ما هو الليزر المبرد

إن مفهوم الليزر الذي يعمل في درجات حرارة منخفضة ليس جديدًا: فالليزر الثاني في التاريخ كان مبردًا. في البداية، كان المفهوم صعبًا لتحقيق التشغيل في درجة حرارة الغرفة، وبدأ الحماس للعمل في درجات الحرارة المنخفضة في التسعينيات مع تطوير أجهزة الليزر ومكبرات الصوت عالية الطاقة.

في قوة عاليةمصادر الليزر، يمكن أن تؤثر التأثيرات الحرارية مثل فقدان إزالة الاستقطاب أو العدسة الحرارية أو انحناء الكريستال بالليزر على أداءمصدر الضوء. من خلال التبريد بدرجة حرارة منخفضة، يمكن قمع العديد من التأثيرات الحرارية الضارة بشكل فعال، أي أن وسيط الكسب يحتاج إلى التبريد إلى 77K أو حتى 4K. يشمل تأثير التبريد بشكل أساسي ما يلي:

يتم تثبيط التوصيلية المميزة لوسط الكسب بشكل كبير، ويرجع ذلك أساسًا إلى زيادة متوسط ​​المسار الحر للحبل. ونتيجة لذلك، ينخفض ​​​​تدرج درجة الحرارة بشكل كبير. على سبيل المثال، عندما يتم تخفيض درجة الحرارة من 300 كلفن إلى 77 كلفن، فإن التوصيل الحراري لبلورة YAG يزيد بمقدار سبعة أضعاف.

كما ينخفض ​​​​معامل الانتشار الحراري بشكل حاد. يؤدي هذا، إلى جانب انخفاض التدرج في درجة الحرارة، إلى تقليل تأثير العدسات الحرارية وبالتالي تقليل احتمالية تمزق الإجهاد.

ويتم أيضًا تقليل المعامل الحراري البصري، مما يقلل من تأثير العدسة الحرارية.

ترجع زيادة المقطع العرضي لامتصاص الأيونات الأرضية النادرة بشكل رئيسي إلى انخفاض التوسيع الناتج عن التأثير الحراري. ولذلك، يتم تقليل قوة التشبع وزيادة كسب الليزر. ولذلك، يتم تقليل طاقة عتبة المضخة، ويمكن الحصول على نبضات أقصر عند تشغيل المفتاح Q. من خلال زيادة نفاذية مقرنة الإخراج، يمكن تحسين كفاءة المنحدر، وبالتالي يصبح تأثير فقدان التجويف الطفيلي أقل أهمية.

يتم تقليل عدد الجسيمات من المستوى المنخفض الإجمالي لمتوسط ​​الكسب شبه ثلاثي المستويات، وبالتالي يتم تقليل قدرة ضخ العتبة وتحسين كفاءة الطاقة. على سبيل المثال، Yb:YAG، الذي ينتج الضوء عند 1030 نانومتر، يمكن اعتباره نظامًا شبه ثلاثي المستويات عند درجة حرارة الغرفة، ولكن نظامًا رباعي المستويات عند 77 كلفن. Er: وينطبق الشيء نفسه على YAG.

اعتمادًا على وسط الكسب، سيتم تقليل شدة بعض عمليات التبريد.

بالاشتراك مع العوامل المذكورة أعلاه، يمكن أن يؤدي التشغيل بدرجة حرارة منخفضة إلى تحسين أداء الليزر بشكل كبير. على وجه الخصوص، يمكن لأشعة الليزر ذات درجة الحرارة المنخفضة الحصول على طاقة خرج عالية جدًا دون تأثيرات حرارية، أي أنه يمكن الحصول على جودة شعاع جيدة.

إحدى المشكلات التي يجب مراعاتها هي أنه في بلورة الليزر المبردة بالتبريد، سيتم تقليل عرض النطاق الترددي للضوء المشع والضوء الممتص، وبالتالي سيكون نطاق ضبط الطول الموجي أضيق، وسيكون عرض الخط واستقرار الطول الموجي لليزر المضخ أكثر صرامة . ومع ذلك، فإن هذا التأثير عادة ما يكون نادرا.

عادةً ما يستخدم التبريد المبرد سائل تبريد، مثل النيتروجين السائل أو الهيليوم السائل، ومن الناحية المثالية يدور سائل التبريد من خلال أنبوب متصل ببلورة ليزر. يتم تجديد سائل التبريد في الوقت المناسب أو إعادة تدويره في حلقة مغلقة. من أجل تجنب التصلب، فإنه من الضروري عادة وضع كريستال الليزر في غرفة مفرغة.

يمكن أيضًا تطبيق مفهوم بلورات الليزر التي تعمل في درجات حرارة منخفضة على مكبرات الصوت. يمكن استخدام ياقوت التيتانيوم لصنع مضخم ردود فعل إيجابية، حيث يبلغ متوسط ​​طاقة الخرج بعشرات الواط.

على الرغم من أن أجهزة التبريد المبردة يمكن أن تكون معقدةأنظمة الليزر، غالبًا ما تكون أنظمة التبريد الأكثر شيوعًا أقل بساطة، وتسمح كفاءة التبريد المبرد ببعض التقليل من التعقيد.