Apa itu laser kriogenik

Konsep laser yang beroperasi pada suhu rendah bukanlah hal baru: laser kedua dalam sejarah bersifat kriogenik. Awalnya, konsep pengoperasian suhu ruangan sulit dicapai, dan antusiasme untuk 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 memengaruhi kinerjasumber cahaya. Melalui pendinginan suhu rendah, banyak efek termal berbahaya dapat ditekan secara efektif, yaitu media penguatan perlu didinginkan hingga 77K atau bahkan 4K. Efek pendinginan terutama meliputi:

Konduktivitas karakteristik media 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, bersama dengan penurunan gradien suhu, menghasilkan pengurangan efek pelensaan termal dan oleh karena itu mengurangi kemungkinan pecahnya tegangan.

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

Jumlah partikel dari total tingkat rendah media penguatan kuasi-tiga tingkat 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 tingkat pada suhu kamar, tetapi sistem empat tingkat pada 77K. Er: Hal yang sama juga berlaku untuk YAG.

Tergantung pada media penguatan, intensitas beberapa proses quenching 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, sehingga kualitas sinar yang baik dapat diperoleh.

Salah satu masalah yang perlu dipertimbangkan adalah bahwa dalam kristal laser cryocooled, bandwidth cahaya yang dipancarkan dan cahaya yang diserap akan berkurang, sehingga rentang penyetelan panjang gelombang akan lebih sempit, dan lebar garis serta stabilitas panjang gelombang dari 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 zat pendingin bersirkulasi melalui tabung yang dipasang pada kristal laser. Cairan pendingin diisi ulang tepat waktu atau didaur ulang dalam siklus tertutup. Untuk menghindari pemadatan, biasanya kristal laser perlu ditempatkan di ruang vakum.

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

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