극저온 레이저란 무엇인가

저온에서 작동하는 레이저라는 개념은 새로운 것이 아닙니다. 역사상 두 번째로 개발된 레이저는 극저온 레이저였습니다. 초기에는 이 개념을 상온에서 구현하기가 어려웠고, 저온 작업에 대한 관심은 1990년대 고출력 레이저와 증폭기의 개발과 함께 시작되었습니다.

고출력으로레이저 소스, 탈분극 손실, 열 렌즈 또는 레이저 결정 굽힘과 같은 열 효과는 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.광원저온 냉각을 통해 여러 가지 유해한 열 효과를 효과적으로 억제할 수 있습니다. 즉, 이득 매질을 77K 또는 4K까지 냉각해야 합니다. 냉각 효과는 주로 다음과 같습니다.

이득 매질의 특성 전도도는 주로 로프의 평균 자유 행로가 증가하기 때문에 크게 억제됩니다. 결과적으로 온도 기울기가 급격히 감소합니다. 예를 들어, 온도가 300K에서 77K로 낮아지면 YAG 결정의 열전도도는 7배 증가합니다.

열 확산 계수 또한 급격히 감소합니다. 이는 온도 구배의 감소와 함께 열 렌즈 효과를 감소시켜 응력 파단 가능성을 감소시킵니다.

열광학 계수도 감소하여 열 렌즈 효과도 더욱 감소합니다.

희토류 이온의 흡수 단면적 증가는 주로 열 효과에 의한 폭 확장 감소에 기인합니다. 따라서 포화 전력이 감소하고 레이저 이득이 증가합니다. 따라서 임계 펌프 전력이 감소하고 Q 스위치 작동 시 더 짧은 펄스를 얻을 수 있습니다. 출력 커플러의 투과율을 증가시키면 기울기 효율이 향상되어 기생 공동 손실 효과가 감소합니다.

준3준위 이득 매질의 전체 저준위 입자 수가 감소하므로 임계 펌핑 전력이 감소하고 전력 효율이 향상됩니다. 예를 들어, 1030nm에서 빛을 생성하는 Yb:YAG는 실온에서는 준3준위 시스템으로 볼 수 있지만, 77K에서는 4준위 시스템으로 볼 수 있습니다. Er: YAG도 마찬가지입니다.

이득 매체에 따라 일부 담금질 과정의 강도가 감소합니다.

위의 요소들을 결합하면 저온 작동은 레이저 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 특히 저온 냉각 레이저는 열 영향 없이 매우 높은 출력 전력을 얻을 수 있어, 우수한 빔 품질을 얻을 수 있습니다.

고려해야 할 한 가지 사항은 극저온 냉각 레이저 결정에서는 방사광과 흡수광의 대역폭이 감소하여 파장 가변 범위가 좁아지고, 펌핑 레이저의 선폭과 파장 안정성이 더 엄격해진다는 것입니다. 그러나 이러한 효과는 일반적으로 드뭅니다.

극저온 냉각은 일반적으로 액체 질소나 액체 헬륨과 같은 냉각제를 사용하며, 이상적으로는 냉매가 레이저 결정에 부착된 튜브를 통해 순환합니다. 냉각제는 적절한 시기에 보충되거나 폐쇄 루프에서 재활용됩니다. 응고를 방지하기 위해 일반적으로 레이저 결정을 진공 챔버에 넣어야 합니다.

저온에서 작동하는 레이저 결정의 개념은 증폭기에도 적용될 수 있습니다. 티타늄 사파이어는 양의 피드백 증폭기를 만드는 데 사용될 수 있으며, 평균 출력 전력은 수십 와트입니다.

극저온 냉각 장치는 복잡할 수 있지만레이저 시스템보다 일반적인 냉각 시스템은 종종 덜 단순하며, 극저온 냉각의 효율성 덕분에 복잡성을 다소 줄일 수 있습니다.