Was ist ein kryogener Laser?

Das Konzept, dass Laser bei niedrigen Temperaturen arbeiten, ist nicht neu: Der zweite Laser in der Geschichte war kryogen. Anfangs war es mit dem Konzept schwierig, einen Betrieb bei Raumtemperatur zu erreichen, und die Begeisterung für Arbeiten bei niedrigen Temperaturen begann in den 1990er Jahren mit der Entwicklung von Hochleistungslasern und -verstärkern.

In HöchstleistungLaserquellen, thermische Effekte wie Depolarisationsverlust, thermische Linse oder Laserkristallbiegung können die Leistung des beeinträchtigenLichtquelle. Durch die Kühlung bei niedriger Temperatur können viele schädliche thermische Effekte wirksam unterdrückt werden, d. h. das Verstärkungsmedium muss auf 77 K oder sogar 4 K gekühlt werden. Der Kühleffekt umfasst hauptsächlich:

Die charakteristische Leitfähigkeit des Verstärkungsmediums wird stark beeinträchtigt, hauptsächlich weil der mittlere freie Weg des Seils vergrößert wird. Dadurch sinkt der Temperaturgradient dramatisch. Wenn beispielsweise die Temperatur von 300 K auf 77 K gesenkt wird, erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit des YAG-Kristalls um den Faktor sieben.

Auch der Wärmediffusionskoeffizient nimmt stark ab. Dies führt zusammen mit einer Verringerung des Temperaturgradienten zu einem verringerten thermischen Linseneffekt und damit zu einer verringerten Wahrscheinlichkeit eines Spannungsbruchs.

Auch der thermooptische Koeffizient wird reduziert, wodurch der thermische Linseneffekt weiter reduziert wird.

Die Zunahme des Absorptionsquerschnitts von Seltenerdionen ist hauptsächlich auf die Abnahme der durch den thermischen Effekt verursachten Verbreiterung zurückzuführen. Daher wird die Sättigungsleistung reduziert und die Laserverstärkung erhöht. Daher wird die Schwellenpumpleistung verringert und es können kürzere Impulse erhalten werden, wenn der Q-Schalter in Betrieb ist. Durch die Erhöhung der Durchlässigkeit des Ausgangskopplers kann die Steilheitseffizienz verbessert werden, sodass der parasitäre Hohlraumverlusteffekt weniger wichtig wird.

Die Partikelanzahl des gesamten niedrigen Niveaus des Quasi-Dreiniveau-Verstärkungsmediums wird reduziert, sodass die Schwellenpumpleistung verringert und die Leistungseffizienz verbessert wird. Beispielsweise kann Yb:YAG, das Licht bei 1030 nm erzeugt, bei Raumtemperatur als quasi dreistufiges System angesehen werden, bei 77 K jedoch als vierstufiges System. Er: Das Gleiche gilt für YAG.

Abhängig vom Verstärkungsmedium wird die Intensität einiger Löschprozesse verringert.

In Kombination mit den oben genannten Faktoren kann der Betrieb bei niedrigen Temperaturen die Leistung des Lasers erheblich verbessern. Insbesondere Niedertemperatur-Kühllaser können ohne thermische Effekte eine sehr hohe Ausgangsleistung erzielen, d. h. es kann eine gute Strahlqualität erzielt werden.

Ein zu berücksichtigender Punkt besteht darin, dass in einem kryogekühlten Laserkristall die Bandbreite des abgestrahlten und absorbierten Lichts verringert wird, sodass der Wellenlängenabstimmbereich enger wird und die Linienbreite und Wellenlängenstabilität des gepumpten Lasers strenger werden . Dieser Effekt ist jedoch normalerweise selten.

Bei der kryogenen Kühlung wird normalerweise ein Kühlmittel wie flüssiger Stickstoff oder flüssiges Helium verwendet. Idealerweise zirkuliert das Kühlmittel durch ein Rohr, das an einem Laserkristall befestigt ist. Kühlmittel wird rechtzeitig nachgefüllt oder in einem geschlossenen Kreislauf recycelt. Um eine Erstarrung zu vermeiden, ist es meist notwendig, den Laserkristall in einer Vakuumkammer zu platzieren.

Das Konzept der bei niedrigen Temperaturen arbeitenden Laserkristalle lässt sich auch auf Verstärker übertragen. Titansaphir kann zur Herstellung von Verstärkern mit positiver Rückkopplung verwendet werden, deren durchschnittliche Ausgangsleistung mehrere zehn Watt beträgt.

Obwohl kryogene Kühlgeräte kompliziert sein könnenLasersystemeÜblichere Kühlsysteme sind oft weniger einfach und die Effizienz der kryogenen Kühlung ermöglicht eine gewisse Reduzierung der Komplexität.