เลเซอร์ไครโอเจนิกคืออะไร

แนวคิดเรื่องเลเซอร์ที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำไม่ใช่เรื่องใหม่: เลเซอร์ตัวที่สองในประวัติศาสตร์ก็เป็นเลเซอร์แบบไครโอเจนิกเช่นกัน ในช่วงแรก การทำให้เลเซอร์ทำงานที่อุณหภูมิห้องนั้นทำได้ยาก และความกระตือรือร้นในการทำงานที่อุณหภูมิต่ำเริ่มขึ้นในทศวรรษ 1990 ด้วยการพัฒนาเลเซอร์และเครื่องขยายสัญญาณกำลังสูง

ในกำลังสูงแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ผลกระทบจากความร้อน เช่น การสูญเสียโพลาไรเซชัน เลนส์ความร้อน หรือการโค้งงอของผลึกเลเซอร์ อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานแหล่งกำเนิดแสงด้วยการระบายความร้อนที่อุณหภูมิต่ำ สามารถลดผลกระทบจากความร้อนที่เป็นอันตรายหลายอย่างได้อย่างมีประสิทธิภาพ กล่าวคือ ตัวกลางเพิ่มกำลังแสงจำเป็นต้องถูกระบายความร้อนให้เหลือ 77K หรือแม้แต่ 4K ผลของการระบายความร้อนส่วนใหญ่ได้แก่:

ค่าการนำความร้อนจำเพาะของตัวกลางขยายสัญญาณถูกยับยั้งอย่างมาก ส่วนใหญ่เป็นเพราะระยะทางอิสระเฉลี่ยของเชือกเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ความแตกต่างของอุณหภูมิลดลงอย่างมาก ตัวอย่างเช่น เมื่ออุณหภูมิลดลงจาก 300K เหลือ 77K ค่าการนำความร้อนของผลึก YAG จะเพิ่มขึ้นถึงเจ็ดเท่า

ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ความร้อนก็ลดลงอย่างมากเช่นกัน เมื่อรวมกับการลดลงของความชันของอุณหภูมิ จะส่งผลให้ปรากฏการณ์เลนส์ความร้อนลดลง และด้วยเหตุนี้จึงลดโอกาสที่จะเกิดการแตกหักจากความเค้น

นอกจากนี้ ค่าสัมประสิทธิ์เทอร์โมออปติกยังลดลง ซึ่งช่วยลดผลกระทบของเลนส์ความร้อนลงไปอีก

การเพิ่มขึ้นของพื้นที่หน้าตัดการดูดกลืนของไอออนธาตุหายากนั้นเกิดจากการลดลงของการขยายตัวที่เกิดจากผลกระทบทางความร้อนเป็นหลัก ดังนั้น กำลังอิ่มตัวจึงลดลงและอัตราการขยายของเลเซอร์จึงเพิ่มขึ้น ด้วยเหตุนี้ กำลังปั๊มขั้นต่ำจึงลดลง และสามารถสร้างพัลส์ที่สั้นลงได้เมื่อสวิตช์ Q ทำงาน การเพิ่มการส่งผ่านของตัวเชื่อมต่อเอาต์พุตสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพความชันได้ ดังนั้นผลกระทบจากการสูญเสียโพรงปรสิตจึงมีความสำคัญน้อยลง

จำนวนอนุภาคของระดับต่ำทั้งหมดของตัวกลางขยายแบบกึ่งสามระดับลดลง ดังนั้นกำลังปั๊มที่จำเป็นจึงลดลงและประสิทธิภาพการใช้พลังงานจึงดีขึ้น ตัวอย่างเช่น Yb:YAG ซึ่งผลิตแสงที่ 1030 นาโนเมตร สามารถมองได้ว่าเป็นระบบกึ่งสามระดับที่อุณหภูมิห้อง แต่เป็นระบบสี่ระดับที่ 77K เอ่อ: เช่นเดียวกันกับ YAG

ความเข้มของกระบวนการดับแสงบางอย่างจะลดลง ขึ้นอยู่กับตัวกลางเพิ่มกำลังแสง

เมื่อพิจารณาร่วมกับปัจจัยข้างต้น การทำงานที่อุณหภูมิต่ำสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเลเซอร์ได้อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เลเซอร์ที่ระบายความร้อนด้วยอุณหภูมิต่ำสามารถให้กำลังเอาต์พุตสูงมากโดยไม่มีผลกระทบจากความร้อน กล่าวคือ สามารถได้คุณภาพลำแสงที่ดี

ประเด็นหนึ่งที่ควรพิจารณาคือ ในผลึกเลเซอร์ที่ระบายความร้อนด้วยความเย็นจัด แบนด์วิดท์ของแสงที่แผ่รังสีและแสงที่ถูกดูดซับจะลดลง ดังนั้นช่วงการปรับความยาวคลื่นจะแคบลง และความกว้างของเส้นสเปกตรัมและความเสถียรของความยาวคลื่นของเลเซอร์ที่ถูกกระตุ้นจะเข้มงวดมากขึ้น อย่างไรก็ตาม ผลกระทบนี้มักเกิดขึ้นได้ยาก

การทำความเย็นด้วยความเย็นจัดโดยทั่วไปจะใช้สารหล่อเย็น เช่น ไนโตรเจนเหลวหรือฮีเลียมเหลว และในอุดมคติแล้ว สารหล่อเย็นจะไหลเวียนผ่านท่อที่ติดอยู่กับผลึกเลเซอร์ สารหล่อเย็นจะถูกเติมใหม่ตามเวลาหรือนำกลับมาใช้ใหม่ในระบบวงปิด เพื่อป้องกันการแข็งตัว โดยปกติแล้วจำเป็นต้องวางผลึกเลเซอร์ไว้ในห้องสุญญากาศ

แนวคิดเรื่องผลึกเลเซอร์ที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับเครื่องขยายสัญญาณได้เช่นกัน ไทเทเนียมแซฟไฟร์สามารถใช้สร้างเครื่องขยายสัญญาณแบบป้อนกลับเชิงบวกได้ โดยมีกำลังเอาต์พุตเฉลี่ยหลายสิบวัตต์

แม้ว่าอุปกรณ์ทำความเย็นแบบไครโอเจนิกอาจทำให้เกิดความซับซ้อนได้ระบบเลเซอร์โดยทั่วไปแล้ว ระบบระบายความร้อนแบบทั่วไปมักมีความซับซ้อนมากกว่า และประสิทธิภาพของการระบายความร้อนด้วยความเย็นจัดช่วยลดความซับซ้อนลงได้บ้าง