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 dalam operasi 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 yang berbahaya dapat ditekan secara efektif, yaitu, media penguat perlu didinginkan hingga 77K atau bahkan 4K. Efek pendinginan terutama meliputi:

Konduktivitas karakteristik media penguatan sangat terhambat, terutama karena jarak bebas rata-rata tali meningkat. Akibatnya, gradien suhu menurun drastis. Misalnya, ketika suhu diturunkan dari 300K ke 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 yang disebabkan oleh efek termal. Oleh karena itu, daya saturasi berkurang dan penguatan laser meningkat. Oleh karena itu, daya pompa ambang berkurang, dan pulsa yang lebih pendek dapat diperoleh saat sakelar Q beroperasi. Dengan meningkatkan transmitansi kopler keluaran, efisiensi kemiringan dapat ditingkatkan, sehingga efek kehilangan rongga parasit menjadi kurang penting.

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

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

Dikombinasikan dengan faktor-faktor di atas, pengoperasian suhu rendah dapat meningkatkan kinerja laser secara signifikan. Secara khusus, laser pendingin suhu rendah dapat memperoleh daya keluaran yang sangat tinggi tanpa efek termal, yaitu, kualitas sinar yang baik dapat diperoleh.

Satu hal yang perlu dipertimbangkan adalah bahwa dalam kristal laser yang didinginkan secara kriogenik, lebar pita cahaya yang diradiasikan dan cahaya yang 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 cairan pendingin, seperti nitrogen cair atau helium cair, dan idealnya refrigeran bersirkulasi melalui tabung yang terpasang pada kristal laser. Cairan pendingin diisi ulang tepat waktu atau didaur ulang dalam siklus tertutup. Untuk menghindari pemadatan, biasanya perlu menempatkan kristal laser 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, daya keluaran rata-rata dalam puluhan watt.

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