क्रायोजेनिक लेझर म्हणजे काय?

कमी तापमानात चालणाऱ्या लेझरची संकल्पना नवीन नाही: इतिहासातील दुसरा लेझर क्रायोजेनिक होता. सुरुवातीला, सामान्य तापमानात ही संकल्पना प्रत्यक्षात आणणे कठीण होते, आणि १९९० च्या दशकात उच्च-शक्तीच्या लेझर आणि अँम्प्लिफायरच्या विकासामुळे कमी तापमानात काम करण्याबद्दल उत्साह निर्माण झाला.

उच्च शक्तीमध्येलेझर स्रोतडीपोलरायझेशन लॉस, थर्मल लेन्स किंवा लेझर क्रिस्टल बेंडिंग यांसारखे औष्णिक परिणाम च्या कार्यक्षमतेवर परिणाम करू शकतात.प्रकाश स्रोतकमी तापमानाच्या शीतकरणामुळे, अनेक हानिकारक औष्णिक परिणाम प्रभावीपणे दाबले जाऊ शकतात, म्हणजेच, लाभ माध्यमाला ७७K किंवा अगदी ४K पर्यंत थंड करणे आवश्यक असते. शीतकरणाच्या परिणामांमध्ये प्रामुख्याने खालील गोष्टींचा समावेश होतो:

गेन माध्यमाची वैशिष्ट्यपूर्ण वाहकता मोठ्या प्रमाणात रोखली जाते, याचे मुख्य कारण म्हणजे रोपचा सरासरी मुक्त मार्ग वाढतो. परिणामी, तापमान प्रवणता लक्षणीयरीत्या कमी होते. उदाहरणार्थ, जेव्हा तापमान ३००K वरून ७७K पर्यंत कमी केले जाते, तेव्हा YAG क्रिस्टलची औष्णिक वाहकता सात पटीने वाढते.

औष्णिक विसरण गुणांक देखील झपाट्याने कमी होतो. यामुळे, तापमान प्रवणतेतील घटीसह, औष्णिक लेन्सिंग प्रभाव कमी होतो आणि परिणामी ताणामुळे होणाऱ्या विदारणाची शक्यता कमी होते.

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

दुर्लभ पृथ्वी आयनच्या शोषण क्रॉस सेक्शनमधील वाढ ही प्रामुख्याने औष्णिक परिणामामुळे होणाऱ्या विस्तारातील घटीमुळे होते. त्यामुळे, सॅचुरेशन पॉवर कमी होते आणि लेझर गेन वाढतो. परिणामी, थ्रेशोल्ड पंप पॉवर कमी होते आणि Q स्विच कार्यरत असताना लहान पल्सेस मिळवता येतात. आउटपुट कपलरची ट्रान्समिटन्स वाढवून, स्लोप एफिशियन्सी सुधारता येते, ज्यामुळे पॅरासिटिक कॅव्हिटी लॉसचा परिणाम कमी महत्त्वाचा ठरतो.

अर्ध-त्रिस्तरीय लाभ माध्यमाच्या एकूण निम्न स्तरावरील कणांची संख्या कमी होते, त्यामुळे उंबरठा पंपिंग शक्ती कमी होते आणि ऊर्जा कार्यक्षमता सुधारते. उदाहरणार्थ, Yb:YAG, जे 1030nm वर प्रकाश निर्माण करते, ते सामान्य तापमानात अर्ध-त्रिस्तरीय प्रणाली म्हणून पाहिले जाऊ शकते, परंतु 77K तापमानावर ते चतुर्स्तरीय प्रणाली बनते. Er: YAG च्या बाबतीतही हेच खरे आहे.

लाभ माध्यमावर अवलंबून, काही शमन प्रक्रियांची तीव्रता कमी होईल.

वरील घटकांसोबतच, कमी तापमानात चालवल्याने लेझरच्या कार्यक्षमतेत लक्षणीय सुधारणा होऊ शकते. विशेषतः, कमी तापमानात थंड केलेल्या लेझरमधून उष्णतेच्या परिणामांशिवाय खूप जास्त आउटपुट पॉवर मिळवता येते, म्हणजेच, चांगल्या दर्जाचा बीम मिळवता येतो.

एक बाब विचारात घेण्यासारखी आहे की क्रायोकूल्ड लेझर क्रिस्टलमध्ये, उत्सर्जित प्रकाशाची आणि शोषलेल्या प्रकाशाची बँडविड्थ कमी होते, त्यामुळे तरंगलांबी ट्यूनिंगची श्रेणी अरुंद होते आणि पंप केलेल्या लेझरची लाइन रुंदी व तरंगलांबी स्थिरता अधिक कडक होते. तथापि, हा परिणाम सहसा दुर्मिळ असतो.

क्रायोजेनिक कूलिंगमध्ये सामान्यतः द्रव नायट्रोजन किंवा द्रव हेलियमसारख्या शीतकाचा वापर केला जातो आणि आदर्शपणे हे शीतक लेझर क्रिस्टलला जोडलेल्या एका नळीमधून फिरवले जाते. शीतक वेळेनुसार पुन्हा भरले जाते किंवा एका बंद लूपमध्ये पुनर्वापरले जाते. घनीकरण टाळण्यासाठी, लेझर क्रिस्टलला सामान्यतः निर्वात कक्षात ठेवणे आवश्यक असते.

कमी तापमानात कार्य करणाऱ्या लेझर क्रिस्टल्सची संकल्पना ॲम्प्लिफायर्सना देखील लागू केली जाऊ शकते. टायटॅनियम सफायरचा वापर पॉझिटिव्ह फीडबॅक ॲम्प्लिफायर बनवण्यासाठी केला जाऊ शकतो, ज्याची सरासरी आउटपुट पॉवर काही दहा वॅट्समध्ये असते.

जरी क्रायोजेनिक शीतकरण उपकरणे गुंतागुंत निर्माण करू शकतातलेझर प्रणालीअधिक सामान्य शीतकरण प्रणाली बहुतेकदा कमी सोप्या असतात आणि क्रायोजेनिक शीतकरणाची कार्यक्षमता गुंतागुंत काही प्रमाणात कमी करण्यास वाव देते.