เลเซอร์ไครโอเจนิกคืออะไร

แนวคิดเรื่องเลเซอร์ที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำไม่ใช่เรื่องใหม่ เลเซอร์ตัวที่สองในประวัติศาสตร์คือเลเซอร์อุณหภูมิต่ำ ในตอนแรกแนวคิดนี้ยากที่จะทำให้ทำงานได้ที่อุณหภูมิห้อง และความกระตือรือร้นในการทำงานที่อุณหภูมิต่ำก็เริ่มต้นขึ้นในช่วงทศวรรษ 1990 ด้วยการพัฒนาเลเซอร์กำลังสูงและแอมพลิฟายเออร์

ในกำลังสูงแหล่งกำเนิดเลเซอร์ผลกระทบจากความร้อน เช่น การสูญเสียการดีโพลาไรเซชัน เลนส์ความร้อน หรือการดัดโค้งของคริสตัลเลเซอร์ อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของแหล่งกำเนิดแสงการระบายความร้อนที่อุณหภูมิต่ำสามารถยับยั้งผลกระทบทางความร้อนที่เป็นอันตรายหลายอย่างได้อย่างมีประสิทธิภาพ กล่าวคือ จำเป็นต้องระบายความร้อนตัวกลางที่ขยายสัญญาณให้เย็นลงถึง 77K หรือแม้กระทั่ง 4K ผลกระทบทางความร้อนหลักๆ ประกอบด้วย:

ค่าการนำไฟฟ้าเฉพาะตัวของตัวกลางอัตราขยายถูกยับยั้งอย่างมาก ส่วนใหญ่เป็นเพราะค่าเฉลี่ยของเส้นทางอิสระของเชือกเพิ่มขึ้น ส่งผลให้การไล่ระดับอุณหภูมิลดลงอย่างมาก ตัวอย่างเช่น เมื่ออุณหภูมิลดลงจาก 300K เป็น 77K ค่าการนำความร้อนของผลึก YAG จะเพิ่มขึ้นเป็นเจ็ดเท่า

ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายความร้อนก็ลดลงอย่างรวดเร็วเช่นกัน เมื่อรวมกับการลดลงของการไล่ระดับอุณหภูมิ ส่งผลให้เอฟเฟกต์เลนส์ความร้อนลดลง และโอกาสการแตกเนื่องจากความเค้นก็ลดลงด้วย

ค่าสัมประสิทธิ์เทอร์โมออปติกยังลดลงอีกด้วย ซึ่งจะช่วยลดผลของเลนส์เทอร์มอลลงไปอีก

การเพิ่มขึ้นของพื้นที่หน้าตัดการดูดกลืนของไอออนธาตุหายากส่วนใหญ่เกิดจากการลดลงของการขยายที่เกิดจากผลกระทบทางความร้อน ดังนั้นจึงทำให้กำลังอิ่มตัวลดลงและอัตราขยายของเลเซอร์เพิ่มขึ้น ดังนั้นกำลังปั๊มขีดจำกัดจึงลดลง และสามารถรับพัลส์ที่สั้นลงได้เมื่อสวิตช์ Q ทำงาน การเพิ่มค่าการส่งผ่านของคัปเปลอร์เอาต์พุตจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของความลาดชัน ทำให้ผลกระทบจากการสูญเสียโพรงปรสิตมีความสำคัญน้อยลง

จำนวนอนุภาคของระดับต่ำทั้งหมดของตัวกลางอัตราขยายเกือบสามระดับลดลง ดังนั้นกำลังการสูบของเกณฑ์จึงลดลงและประสิทธิภาพพลังงานก็ดีขึ้น ตัวอย่างเช่น Yb:YAG ซึ่งผลิตแสงที่ 1030 นาโนเมตร สามารถมองได้ว่าเป็นระบบเกือบสามระดับที่อุณหภูมิห้อง แต่เป็นระบบสี่ระดับที่อุณหภูมิ 77K Er: YAG ก็เช่นเดียวกัน

ความเข้มข้นของกระบวนการดับบางกระบวนการจะลดลง ขึ้นอยู่กับตัวกลางที่ได้รับ

เมื่อรวมกับปัจจัยต่างๆ ข้างต้น การทำงานที่อุณหภูมิต่ำสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเลเซอร์ได้อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เลเซอร์ระบายความร้อนที่อุณหภูมิต่ำสามารถให้กำลังเอาต์พุตสูงมากโดยไม่ส่งผลต่อความร้อน ซึ่งหมายความว่าจะได้คุณภาพลำแสงที่ดี

ประเด็นหนึ่งที่ต้องพิจารณาคือ ในผลึกเลเซอร์แบบ cryocooled แบนด์วิดท์ของแสงที่แผ่ออกมาและแสงที่ดูดซับจะลดลง ดังนั้นช่วงการปรับความยาวคลื่นจะแคบลง และความกว้างของเส้นและความเสถียรของความยาวคลื่นของเลเซอร์แบบปั๊มจะเข้มงวดมากขึ้น อย่างไรก็ตาม ผลกระทบนี้มักเกิดขึ้นได้ยาก

การทำความเย็นแบบไครโอเจนิกมักใช้สารหล่อเย็น เช่น ไนโตรเจนเหลวหรือฮีเลียมเหลว โดยสารทำความเย็นจะไหลเวียนผ่านท่อที่ติดอยู่กับผลึกเลเซอร์ สารหล่อเย็นจะถูกเติมใหม่ตามเวลาหรือรีไซเคิลในระบบปิด เพื่อหลีกเลี่ยงการแข็งตัว มักจำเป็นต้องนำผลึกเลเซอร์ไปไว้ในห้องสุญญากาศ

แนวคิดเรื่องคริสตัลเลเซอร์ที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำสามารถนำมาประยุกต์ใช้กับเครื่องขยายสัญญาณได้เช่นกัน แซฟไฟร์ไทเทเนียมสามารถนำมาใช้ผลิตเครื่องขยายสัญญาณแบบป้อนกลับเชิงบวก ซึ่งมีกำลังขับเฉลี่ยหลายสิบวัตต์

แม้ว่าอุปกรณ์ทำความเย็นแบบไครโอเจนิกอาจมีความซับซ้อนระบบเลเซอร์ระบบทำความเย็นแบบทั่วไปมักจะไม่เรียบง่ายนัก และประสิทธิภาพของระบบทำความเย็นแบบไครโอเจนิกช่วยลดความซับซ้อนลงได้บ้าง