극저온 레이저는 무엇입니까?

저온에서 작동하는 레이저의 개념은 새로운 것이 아닙니다. 역사상 두 번째 레이저는 극저온이었습니다. 처음 에이 개념은 실온 작동을 달성하기가 어려웠으며, 저온 작업에 대한 열정은 1990 년대에 고출력 레이저와 앰프의 개발로 시작되었습니다.

고력으로레이저 소스, 탈분극 손실, 열 렌즈 또는 레이저 크리스탈 굽힘과 같은 열 효과는광원. 저온 냉각을 통해 많은 유해한 열 효과가 효과적으로 억제 될 수 있습니다. 즉, 게인 매체는 77K 또는 4K로 냉각되어야합니다. 냉각 효과는 주로 다음을 포함합니다.

게인 매체의 특성 전도도는 주로 로프의 평균 자유 경로가 증가하기 때문에 크게 억제됩니다. 결과적으로 온도 그라디언트는 극적으로 떨어집니다. 예를 들어, 온도가 300k에서 77k로 낮아지면 YAG 결정의 열 전도도는 7 배 증가합니다.

열 확산 계수도 급격히 감소합니다. 이는 온도 구배의 감소와 함께 열 렌즈 효과가 감소하여 응력 파열 가능성이 감소합니다.

열 광학 계수도 감소하여 열 렌즈 효과를 더욱 감소시킵니다.

희토류 이온의 흡수 단면의 증가는 주로 열 효과로 인한 확대의 감소로 인한 것입니다. 따라서 포화 전력이 감소하고 레이저 게인이 증가합니다. 따라서, 임계 값 펌프 전력이 줄어들고 Q 스위치가 작동 할 때 더 짧은 펄스를 얻을 수 있습니다. 출력 커플러의 투과율을 증가시킴으로써 기생충 효율을 향상시킬 수 있으므로 기생 캐비티 손실 효과가 덜 중요해진다.

준 3 수준의 이득 매체의 총 낮은 수준의 입자 수가 감소하므로 임계 값 펌핑 전력이 감소하고 전력 효율이 향상됩니다. 예를 들어, 1030nm에서 빛을 생성하는 YB : YAG는 실온에서 준 3 레벨 시스템으로 볼 수 있지만 77K에서는 4 레벨 시스템으로 볼 수 있습니다. ER : YAG도 마찬가지입니다.

게인 매체에 따라 일부 담금질 공정의 강도가 줄어 듭니다.

위의 요인과 결합하여 저온 작동은 레이저의 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 특히, 저온 냉각 레이저는 열 효과없이 매우 높은 출력 전력을 얻을 수 있습니다. 즉, 우수한 빔 품질을 얻을 수 있습니다.

고려해야 할 한 가지 문제는 동결 된 레이저 크리스탈에서 방사 광의 대역폭과 흡수 된 빛이 감소되므로 파장 튜닝 범위가 좁아지고 펌핑 레이저의 선 너비와 파장 안정성이 더 엄격하다는 것입니다. 그러나이 효과는 일반적으로 드물다.

극저온 냉각은 일반적으로 액체 질소 또는 액체 헬륨과 같은 냉각수를 사용하며 이상적으로 냉매는 레이저 결정에 부착 된 튜브를 통해 순환합니다. 냉각수는 정시에 보충되거나 폐쇄 루프로 재활용됩니다. 응고를 피하기 위해서는 일반적으로 레이저 결정을 진공 챔버에 배치해야합니다.

저온에서 작동하는 레이저 결정의 개념은 앰프에도 적용될 수 있습니다. 티타늄 사파이어는 수십 와트의 평균 출력 전력 인 긍정적 인 피드백 앰프를 만드는 데 사용될 수 있습니다.

극저온 냉각 장치는 복잡 할 수 있습니다레이저 시스템더 일반적인 냉각 시스템은 종종 단순하지 않으며 극저온 냉각의 효율은 복잡성을 약간 줄일 수 있습니다.