क्रायोजेनिक लेजर क्या है?

कम तापमान पर काम करने वाले लेज़रों की अवधारणा नई नहीं है: इतिहास में दूसरा लेज़र क्रायोजेनिक था। शुरुआत में, कमरे के तापमान पर काम करना मुश्किल था, और कम तापमान पर काम करने का उत्साह 1990 के दशक में उच्च-शक्ति वाले लेज़रों और एम्पलीफायरों के विकास के साथ शुरू हुआ।

उच्च शक्ति मेंलेजर स्रोतों, थर्मल प्रभाव जैसे कि विध्रुवीकरण हानि, थर्मल लेंस या लेजर क्रिस्टल झुकने से प्रदर्शन प्रभावित हो सकता हैप्रकाश स्रोतनिम्न तापमान शीतलन के माध्यम से, कई हानिकारक तापीय प्रभावों को प्रभावी ढंग से दबाया जा सकता है, अर्थात, लाभ माध्यम को 77K या 4K तक ठंडा करना आवश्यक है। शीतलन प्रभाव में मुख्य रूप से शामिल हैं:

लाभ माध्यम की अभिलाक्षणिक चालकता मुख्यतः रस्सी के माध्य मुक्त पथ में वृद्धि के कारण अत्यधिक बाधित होती है। परिणामस्वरूप, तापमान प्रवणता नाटकीय रूप से कम हो जाती है। उदाहरण के लिए, जब तापमान 300K से 77K तक कम किया जाता है, तो YAG क्रिस्टल की तापीय चालकता सात गुना बढ़ जाती है।

तापीय विसरण गुणांक भी तेज़ी से घटता है। तापमान प्रवणता में कमी के साथ, तापीय लेंसिंग प्रभाव कम हो जाता है और इसलिए प्रतिबल विखंडन की संभावना कम हो जाती है।

थर्मो-ऑप्टिकल गुणांक भी कम हो जाता है, जिससे थर्मल लेंस प्रभाव और भी कम हो जाता है।

दुर्लभ मृदा आयनों के अवशोषण अनुप्रस्थ काट में वृद्धि मुख्यतः तापीय प्रभाव से उत्पन्न चौड़ीकरण में कमी के कारण होती है। इसलिए, संतृप्ति शक्ति कम हो जाती है और लेज़र लाभ बढ़ जाता है। इसलिए, थ्रेशोल्ड पंप शक्ति कम हो जाती है, और क्यू स्विच के संचालन के दौरान छोटे स्पंद प्राप्त किए जा सकते हैं। आउटपुट कपलर के संप्रेषण को बढ़ाकर, ढलान दक्षता में सुधार किया जा सकता है, जिससे परजीवी गुहा हानि प्रभाव कम महत्वपूर्ण हो जाता है।

अर्ध-त्रि-स्तरीय लाभ माध्यम के कुल निम्न-स्तर की कण संख्या कम हो जाती है, जिससे थ्रेशोल्ड पंपिंग शक्ति कम हो जाती है और ऊर्जा दक्षता में सुधार होता है। उदाहरण के लिए, Yb:YAG, जो 1030nm पर प्रकाश उत्पन्न करता है, कमरे के तापमान पर अर्ध-त्रि-स्तरीय प्रणाली के रूप में देखा जा सकता है, लेकिन 77K पर चार-स्तरीय प्रणाली के रूप में देखा जा सकता है। Er: YAG के लिए भी यही सत्य है।

लाभ माध्यम के आधार पर, कुछ शमन प्रक्रियाओं की तीव्रता कम हो जाएगी।

उपरोक्त कारकों के संयोजन से, निम्न तापमान प्रचालन लेज़र के प्रदर्शन में बहुत सुधार कर सकता है। विशेष रूप से, निम्न तापमान शीतलन लेज़र तापीय प्रभाव के बिना बहुत उच्च उत्पादन शक्ति प्राप्त कर सकते हैं, अर्थात, अच्छी बीम गुणवत्ता प्राप्त कर सकते हैं।

विचारणीय एक मुद्दा यह है कि क्रायोकूल्ड लेज़र क्रिस्टल में, विकिरणित प्रकाश और अवशोषित प्रकाश की बैंडविड्थ कम हो जाएगी, इसलिए तरंगदैर्ध्य ट्यूनिंग रेंज संकरी हो जाएगी, और पंप किए गए लेज़र की लाइन चौड़ाई और तरंगदैर्ध्य स्थिरता अधिक कठोर हो जाएगी। हालाँकि, यह प्रभाव आमतौर पर दुर्लभ होता है।

क्रायोजेनिक शीतलन में आमतौर पर शीतलक, जैसे द्रव नाइट्रोजन या द्रव हीलियम, का उपयोग किया जाता है, और आदर्श रूप से शीतलक एक लेज़र क्रिस्टल से जुड़ी एक नली के माध्यम से प्रवाहित होता है। शीतलक को समय पर पुनः भर दिया जाता है या एक बंद लूप में पुनर्चक्रित किया जाता है। जमने से बचने के लिए, आमतौर पर लेज़र क्रिस्टल को निर्वात कक्ष में रखना आवश्यक होता है।

कम तापमान पर काम करने वाले लेज़र क्रिस्टल की अवधारणा को एम्पलीफायरों पर भी लागू किया जा सकता है। टाइटेनियम नीलम का उपयोग धनात्मक प्रतिपुष्टि एम्पलीफायर बनाने के लिए किया जा सकता है, जिसकी औसत आउटपुट शक्ति दसियों वाट में होती है।

यद्यपि क्रायोजेनिक शीतलन उपकरण जटिल हो सकते हैंलेजर सिस्टमअधिक सामान्य शीतलन प्रणालियां अक्सर कम सरल होती हैं, और क्रायोजेनिक शीतलन की दक्षता जटिलता में कुछ कमी लाती है।