייזר השאוב יהיו מחמירים 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 זורם דרך צינור המחובר לגביש לייזר. נוזל הקירור מתמלא מחדש בזמן או ממוחזר בלולאה סגורה. על מנת למנוע התמצקות, בדרך כלל יש צורך להניח את גביש הלייזר בתא ואקום.

ניתן ליישם את הקונספט של גבישי לייזר הפועלים בטמפרטורות נמוכות גם על מגברים. ניתן להשתמש בטיטאניום ספיר לייצור מגבר משוב חיובי, שהספק המוצא הממוצע שלו הוא בעשרות וואט.

למרות שמכשירי קירור קריוגניים יכולים לסבךמערכות לייזר, מערכות קירור נפוצות יותר הן לרוב פחות פשוטות, ויעילות הקירור הקריוגני מאפשרת הפחתה מסוימת במורכבות.