เลเซอร์ไครโอเจนิกคืออะไร

แนวคิดเรื่องเลเซอร์ที่ทำงานในอุณหภูมิต่ำไม่ใช่เรื่องใหม่ เลเซอร์ตัวที่สองในประวัติศาสตร์คือเลเซอร์แบบเย็นจัด ในตอนแรก แนวคิดนี้ยากที่จะทำงานที่อุณหภูมิห้อง และความกระตือรือร้นในการทำงานที่อุณหภูมิต่ำเริ่มขึ้นในช่วงทศวรรษ 1990 ด้วยการพัฒนาเลเซอร์และแอมพลิฟายเออร์กำลังสูง

ในกำลังสูงแหล่งกำเนิดเลเซอร์ผลกระทบจากความร้อน เช่น การสูญเสียการดีโพลาไรเซชัน เลนส์ความร้อน หรือการโค้งงอของคริสตัลเลเซอร์ อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของแหล่งกำเนิดแสงการทำความเย็นที่อุณหภูมิต่ำสามารถยับยั้งผลกระทบทางความร้อนที่เป็นอันตรายหลายประการได้อย่างมีประสิทธิภาพ นั่นคือ จำเป็นต้องทำความเย็นตัวกลางเกนให้เหลือ 77K หรืออาจถึง 4K ผลกระทบทางความร้อนหลักๆ มีดังนี้:

คุณสมบัติการนำไฟฟ้าของตัวกลางอัตราขยายถูกยับยั้งอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากเส้นทางอิสระเฉลี่ยของเชือกเพิ่มขึ้น ส่งผลให้การไล่ระดับอุณหภูมิลดลงอย่างมาก ตัวอย่างเช่น เมื่ออุณหภูมิลดลงจาก 300K เป็น 77K การนำความร้อนของผลึก YAG จะเพิ่มขึ้นเป็นเจ็ดเท่า

ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายความร้อนยังลดลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งเมื่อรวมกับการลดลงของการไล่ระดับอุณหภูมิ ส่งผลให้เอฟเฟกต์เลนส์ความร้อนลดลง และโอกาสเกิดการแตกร้าวจากความเค้นก็ลดลงด้วย

ค่าสัมประสิทธิ์เทอร์โมออปติกยังลดลงอีกด้วย ส่งผลให้เอฟเฟกต์ของเลนส์เทอร์มอลลดลงอีกด้วย

การเพิ่มขึ้นของหน้าตัดการดูดซับของไอออนแรร์เอิร์ธนั้นส่วนใหญ่เกิดจากการลดลงของการขยายตัวที่เกิดจากเอฟเฟกต์ความร้อน ดังนั้นพลังงานอิ่มตัวจึงลดลงและอัตราขยายของเลเซอร์จะเพิ่มขึ้น ดังนั้นพลังงานปั๊มเกณฑ์จึงลดลงและสามารถรับพัลส์ที่สั้นลงได้เมื่อสวิตช์ Q ทำงาน โดยการเพิ่มการส่งผ่านของคัปปลิ้งเอาต์พุต ประสิทธิภาพความลาดชันสามารถปรับปรุงได้ ดังนั้นเอฟเฟกต์การสูญเสียโพรงปรสิตจึงมีความสำคัญน้อยลง

จำนวนอนุภาคของระดับต่ำทั้งหมดของตัวกลางอัตราขยายเกือบสามระดับจะลดลง ดังนั้นกำลังการสูบขีดจำกัดจึงลดลงและประสิทธิภาพพลังงานก็ดีขึ้น ตัวอย่างเช่น Yb:YAG ซึ่งผลิตแสงที่ 1030 นาโนเมตร สามารถมองเห็นได้ว่าเป็นระบบเกือบสามระดับที่อุณหภูมิห้อง แต่เป็นระบบสี่ระดับที่ 77K Er: YAG ก็เช่นกัน

ขึ้นอยู่กับตัวกลางที่เพิ่มขึ้น ความเข้มข้นของกระบวนการดับบางกระบวนการจะลดลง

เมื่อรวมกับปัจจัยข้างต้น การทำงานที่อุณหภูมิต่ำสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเลเซอร์ได้อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เลเซอร์ระบายความร้อนที่อุณหภูมิต่ำสามารถรับพลังงานเอาต์พุตที่สูงมากได้โดยไม่ส่งผลต่อความร้อน นั่นคือ สามารถให้คุณภาพลำแสงที่ดีได้

ประเด็นหนึ่งที่ต้องพิจารณาคือในคริสตัลเลเซอร์แบบแช่เย็น แบนด์วิดท์ของแสงที่แผ่ออกมาและแสงที่ดูดซับจะลดลง ดังนั้นช่วงการปรับความยาวคลื่นจะแคบลง และความกว้างของเส้นและความเสถียรของความยาวคลื่นของเลเซอร์แบบปั๊มจะเข้มงวดยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตาม ผลกระทบนี้มักจะเกิดขึ้นไม่บ่อยนัก

การระบายความร้อนแบบไครโอเจนิกมักใช้สารทำความเย็น เช่น ไนโตรเจนเหลวหรือฮีเลียมเหลว และโดยปกติแล้วสารทำความเย็นจะหมุนเวียนผ่านท่อที่ติดอยู่กับคริสตัลเลเซอร์ สารทำความเย็นจะถูกเติมใหม่ตามเวลาหรือรีไซเคิลในวงจรปิด เพื่อหลีกเลี่ยงการแข็งตัว โดยปกติแล้วจำเป็นต้องวางคริสตัลเลเซอร์ไว้ในห้องสุญญากาศ

แนวคิดของคริสตัลเลเซอร์ที่ทำงานในอุณหภูมิต่ำสามารถนำไปใช้กับเครื่องขยายสัญญาณได้เช่นกัน แซฟไฟร์ไททาเนียมสามารถใช้ทำเครื่องขยายสัญญาณแบบป้อนกลับเชิงบวก ซึ่งมีกำลังส่งออกเฉลี่ยเป็นสิบวัตต์

แม้ว่าอุปกรณ์ทำความเย็นแบบไครโอเจนิกอาจมีความซับซ้อนระบบเลเซอร์ระบบทำความเย็นแบบทั่วไปมักจะไม่ซับซ้อนมากนัก และประสิทธิภาพของการทำความเย็นแบบไครโอเจนิกยังช่วยลดความซับซ้อนลงได้บ้าง