Was ist ein „Kryogenlaser“? Tatsächlich handelt es sich um einenLaserdas einen Betrieb bei niedrigen Temperaturen im Verstärkungsmedium erfordert.
Das Konzept von Lasern, die bei niedrigen Temperaturen arbeiten, ist nicht neu: Der zweite Laser der Geschichte war kryogen. Anfangs war es schwierig, den Betrieb bei Raumtemperatur zu realisieren, und die Begeisterung für die Arbeit bei niedrigen Temperaturen begann in den 1990er Jahren mit der Entwicklung von Hochleistungslasern und -verstärkern.
Bei hoher LeistungLaserquellen, thermische Effekte wie Depolarisationsverlust, thermische Linse oder Laserkristallbiegung können die Leistung desLichtquelleDurch Niedertemperaturkühlung können viele schädliche thermische Effekte effektiv unterdrückt werden. Das Verstärkungsmedium muss daher auf 77 K oder sogar 4 K gekühlt werden. Der Kühleffekt umfasst hauptsächlich:
Die charakteristische Leitfähigkeit des Verstärkungsmediums wird stark beeinträchtigt, hauptsächlich weil die mittlere freie Weglänge des Seils zunimmt. Infolgedessen sinkt der Temperaturgradient drastisch. Wenn beispielsweise die Temperatur von 300 K auf 77 K gesenkt wird, erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit des YAG-Kristalls um den Faktor sieben.
Der Wärmediffusionskoeffizient nimmt ebenfalls stark ab. Dies führt zusammen mit einer Verringerung des Temperaturgradienten zu einem verringerten thermischen Linseneffekt und somit zu einer geringeren Wahrscheinlichkeit eines Spannungsbruchs.
Der thermooptische Koeffizient wird ebenfalls reduziert, wodurch der thermische Linseneffekt weiter verringert wird.
Die Vergrößerung des Absorptionsquerschnitts von Seltenerdionen ist hauptsächlich auf die Verringerung der thermisch bedingten Verbreiterung zurückzuführen. Dadurch verringert sich die Sättigungsleistung und die Laserverstärkung erhöht sich. Dadurch verringert sich die Schwellenpumpleistung, und bei aktiviertem Güteschalter können kürzere Impulse erzeugt werden. Durch Erhöhung der Transmission des Ausgangskopplers lässt sich die Flankensteilheit verbessern, wodurch der parasitäre Hohlraumverlusteffekt an Bedeutung verliert.
Die Partikelanzahl des gesamten niedrigen Niveaus des Quasi-Drei-Niveau-Verstärkungsmediums wird reduziert, wodurch die Schwellenpumpleistung reduziert und die Energieeffizienz verbessert wird. Beispielsweise kann Yb:YAG, das Licht bei 1030 nm erzeugt, bei Raumtemperatur als Quasi-Drei-Niveau-System angesehen werden, bei 77 K jedoch als Vier-Niveau-System. Er: Dasselbe gilt für YAG.
Je nach Verstärkungsmedium wird die Intensität einiger Löschprozesse reduziert.
In Kombination mit den oben genannten Faktoren kann der Betrieb bei niedrigen Temperaturen die Leistung des Lasers erheblich verbessern. Insbesondere können Laser mit niedriger Temperaturkühlung eine sehr hohe Ausgangsleistung ohne thermische Effekte erzielen, d. h. eine gute Strahlqualität.
Zu berücksichtigen ist, dass in einem kryogekühlten Laserkristall die Bandbreite des abgestrahlten und des absorbierten Lichts reduziert ist. Dadurch wird der Wellenlängenabstimmbereich schmaler und die Linienbreite sowie Wellenlängenstabilität des gepumpten Lasers strenger. Dieser Effekt tritt jedoch in der Regel selten auf.
Bei der kryogenen Kühlung wird üblicherweise ein Kühlmittel wie flüssiger Stickstoff oder flüssiges Helium verwendet. Idealerweise zirkuliert das Kühlmittel durch ein Rohr, das mit einem Laserkristall verbunden ist. Das Kühlmittel wird rechtzeitig nachgefüllt oder in einem geschlossenen Kreislauf recycelt. Um eine Verfestigung zu vermeiden, muss der Laserkristall üblicherweise in einer Vakuumkammer platziert werden.
Das Konzept von Laserkristallen, die bei niedrigen Temperaturen arbeiten, lässt sich auch auf Verstärker übertragen. Aus Titan-Saphir lassen sich Verstärker mit positiver Rückkopplung herstellen, deren durchschnittliche Ausgangsleistung im zweistelligen Wattbereich liegt.
Obwohl kryogene Kühlgeräte dieLasersysteme, herkömmlichere Kühlsysteme sind oft weniger einfach und die Effizienz der kryogenen Kühlung ermöglicht eine gewisse Reduzierung der Komplexität.
Beitragszeit: 14. Juli 2023