เลเซอร์แช่แข็งคืออะไร

แนวคิดของเลเซอร์ที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำไม่ใช่เรื่องใหม่: เลเซอร์ที่สองในประวัติศาสตร์คือแช่แข็ง ในขั้นต้นแนวคิดนี้ยากที่จะบรรลุการทำงานของอุณหภูมิห้องและความกระตือรือร้นในการทำงานอุณหภูมิต่ำเริ่มขึ้นในปี 1990 ด้วยการพัฒนาเลเซอร์และแอมป์พลังงานสูง

มีกำลังสูงแหล่งกำเนิดเลเซอร์ผลกระทบทางความร้อนเช่นการสูญเสียการสลับขั้วเลนส์ความร้อนหรือการดัดคริสตัลเลเซอร์อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของแหล่งกำเนิดแสง- ผ่านการระบายความร้อนที่อุณหภูมิต่ำเอฟเฟกต์ความร้อนที่เป็นอันตรายจำนวนมากสามารถระงับได้อย่างมีประสิทธิภาพนั่นคือตัวกลางที่ได้รับจะต้องเย็นลงถึง 77K หรือแม้กระทั่ง 4K เอฟเฟกต์การระบายความร้อนส่วนใหญ่รวมถึง:

ค่าการนำไฟฟ้าลักษณะของตัวกลางที่ได้รับนั้นถูกยับยั้งอย่างมากส่วนใหญ่เป็นเพราะเส้นทางอิสระเฉลี่ยของเชือกเพิ่มขึ้น เป็นผลให้การไล่ระดับอุณหภูมิลดลงอย่างมาก ตัวอย่างเช่นเมื่ออุณหภูมิลดลงจาก 300K เป็น 77K ค่าการนำความร้อนของผลึก YAG จะเพิ่มขึ้นโดยปัจจัยเจ็ด

ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายความร้อนยังลดลงอย่างรวดเร็ว สิ่งนี้พร้อมกับการลดลงของการไล่ระดับอุณหภูมิส่งผลให้เกิดผลการเลนส์ความร้อนลดลงและดังนั้นจึงมีโอกาสลดลงของการแตกของความเครียด

ค่าสัมประสิทธิ์เทอร์โม-ออปติกก็ลดลงนอกจากนี้ยังช่วยลดผลกระทบของเลนส์ความร้อน

การเพิ่มขึ้นของการดูดซับภาพตัดขวางของไอออนดินหายากส่วนใหญ่เกิดจากการลดลงของการขยายที่เกิดจากผลกระทบความร้อน ดังนั้นพลังงานความอิ่มตัวจะลดลงและการเพิ่มเลเซอร์จะเพิ่มขึ้น ดังนั้นพลังงานปั๊มเกณฑ์จะลดลงและพัลส์ที่สั้นกว่าสามารถรับได้เมื่อสวิตช์ Q ทำงาน ด้วยการเพิ่มการส่งผ่านของ coupler เอาท์พุทประสิทธิภาพความชันสามารถปรับปรุงได้ดังนั้นผลการสูญเสียโพรงปรสิตจึงมีความสำคัญน้อยกว่า

จำนวนอนุภาคของระดับต่ำทั้งหมดของตัวกลางที่ได้รับระดับกึ่งระดับสามจะลดลงดังนั้นกำลังการสูบน้ำแบบเกณฑ์จะลดลงและประสิทธิภาพการใช้พลังงานจะดีขึ้น ตัวอย่างเช่น YB: YAG ซึ่งให้แสงที่ 1030Nm สามารถมองเห็นได้ว่าเป็นระบบกึ่งสามระดับที่อุณหภูมิห้อง แต่ระบบสี่ระดับที่ 77K ER: เช่นเดียวกันกับ YAG

ความเข้มของกระบวนการดับขึ้นอยู่กับตัวกลางเพิ่มขึ้น

เมื่อรวมกับปัจจัยข้างต้นการทำงานที่อุณหภูมิต่ำสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเลเซอร์ได้อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเลเซอร์ระบายความร้อนที่อุณหภูมิต่ำสามารถรับกำลังขับที่สูงมากโดยไม่มีผลกระทบความร้อนนั่นคือคุณภาพของลำแสงที่ดีสามารถรับได้

ปัญหาหนึ่งที่ควรพิจารณาคือในคริสตัลเลเซอร์แช่แข็งแบนด์วิดท์ของแสงที่แผ่รังสีและแสงที่ดูดซึมจะลดลงดังนั้นช่วงการปรับความยาวคลื่นจะแคบลงและความกว้างของเส้นและเสถียรภาพของความยาวคลื่นของเลเซอร์ปั๊มจะเข้มงวดมากขึ้น อย่างไรก็ตามเอฟเฟกต์นี้มักจะหายาก

การระบายความร้อนแบบแช่แข็งมักจะใช้สารหล่อเย็นเช่นไนโตรเจนเหลวหรือฮีเลียมเหลวและสารทำความเย็นจะไหลผ่านหลอดที่ติดอยู่กับคริสตัลเลเซอร์ สารหล่อเย็นจะถูกเติมเต็มเวลาหรือรีไซเคิลในวงปิด เพื่อหลีกเลี่ยงการแข็งตัวมักจะต้องวางคริสตัลเลเซอร์ไว้ในห้องสูญญากาศ

แนวคิดของผลึกเลเซอร์ที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำสามารถนำไปใช้กับแอมพลิฟายเออร์ได้ ไทเทเนียมแซฟไฟร์สามารถใช้ในการสร้างแอมพลิฟายเออร์ข้อเสนอแนะเชิงบวกพลังงานเอาต์พุตเฉลี่ยในวัตต์หลายสิบวัตต์

แม้ว่าอุปกรณ์ระบายความร้อนแบบแช่แข็งจะซับซ้อนระบบเลเซอร์ระบบทำความเย็นที่พบบ่อยกว่ามักจะง่ายกว่าและประสิทธิภาพของการระบายความร้อนแบบแช่แข็งช่วยให้การลดความซับซ้อนลดลง