극저온 레이저란 무엇인가

저온에서 작동하는 레이저라는 개념 자체는 새로운 것이 아닙니다. 역사상 두 번째로 개발된 레이저도 극저온 레이저였습니다. 초기에는 상온에서 작동시키는 것이 어려웠으며, 1990년대 고출력 레이저와 증폭기의 개발과 함께 저온 연구에 대한 관심이 본격적으로 높아지기 시작했습니다.

고출력에서레이저 소스탈분극 손실, 열 렌즈 또는 레이저 결정 굽힘과 같은 열 효과는 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.광원저온 냉각을 통해 많은 유해한 열 효과를 효과적으로 억제할 수 있습니다. 즉, 이득 매체를 77K 또는 심지어 4K까지 냉각해야 합니다. 냉각 효과는 주로 다음과 같습니다.

이득 매질의 특성 전도도는 크게 억제되는데, 이는 주로 로프의 평균 자유 행로가 증가하기 때문입니다. 결과적으로 온도 기울기가 급격히 감소합니다. 예를 들어, 온도가 300K에서 77K로 낮아질 때 YAG 결정의 열전도도는 7배 증가합니다.

열 확산 계수 또한 급격히 감소합니다. 이는 온도 기울기의 감소와 함께 열 렌즈 효과를 줄여 응력 파열 가능성을 낮춥니다.

열광학 계수 또한 감소하여 열 렌즈 효과가 더욱 줄어듭니다.

희토류 이온의 흡수 단면적 증가는 주로 열 효과로 인한 폭넓어짐 감소에 기인합니다. 따라서 포화 전력이 감소하고 레이저 이득이 증가합니다. 결과적으로 문턱 펌프 전력이 감소하고 Q 스위치 작동 시 더 짧은 펄스를 얻을 수 있습니다. 출력 결합기의 투과율을 증가시키면 기울기 효율이 향상되어 기생 공진기 손실 효과가 덜 중요해집니다.

준 3준위 이득 매질의 전체 저준위 입자 수가 감소하므로 임계 펌핑 전력이 감소하고 전력 효율이 향상됩니다. 예를 들어, 1030nm의 빛을 생성하는 Yb:YAG는 상온에서는 준 3준위 시스템으로 볼 수 있지만 77K에서는 4준위 시스템으로 볼 수 있습니다. Er:YAG도 마찬가지입니다.

이득 매질에 따라 일부 소광 과정의 강도가 감소할 수 있습니다.

앞서 언급한 요인들과 함께 저온 운전은 레이저 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 특히, 저온 냉각 레이저는 열 효과 없이 매우 높은 출력 파워를 얻을 수 있어 우수한 빔 품질을 확보할 수 있습니다.

한 가지 고려해야 할 점은 극저온 레이저 결정에서 방출광과 흡수광의 대역폭이 감소하여 파장 튜닝 범위가 좁아지고, 펌핑 레이저의 선폭 및 파장 안정성이 더욱 엄격해진다는 것입니다. 그러나 이러한 현상은 일반적으로 드뭅니다.

극저온 냉각은 일반적으로 액체 질소나 액체 헬륨과 같은 냉각제를 사용하며, 이상적으로는 냉각제가 레이저 결정에 연결된 튜브를 통해 순환합니다. 냉각제는 시간이 지남에 따라 보충되거나 폐쇄 루프에서 재활용됩니다. 냉각제의 응고를 방지하기 위해 일반적으로 레이저 결정을 진공 챔버에 넣어야 합니다.

저온에서 작동하는 레이저 결정의 개념은 증폭기에도 적용될 수 있습니다. 티타늄 사파이어를 사용하면 수십 와트의 평균 출력 전력을 갖는 양의 피드백 증폭기를 만들 수 있습니다.

극저온 냉각 장치는 복잡할 수 있지만레이저 시스템보다 일반적인 냉각 시스템은 종종 더 복잡하며, 극저온 냉각의 효율성 덕분에 복잡성을 어느 정도 줄일 수 있습니다.