Apa itu laser kriogenik?

Konsep laser yang beroperasi pada suhu rendah bukanlah hal baru: laser kedua dalam sejarah adalah kriogenik. Awalnya, konsep ini sulit dicapai pada suhu ruangan, dan antusiasme terhadap pekerjaan suhu rendah dimulai pada tahun 1990-an dengan pengembangan laser dan amplifier berdaya tinggi.

Dalam kekuatan tinggisumber laser, efek termal seperti kehilangan depolarisasi, lensa termal atau pembengkokan kristal laser dapat mempengaruhi kinerjasumber cahayaMelalui pendinginan suhu rendah, banyak efek termal berbahaya dapat ditekan secara efektif, yaitu, media penguat perlu didinginkan hingga 77K atau bahkan 4K. Efek pendinginan ini terutama meliputi:

Konduktivitas karakteristik media penguat sangat terhambat, terutama karena jarak bebas rata-rata tali meningkat. Akibatnya, gradien suhu menurun drastis. Misalnya, ketika suhu diturunkan dari 300K menjadi 77K, konduktivitas termal kristal YAG meningkat tujuh kali lipat.

Koefisien difusi termal juga menurun tajam. Hal ini, bersama dengan penurunan gradien suhu, menghasilkan efek lensa termal yang berkurang dan dengan demikian mengurangi kemungkinan pecahnya tegangan.

Koefisien termo-optik juga berkurang, yang selanjutnya mengurangi efek lensa termal.

Peningkatan penampang serapan ion tanah jarang terutama disebabkan oleh penurunan pelebaran akibat efek termal. Oleh karena itu, daya saturasi berkurang dan penguatan laser meningkat. Oleh karena itu, daya pompa ambang batas berkurang, dan pulsa yang lebih pendek dapat diperoleh saat sakelar Q beroperasi. Dengan meningkatkan transmitansi kopler keluaran, efisiensi kemiringan dapat ditingkatkan, sehingga efek rugi rongga parasit menjadi kurang penting.

Jumlah partikel pada level rendah total medium penguatan kuasi-tiga-tingkat berkurang, sehingga daya pemompaan ambang batas berkurang dan efisiensi daya meningkat. Misalnya, Yb:YAG, yang menghasilkan cahaya pada 1030 nm, dapat dilihat sebagai sistem kuasi-tiga-tingkat pada suhu ruangan, tetapi sistem empat-tingkat pada 77K. Er: Hal yang sama berlaku untuk YAG.

Bergantung pada media penguatan, intensitas beberapa proses pendinginan akan dikurangi.

Dikombinasikan dengan faktor-faktor di atas, pengoperasian suhu rendah dapat meningkatkan kinerja laser secara signifikan. Khususnya, laser dengan pendinginan suhu rendah dapat menghasilkan daya keluaran yang sangat tinggi tanpa efek termal, sehingga menghasilkan kualitas sinar yang baik.

Salah satu hal yang perlu dipertimbangkan adalah bahwa dalam kristal laser yang didinginkan secara kriogenik, lebar pita cahaya yang dipancarkan dan diserap akan berkurang, sehingga rentang penyetelan panjang gelombang akan lebih sempit, dan lebar garis serta stabilitas panjang gelombang laser yang dipompa akan lebih ketat. Namun, efek ini biasanya jarang terjadi.

Pendinginan kriogenik biasanya menggunakan pendingin, seperti nitrogen cair atau helium cair, dan idealnya refrigeran bersirkulasi melalui tabung yang terhubung ke kristal laser. Pendingin diisi ulang secara berkala atau didaur ulang dalam siklus tertutup. Untuk mencegah pemadatan, kristal laser biasanya perlu ditempatkan di dalam ruang vakum.

Konsep kristal laser yang beroperasi pada suhu rendah juga dapat diterapkan pada amplifier. Safir titanium dapat digunakan untuk membuat amplifier umpan balik positif, dengan daya keluaran rata-rata puluhan watt.

Meskipun perangkat pendingin kriogenik dapat mempersulitsistem laser, sistem pendingin yang lebih umum seringkali kurang sederhana, dan efisiensi pendinginan kriogenik memungkinkan pengurangan kompleksitas.