ما هو الليزر المبرد؟

إن مفهوم تشغيل الليزر في درجات حرارة منخفضة ليس جديداً: فقد كان ثاني ليزر في التاريخ يعمل في درجات حرارة منخفضة جداً. في البداية، كان من الصعب تحقيق التشغيل في درجة حرارة الغرفة، وبدأ الحماس للعمل في درجات حرارة منخفضة في التسعينيات مع تطوير الليزر عالي الطاقة والمضخمات.

في وضع الطاقة العاليةمصادر الليزريمكن أن تؤثر التأثيرات الحرارية مثل فقدان الاستقطاب، أو انحناء العدسة الحرارية أو بلورة الليزر على أداءمصدر ضوءمن خلال التبريد بدرجة حرارة منخفضة، يمكن كبح العديد من التأثيرات الحرارية الضارة بفعالية، أي أن وسط التضخيم يحتاج إلى التبريد إلى 77 كلفن أو حتى 4 كلفن. وتشمل تأثيرات التبريد بشكل رئيسي ما يلي:

تُثبط الموصلية المميزة للوسط الفعال بشكل كبير، ويعود ذلك أساسًا إلى زيادة متوسط ​​المسار الحر للحبل. ونتيجة لذلك، ينخفض ​​تدرج درجة الحرارة بشكل حاد. فعلى سبيل المثال، عند خفض درجة الحرارة من 300 كلفن إلى 77 كلفن، تزداد الموصلية الحرارية لبلورة YAG بمقدار سبعة أضعاف.

كما ينخفض ​​معامل الانتشار الحراري انخفاضاً حاداً. وهذا، بالإضافة إلى انخفاض تدرج درجة الحرارة، يؤدي إلى تقليل تأثير العدسة الحرارية، وبالتالي تقليل احتمالية حدوث تمزق ناتج عن الإجهاد.

كما يتم تقليل معامل الحرارة البصرية، مما يقلل من تأثير العدسة الحرارية.

يعود ازدياد مقطع امتصاص أيون العناصر الأرضية النادرة بشكل رئيسي إلى انخفاض التوسيع الناتج عن التأثير الحراري. ونتيجة لذلك، تنخفض قدرة التشبع ويزداد كسب الليزر. وبالتالي، تنخفض قدرة ضخ العتبة، ويمكن الحصول على نبضات أقصر عند تشغيل مفتاح Q. وبزيادة نفاذية مقرن الخرج، يمكن تحسين كفاءة الميل، مما يقلل من تأثير فقد التجويف الطفيلي.

يقل عدد الجسيمات في المستوى الأدنى الكلي لوسط التضخيم شبه ثلاثي المستويات، مما يقلل من قدرة الضخ العتبية ويحسن كفاءة الطاقة. على سبيل المثال، يمكن اعتبار Yb:YAG، الذي ينتج ضوءًا بطول موجي 1030 نانومتر، نظامًا شبه ثلاثي المستويات عند درجة حرارة الغرفة، ولكنه نظام رباعي المستويات عند 77 كلفن. وينطبق الأمر نفسه على YAG.

اعتمادًا على وسط التضخيم، ستنخفض شدة بعض عمليات التخميد.

بالإضافة إلى العوامل المذكورة أعلاه، يُمكن للتشغيل في درجات حرارة منخفضة أن يُحسّن أداء الليزر بشكل كبير. وعلى وجه الخصوص، يُمكن لأجهزة الليزر التي تُبرّد في درجات حرارة منخفضة الحصول على طاقة خرج عالية جدًا دون تأثيرات حرارية، أي يُمكن الحصول على جودة شعاع جيدة.

من الأمور التي يجب مراعاتها أنه في بلورة الليزر المبردة بالتبريد الفائق، سيقل عرض نطاق الضوء المشع والضوء الممتص، مما سيؤدي إلى تضييق نطاق ضبط الطول الموجي، وزيادة دقة عرض الخط واستقرار الطول الموجي لليزر المضخ. مع ذلك، فإن هذا التأثير نادر الحدوث عادةً.

يستخدم التبريد المبرد عادةً مادة تبريد، مثل النيتروجين السائل أو الهيليوم السائل، وفي الوضع الأمثل، تدور مادة التبريد عبر أنبوب متصل ببلورة ليزر. ويتم تجديد مادة التبريد دوريًا أو إعادة تدويرها في دائرة مغلقة. ولتجنب التصلب، من الضروري عادةً وضع بلورة الليزر في حجرة مفرغة من الهواء.

يمكن تطبيق مفهوم بلورات الليزر العاملة في درجات حرارة منخفضة على المضخمات أيضًا. ويمكن استخدام التيتانيوم والياقوت لصنع مضخمات التغذية الراجعة الموجبة، بمتوسط ​​قدرة خرج يبلغ عشرات الواط.

على الرغم من أن أجهزة التبريد المبردة يمكن أن تكون معقدةأنظمة الليزر، أنظمة التبريد الأكثر شيوعًا غالبًا ما تكون أقل بساطة، وكفاءة التبريد المبرد تسمح ببعض التخفيض في التعقيد.