Apa itu laser kriogenik?

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

Pada daya tinggisumber laserEfek termal seperti kehilangan depolarisasi, lensa termal, atau pembengkokan kristal laser dapat memengaruhi 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 terutama meliputi:

Konduktivitas karakteristik medium penguatan sangat terhambat, terutama karena jalur bebas rata-rata tali meningkat. Akibatnya, gradien suhu turun 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, bersamaan dengan pengurangan gradien suhu, menghasilkan pengurangan efek pembiasan termal dan karenanya mengurangi kemungkinan terjadinya kerusakan akibat tegangan.

Koefisien termo-optik juga dikurangi, sehingga semakin 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. Dengan demikian, daya pompa ambang batas berkurang, dan pulsa yang lebih pendek dapat diperoleh ketika sakelar Q beroperasi. Dengan meningkatkan transmitansi kopler keluaran, efisiensi kemiringan dapat ditingkatkan, sehingga efek kehilangan rongga parasit menjadi kurang penting.

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

Tergantung pada medium penguatan, intensitas beberapa proses pemadaman akan berkurang.

Dikombinasikan dengan faktor-faktor di atas, pengoperasian pada suhu rendah dapat sangat meningkatkan kinerja laser. Secara khusus, laser pendingin suhu rendah dapat menghasilkan daya keluaran yang sangat tinggi tanpa efek termal, artinya, kualitas berkas cahaya yang baik dapat diperoleh.

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

Pendinginan kriogenik biasanya menggunakan zat pendingin, seperti nitrogen cair atau helium cair, dan idealnya zat pendingin tersebut bersirkulasi melalui tabung yang terhubung ke kristal laser. Zat pendingin diisi ulang tepat waktu atau didaur ulang dalam siklus tertutup. Untuk menghindari pembekuan, biasanya perlu menempatkan kristal laser di dalam ruang vakum.

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

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