ما هو الليزر المبرد

إن مفهوم تشغيل الليزر في درجات حرارة منخفضة ليس جديدًا: كان الليزر الثاني في التاريخ هو الليزر المُبَرِّد. في البداية، كان من الصعب تحقيق هذا المفهوم في درجة حرارة الغرفة، وبدأ الحماس للعمل في درجات الحرارة المنخفضة في تسعينيات القرن الماضي مع تطوير ليزرات ومضخمات عالية الطاقة.

في الطاقة العاليةمصادر الليزريمكن أن تؤثر التأثيرات الحرارية مثل فقدان الاستقطاب أو العدسة الحرارية أو انحناء البلورة بالليزر على أداءمصدر الضوءمن خلال التبريد منخفض الحرارة، يُمكن الحدّ من العديد من التأثيرات الحرارية الضارة بفعالية، أي أنه يجب تبريد وسط الكسب إلى 77 كلفن أو حتى 4 كلفن. يشمل تأثير التبريد بشكل رئيسي ما يلي:

تُثبّط الموصلية المميزة لوسط الكسب بشكل كبير، ويعود ذلك أساسًا إلى زيادة متوسط ​​المسار الحر للحبل. ونتيجةً لذلك، ينخفض ​​التدرج الحراري بشكل كبير. على سبيل المثال، عند خفض درجة الحرارة من 300 كلفن إلى 77 كلفن، تزداد الموصلية الحرارية لبلورة YAG بمقدار سبعة أضعاف.

ينخفض ​​معامل الانتشار الحراري بشكل حاد. هذا، إلى جانب انخفاض تدرج درجة الحرارة، يؤدي إلى انخفاض تأثير العدسة الحرارية، وبالتالي انخفاض احتمالية تمزق الإجهاد.

يتم أيضًا تقليل معامل البصريات الحرارية، مما يقلل بشكل أكبر من تأثير العدسة الحرارية.

تُعزى زيادة المقطع العرضي لامتصاص أيونات الأتربة النادرة بشكل رئيسي إلى انخفاض الاتساع الناتج عن التأثير الحراري. وبالتالي، تنخفض طاقة التشبع ويزداد كسب الليزر. وبالتالي، تنخفض طاقة مضخة العتبة، ويمكن الحصول على نبضات أقصر عند تشغيل مفتاح Q. وبزيادة نفاذية مقرن الإخراج، يمكن تحسين كفاءة المنحدر، مما يقلل من تأثير فقدان التجويف الطفيلي.

ينخفض ​​عدد جسيمات المستوى المنخفض الإجمالي لوسط الكسب شبه ثلاثي المستويات، مما يُقلل من قدرة ضخ العتبة ويحسّن كفاءة الطاقة. على سبيل المثال، يُمكن اعتبار Yb:YAG، الذي يُنتج ضوءًا عند طول موجي 1030 نانومتر، نظامًا شبه ثلاثي المستويات في درجة حرارة الغرفة، ولكنه نظام رباعي المستويات عند درجة حرارة 77 كلفن. Er: وينطبق الأمر نفسه على YAG.

اعتمادًا على وسيط الكسب، سيتم تقليل شدة بعض عمليات الإخماد.

مع العوامل المذكورة أعلاه، يُمكن للتشغيل بدرجة حرارة منخفضة أن يُحسّن أداء الليزر بشكل كبير. وتحديدًا، يُمكن لليزرات المُبرّدة بدرجة حرارة منخفضة الحصول على طاقة خرج عالية جدًا دون تأثيرات حرارية، ما يُتيح الحصول على جودة شعاع ممتازة.

من الأمور التي يجب مراعاتها في بلورة الليزر المبردة بالتبريد العميق، انخفاض عرض النطاق الترددي للضوء المشع والممتص، مما يضيق نطاق ضبط الطول الموجي، ويزيد من صرامة عرض الخط واستقرار الطول الموجي لليزر المضخوخ. ومع ذلك، نادرًا ما يحدث هذا التأثير.

يستخدم التبريد بالتبريد العميق عادةً سائل تبريد، مثل النيتروجين السائل أو الهيليوم السائل، ويدور هذا السائل في الوضع الأمثل عبر أنبوب متصل ببلورة ليزر. يُعاد ملء سائل التبريد في الوقت المناسب أو يُعاد تدويره في دورة مغلقة. لتجنب التصلب، عادةً ما يلزم وضع بلورة الليزر في حجرة مفرغة من الهواء.

يمكن تطبيق مفهوم بلورات الليزر العاملة في درجات حرارة منخفضة على المضخمات أيضًا. يمكن استخدام ياقوت التيتانيوم لصنع مضخم ذي تغذية راجعة موجبة، بمتوسط ​​قدرة خرج بعشرات الواط.

على الرغم من أن أجهزة التبريد بالتبريد العميق يمكن أن تكون معقدةأنظمة الليزرغالبًا ما تكون أنظمة التبريد الأكثر شيوعًا أقل بساطة، وتسمح كفاءة التبريد بالتبريد العميق بتقليل التعقيد إلى حد ما.