극저온 레이저란?

저온에서 작동하는 레이저의 개념은 새로운 것이 아닙니다. 역사상 두 번째 레이저는 극저온 레이저였습니다.처음에는 상온 작업을 구현하는 개념이 어려웠고, 1990년대 고출력 레이저와 증폭기의 개발과 함께 저온 작업에 대한 열광이 시작되었습니다.

높은 전력에서레이저 소스, 탈분극 손실, 열 렌즈 또는 레이저 크리스탈 벤딩과 같은 열 효과는 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.광원.저온 냉각을 통해 많은 유해한 열 효과를 효과적으로 억제할 수 있습니다. 즉, 이득 매체를 77K 또는 심지어 4K까지 냉각해야 합니다.냉각 효과는 주로 다음을 포함합니다:

이득매질의 특성 전도성은 주로 로프의 평균 자유 경로가 증가하기 때문에 크게 억제됩니다.결과적으로 온도 구배가 급격히 떨어집니다.예를 들어, 온도가 300K에서 77K로 낮아지면 YAG 결정의 열전도율이 7배 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 효과가 더욱 감소됩니다.

희토류 이온의 흡수 단면적 증가는 주로 열 효과로 인한 확장 감소에 기인합니다.따라서 포화 전력은 감소하고 레이저 이득은 증가합니다.따라서 임계 펌프 전력이 감소하고 Q 스위치가 작동 중일 때 더 짧은 펄스를 얻을 수 있습니다.출력 커플러의 투과율을 높이면 기울기 효율이 향상될 수 있으므로 기생 캐비티 손실 효과가 덜 중요해집니다.

준3레벨 이득매질의 전체 낮은 레벨의 입자 수가 감소하므로 임계 펌핑 전력이 감소하고 전력 효율이 향상됩니다.예를 들어 1030nm에서 빛을 생성하는 Yb:YAG는 실온에서는 준3레벨 시스템으로 볼 수 있지만 77K에서는 4레벨 시스템으로 볼 수 있습니다.Er: YAG도 마찬가지예요.

게인 매질에 따라 일부 담금질 프로세스의 강도가 감소합니다.

위의 요소와 결합하여 저온 작동은 레이저 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.특히, 저온 냉각 레이저는 열 영향 없이 매우 높은 출력을 얻을 수 있습니다. 즉, 좋은 빔 품질을 얻을 수 있습니다.

고려해야 할 한 가지 문제는 극저온 레이저 결정에서 방사광과 흡수광의 대역폭이 감소하므로 파장 조정 범위가 더 좁아지고 펌핑 레이저의 선폭과 파장 안정성이 더 엄격해진다는 것입니다. .그러나 이러한 효과는 일반적으로 드뭅니다.

극저온 냉각은 일반적으로 액체 질소나 액체 헬륨과 같은 냉각수를 사용하며, 이상적으로는 냉매가 레이저 결정에 부착된 튜브를 통해 순환합니다.냉각수는 적시에 보충되거나 폐쇄 루프에서 재활용됩니다.응고를 방지하려면 일반적으로 레이저 크리스탈을 진공 챔버에 배치해야 합니다.

저온에서 작동하는 레이저 크리스털의 개념은 증폭기에도 적용될 수 있습니다.티타늄 사파이어는 수십 와트의 평균 출력 전력인 포지티브 피드백 증폭기를 만드는 데 사용할 수 있습니다.

극저온 냉각 장치는 복잡할 수 있지만레이저 시스템, 보다 일반적인 냉각 시스템은 종종 덜 단순하며 극저온 냉각의 효율성으로 인해 복잡성이 어느 정도 감소됩니다.