क्रायोजेनिक लेसर म्हणजे काय?

कमी तापमानात काम करणाऱ्या लेसरची संकल्पना नवीन नाही: इतिहासातील दुसरे लेसर क्रायोजेनिक होते. सुरुवातीला, खोलीच्या तापमानावर काम करणे ही संकल्पना कठीण होती आणि कमी तापमानात काम करण्याचा उत्साह १९९० च्या दशकात उच्च-शक्तीच्या लेसर आणि अॅम्प्लिफायरच्या विकासासह सुरू झाला.

उच्च शक्तीमध्येलेसर स्रोत, विध्रुवीकरण नुकसान, थर्मल लेन्स किंवा लेसर क्रिस्टल बेंडिंग यासारखे थर्मल इफेक्ट्स कार्यक्षमतेवर परिणाम करू शकतातप्रकाश स्रोत. कमी तापमानाच्या थंडीकरणाद्वारे, अनेक हानिकारक थर्मल इफेक्ट्स प्रभावीपणे दाबले जाऊ शकतात, म्हणजेच, गेन माध्यम 77K किंवा अगदी 4K पर्यंत थंड करणे आवश्यक आहे. थंड करण्याच्या परिणामात प्रामुख्याने हे समाविष्ट आहे:

लाभ माध्यमाची वैशिष्ट्यपूर्ण चालकता मोठ्या प्रमाणात रोखली जाते, मुख्यतः दोरीचा सरासरी मुक्त मार्ग वाढल्यामुळे. परिणामी, तापमान ग्रेडियंट नाटकीयरित्या कमी होतो. उदाहरणार्थ, जेव्हा तापमान 300K वरून 77K पर्यंत कमी केले जाते, तेव्हा YAG क्रिस्टलची औष्णिक चालकता सात गुणांनी वाढते.

थर्मल डिफ्यूजन कोएन्शियंट देखील झपाट्याने कमी होतो. यामुळे, तापमान ग्रेडियंटमध्ये घट झाल्यामुळे, थर्मल लेन्सिंग इफेक्ट कमी होतो आणि त्यामुळे स्ट्रेस फुटण्याची शक्यता कमी होते.

थर्मो-ऑप्टिकल गुणांक देखील कमी होतो, ज्यामुळे थर्मल लेन्सचा प्रभाव आणखी कमी होतो.

दुर्मिळ पृथ्वी आयनच्या शोषण क्रॉस सेक्शनमध्ये वाढ ही प्रामुख्याने थर्मल इफेक्टमुळे होणाऱ्या ब्रॉडनिंगमध्ये घट झाल्यामुळे होते. त्यामुळे, संपृक्तता शक्ती कमी होते आणि लेसर गेन वाढते. त्यामुळे, थ्रेशोल्ड पंप पॉवर कमी होते आणि Q स्विच चालू असताना कमी पल्स मिळू शकतात. आउटपुट कप्लरचा ट्रान्समिटन्स वाढवून, उतार कार्यक्षमता सुधारता येते, त्यामुळे परजीवी पोकळी नुकसान प्रभाव कमी महत्त्वाचा होतो.

क्वासी-थ्री-लेव्हल गेन माध्यमाच्या एकूण निम्न पातळीचा कण क्रमांक कमी होतो, त्यामुळे थ्रेशोल्ड पंपिंग पॉवर कमी होते आणि पॉवर कार्यक्षमता सुधारते. उदाहरणार्थ, १०३०nm वर प्रकाश निर्माण करणारी Yb:YAG खोलीच्या तापमानावर क्वासी-थ्री-लेव्हल प्रणाली म्हणून पाहिली जाऊ शकते, परंतु ७७K वर चार-लेव्हल प्रणाली म्हणून पाहिले जाऊ शकते. एर: YAG साठीही हेच खरे आहे.

वाढीच्या माध्यमावर अवलंबून, काही शमन प्रक्रियांची तीव्रता कमी होईल.

वरील घटकांसह एकत्रितपणे, कमी तापमानाचे ऑपरेशन लेसरची कार्यक्षमता मोठ्या प्रमाणात सुधारू शकते. विशेषतः, कमी तापमानाचे कूलिंग लेसर थर्मल इफेक्ट्सशिवाय खूप उच्च आउटपुट पॉवर मिळवू शकतात, म्हणजेच चांगली बीम गुणवत्ता मिळवता येते.

विचारात घेण्याजोगा एक मुद्दा असा आहे की क्रायोकूल्ड लेसर क्रिस्टलमध्ये, रेडिएटेड प्रकाशाची आणि शोषलेल्या प्रकाशाची बँडविड्थ कमी होईल, त्यामुळे तरंगलांबी ट्यूनिंग श्रेणी अरुंद होईल आणि पंप केलेल्या लेसरची रेषेची रुंदी आणि तरंगलांबी स्थिरता अधिक कडक असेल. तथापि, हा परिणाम सहसा दुर्मिळ असतो.

क्रायोजेनिक कूलिंगमध्ये सामान्यतः द्रव नायट्रोजन किंवा द्रव हेलियम सारख्या शीतलकांचा वापर केला जातो आणि आदर्शपणे रेफ्रिजरंट लेसर क्रिस्टलला जोडलेल्या नळीतून फिरतो. शीतलक वेळेत पुन्हा भरला जातो किंवा बंद लूपमध्ये पुनर्वापर केला जातो. घनीकरण टाळण्यासाठी, लेसर क्रिस्टल सामान्यतः व्हॅक्यूम चेंबरमध्ये ठेवणे आवश्यक असते.

कमी तापमानावर काम करणाऱ्या लेसर क्रिस्टल्सची संकल्पना अॅम्प्लिफायर्सना देखील लागू केली जाऊ शकते. टायटॅनियम नीलमचा वापर सकारात्मक अभिप्राय अॅम्प्लिफायर बनवण्यासाठी केला जाऊ शकतो, ज्याची सरासरी आउटपुट पॉवर दहा वॅट्समध्ये असते.

जरी क्रायोजेनिक कूलिंग उपकरणे गुंतागुंतीची असू शकतातलेसर सिस्टीम, अधिक सामान्य शीतकरण प्रणाली बहुतेकदा कमी सोप्या असतात आणि क्रायोजेनिक शीतकरणाची कार्यक्षमता जटिलतेत काही प्रमाणात घट करण्यास अनुमती देते.