क्रायोजेनिक लेसर म्हणजे काय

कमी तापमानात कार्यरत लेसरची संकल्पना नवीन नाही: इतिहासातील दुसरा लेसर क्रायोजेनिक होता. सुरुवातीला, खोलीच्या तापमानाचे ऑपरेशन साध्य करणे ही संकल्पना अवघड होती आणि 1990 च्या दशकात उच्च-शक्तीच्या लेझर आणि ॲम्प्लीफायर्सच्या विकासासह कमी-तापमानाच्या कामासाठी उत्साह वाढला.

उच्च शक्ती मध्येलेसर स्रोत, थर्मल इफेक्ट्स जसे की विध्रुवीकरण नुकसान, थर्मल लेन्स किंवा लेसर क्रिस्टल बेंडिंगचा कार्यप्रदर्शन प्रभावित करू शकतोप्रकाश स्रोत. कमी तापमानाच्या कूलिंगद्वारे, अनेक हानिकारक थर्मल इफेक्ट्स प्रभावीपणे दाबले जाऊ शकतात, म्हणजेच, लाभाचे माध्यम 77K किंवा अगदी 4K पर्यंत थंड करणे आवश्यक आहे. कूलिंग इफेक्टमध्ये प्रामुख्याने हे समाविष्ट आहे:

लाभ माध्यमाची वैशिष्ट्यपूर्ण चालकता मोठ्या प्रमाणात प्रतिबंधित केली जाते, मुख्यतः दोरीचा मध्यम मुक्त मार्ग वाढल्यामुळे. परिणामी, तापमान ग्रेडियंट नाटकीयरित्या कमी होते. उदाहरणार्थ, जेव्हा तापमान 300K वरून 77K पर्यंत कमी केले जाते, तेव्हा YAG क्रिस्टलची थर्मल चालकता सातच्या घटकाने वाढते.

थर्मल डिफ्यूजन गुणांक देखील झपाट्याने कमी होतो. यामुळे, तापमान ग्रेडियंटमध्ये घट झाल्यामुळे, थर्मल लेन्सिंग प्रभाव कमी होतो आणि त्यामुळे ताण फुटण्याची शक्यता कमी होते.

थर्मो-ऑप्टिकल गुणांक देखील कमी केला जातो, ज्यामुळे थर्मल लेन्स प्रभाव कमी होतो.

दुर्मिळ पृथ्वी आयनच्या शोषण क्रॉस सेक्शनमध्ये वाढ हे प्रामुख्याने थर्मल इफेक्टमुळे होणारे रुंदीकरण कमी झाल्यामुळे होते. त्यामुळे, संपृक्तता शक्ती कमी होते आणि लेसर लाभ वाढला आहे. त्यामुळे, थ्रेशोल्ड पंपची शक्ती कमी होते आणि क्यू स्विच चालू असताना लहान डाळी मिळू शकतात. आउटपुट कप्लरचे संप्रेषण वाढवून, उताराची कार्यक्षमता सुधारली जाऊ शकते, त्यामुळे परजीवी पोकळीचे नुकसान कमी महत्त्वाचे होते.

अर्ध-तीन-स्तरीय लाभ माध्यमाच्या एकूण निम्न पातळीची कण संख्या कमी केली जाते, त्यामुळे थ्रेशोल्ड पंपिंग शक्ती कमी होते आणि उर्जा कार्यक्षमता सुधारली जाते. उदाहरणार्थ, Yb:YAG, जी 1030nm वर प्रकाश निर्माण करते, खोलीच्या तपमानावर अर्ध-तीन-स्तरीय प्रणाली म्हणून पाहिली जाऊ शकते, परंतु 77K वर चार-स्तरीय प्रणाली. एर: YAG साठी हेच खरे आहे.

लाभाच्या माध्यमावर अवलंबून, काही शमन प्रक्रियेची तीव्रता कमी केली जाईल.

वरील घटकांसह, कमी तापमानाच्या ऑपरेशनमुळे लेसरची कार्यक्षमता मोठ्या प्रमाणात सुधारू शकते. विशेषतः, कमी तापमानाला थंड करणारे लेसर थर्मल इफेक्टशिवाय खूप उच्च आउटपुट पॉवर मिळवू शकतात, म्हणजे, चांगली बीम गुणवत्ता मिळवता येते.

एक मुद्दा विचारात घेण्यासारखा आहे की क्रायोकूल केलेल्या लेसर क्रिस्टलमध्ये, विकिरणित प्रकाशाची बँडविड्थ आणि शोषून घेतलेल्या प्रकाशाची बँडविड्थ कमी होईल, त्यामुळे तरंगलांबी ट्युनिंग श्रेणी कमी होईल आणि पंप केलेल्या लेसरची रेषा रुंदी आणि तरंगलांबी स्थिरता अधिक कठोर असेल. . तथापि, हा प्रभाव सहसा दुर्मिळ असतो.

क्रायोजेनिक कूलिंग सहसा शीतलक वापरते, जसे की द्रव नायट्रोजन किंवा द्रव हीलियम, आणि आदर्शपणे रेफ्रिजरंट लेसर क्रिस्टलला जोडलेल्या नळीतून फिरते. शीतलक वेळेत पुन्हा भरले जाते किंवा बंद लूपमध्ये पुनर्नवीनीकरण केले जाते. घनता टाळण्यासाठी, सामान्यतः लेसर क्रिस्टल व्हॅक्यूम चेंबरमध्ये ठेवणे आवश्यक असते.

कमी तापमानात कार्यरत असलेल्या लेसर क्रिस्टल्सची संकल्पना ॲम्प्लिफायर्सवर देखील लागू केली जाऊ शकते. टायटॅनियम नीलम सकारात्मक फीडबॅक ॲम्प्लिफायर बनवण्यासाठी वापरला जाऊ शकतो, दहा वॅट्समध्ये सरासरी आउटपुट पॉवर.

जरी क्रायोजेनिक कूलिंग उपकरणे गुंतागुंत करू शकतातलेसर प्रणाली, अधिक सामान्य शीतकरण प्रणाली सहसा कमी सोपी असतात आणि क्रायोजेनिक कूलिंगची कार्यक्षमता काही जटिलता कमी करण्यास अनुमती देते.