เลเซอร์ไครโอเจนิกคืออะไร

แนวคิดของเลเซอร์ที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำไม่ใช่เรื่องใหม่: เลเซอร์ตัวที่สองในประวัติศาสตร์เป็นแบบไครโอเจนิกส์ ในตอนแรก แนวคิดนี้เป็นเรื่องยากที่จะบรรลุการทำงานที่อุณหภูมิห้อง และความกระตือรือร้นในการทำงานที่อุณหภูมิต่ำเริ่มขึ้นในทศวรรษ 1990 ด้วยการพัฒนาเลเซอร์และแอมพลิฟายเออร์กำลังสูง

มีพลังสูงแหล่งเลเซอร์ผลกระทบจากความร้อน เช่น การสูญเสียขั้ว เลนส์ความร้อน หรือการโค้งงอของคริสตัลเลเซอร์ อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของแหล่งกำเนิดแสง- ด้วยการทำความเย็นที่อุณหภูมิต่ำ ผลกระทบจากความร้อนที่เป็นอันตรายมากมายสามารถถูกระงับได้อย่างมีประสิทธิภาพ กล่าวคือ ตัวกลางเกนจะต้องถูกทำให้เย็นลงที่ 77K หรือแม้กระทั่ง 4K ผลการทำความเย็นส่วนใหญ่ประกอบด้วย:

ลักษณะการนำไฟฟ้าของตัวกลางเกนถูกยับยั้งอย่างมาก สาเหตุหลักมาจากเส้นทางอิสระของเชือกเพิ่มขึ้น ส่งผลให้การไล่ระดับของอุณหภูมิลดลงอย่างมาก ตัวอย่างเช่น เมื่ออุณหภูมิลดลงจาก 300K เป็น 77K ค่าการนำความร้อนของผลึก YAG จะเพิ่มขึ้น 7 เท่า

ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายความร้อนก็ลดลงอย่างรวดเร็วเช่นกัน เมื่อรวมกับการลดลงของการไล่ระดับอุณหภูมิ ส่งผลให้เลนส์ความร้อนลดลง และโอกาสที่จะเกิดการแตกหักของความเครียดลดลง

ค่าสัมประสิทธิ์เทอร์โมออปติคอลก็ลดลงเช่นกัน ซึ่งช่วยลดผลกระทบของเลนส์ความร้อนได้อีก

การเพิ่มขึ้นของส่วนตัดขวางการดูดซับของไอออนของธาตุหายากมีสาเหตุหลักมาจากการลดลงของการขยายตัวที่เกิดจากผลกระทบทางความร้อน ดังนั้นพลังงานความอิ่มตัวจึงลดลงและอัตราขยายของเลเซอร์จะเพิ่มขึ้น ดังนั้น กำลังปั๊มเกณฑ์จะลดลง และสามารถรับพัลส์ที่สั้นลงได้เมื่อสวิตช์ Q ทำงาน การเพิ่มการส่งผ่านของเอาต์พุตคัปเปลอร์สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพความชันได้ ดังนั้นผลกระทบจากการสูญเสียโพรงปรสิตจึงมีความสำคัญน้อยลง

จำนวนอนุภาคของระดับต่ำรวมของตัวกลางเกนกึ่งสามระดับจะลดลง ดังนั้นกำลังการสูบตามเกณฑ์จึงลดลง และปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ตัวอย่างเช่น Yb:YAG ซึ่งผลิตแสงที่ 1,030 นาโนเมตร สามารถมองเห็นเป็นระบบเสมือนสามระดับที่อุณหภูมิห้อง แต่เป็นระบบสี่ระดับที่ 77K เออร์: เช่นเดียวกับ YAG

ความเข้มของกระบวนการดับบางอย่างจะลดลง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสื่อที่ได้รับ

เมื่อรวมกับปัจจัยข้างต้นแล้ว การทำงานที่อุณหภูมิต่ำสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเลเซอร์ได้อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เลเซอร์ทำความเย็นที่อุณหภูมิต่ำสามารถรับกำลังเอาต์พุตที่สูงมากโดยไม่มีผลกระทบจากความร้อน กล่าวคือ ลำแสงมีคุณภาพที่ดี

ประเด็นหนึ่งที่ต้องพิจารณาก็คือ ในคริสตัลเลเซอร์แบบเย็นด้วยความเย็นจัด แบนด์วิธของแสงที่แผ่ออกมาและแสงที่ถูกดูดกลืนจะลดลง ดังนั้นช่วงการปรับความยาวคลื่นจะแคบลง และความกว้างของเส้นและความเสถียรของความยาวคลื่นของเลเซอร์ที่ถูกสูบจะเข้มงวดมากขึ้น . อย่างไรก็ตามผลกระทบนี้มักพบไม่บ่อยนัก

การทำความเย็นด้วยความเย็นมักจะใช้สารหล่อเย็น เช่น ไนโตรเจนเหลวหรือฮีเลียมเหลว และตามหลักการแล้ว สารทำความเย็นจะไหลเวียนผ่านท่อที่ติดอยู่กับคริสตัลเลเซอร์ มีการเติมสารหล่อเย็นให้ทันเวลาหรือรีไซเคิลในวงปิด เพื่อหลีกเลี่ยงการแข็งตัว โดยปกติจำเป็นต้องวางคริสตัลเลเซอร์ไว้ในห้องสุญญากาศ

แนวคิดเรื่องคริสตัลเลเซอร์ที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำสามารถนำไปใช้กับแอมพลิฟายเออร์ได้เช่นกัน แซฟไฟร์ไทเทเนียมสามารถใช้สร้างแอมพลิฟายเออร์ตอบรับเชิงบวก ซึ่งเป็นกำลังขับเฉลี่ยในหน่วยหลายสิบวัตต์

แม้ว่าอุปกรณ์ทำความเย็นแบบแช่แข็งอาจมีความซับซ้อนได้ระบบเลเซอร์ระบบทำความเย็นทั่วไปมักจะเรียบง่ายน้อยกว่า และประสิทธิภาพของการทำความเย็นด้วยความเย็นเยือกแข็งช่วยลดความซับซ้อนลงได้บ้าง