क्रायोजेनिक लेजर क्या है?

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

उच्च शक्ति मेंलेजर स्रोत, थर्मल प्रभाव जैसे कि विध्रुवीकरण हानि, थर्मल लेंस या लेजर क्रिस्टल झुकने से प्रदर्शन प्रभावित हो सकता हैप्रकाश स्रोतकम तापमान शीतलन के माध्यम से, कई हानिकारक थर्मल प्रभावों को प्रभावी ढंग से दबाया जा सकता है, अर्थात, लाभ माध्यम को 77K या यहां तक ​​कि 4K तक ठंडा करने की आवश्यकता होती है। शीतलन प्रभाव में मुख्य रूप से शामिल हैं:

लाभ माध्यम की विशिष्ट चालकता बहुत बाधित होती है, मुख्यतः इसलिए क्योंकि रस्सी का औसत मुक्त पथ बढ़ जाता है। परिणामस्वरूप, तापमान प्रवणता नाटकीय रूप से गिर जाती है। उदाहरण के लिए, जब तापमान 300K से 77K तक कम हो जाता है, तो YAG क्रिस्टल की ऊष्मीय चालकता सात गुना बढ़ जाती है।

थर्मल डिफ्यूजन गुणांक भी तेजी से घटता है। तापमान प्रवणता में कमी के साथ, थर्मल लेंसिंग प्रभाव कम हो जाता है और इसलिए तनाव टूटने की संभावना कम हो जाती है।

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

दुर्लभ पृथ्वी आयन के अवशोषण क्रॉस सेक्शन में वृद्धि मुख्य रूप से थर्मल प्रभाव के कारण होने वाले चौड़ीकरण में कमी के कारण होती है। इसलिए, संतृप्ति शक्ति कम हो जाती है और लेजर लाभ बढ़ जाता है। इसलिए, थ्रेशोल्ड पंप की शक्ति कम हो जाती है, और क्यू स्विच के संचालन के दौरान छोटे पल्स प्राप्त किए जा सकते हैं। आउटपुट कपलर के संप्रेषण को बढ़ाकर, ढलान दक्षता में सुधार किया जा सकता है, इसलिए परजीवी गुहा हानि प्रभाव कम महत्वपूर्ण हो जाता है।

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

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

उपरोक्त कारकों के साथ संयुक्त, कम तापमान संचालन लेजर के प्रदर्शन में काफी सुधार कर सकता है। विशेष रूप से, कम तापमान शीतलन लेजर थर्मल प्रभाव के बिना बहुत उच्च आउटपुट शक्ति प्राप्त कर सकते हैं, यानी अच्छी बीम गुणवत्ता प्राप्त की जा सकती है।

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

क्रायोजेनिक कूलिंग में आमतौर पर शीतलक का उपयोग किया जाता है, जैसे कि तरल नाइट्रोजन या तरल हीलियम, और आदर्श रूप से रेफ्रिजरेंट लेजर क्रिस्टल से जुड़ी एक ट्यूब के माध्यम से घूमता है। शीतलक को समय पर फिर से भर दिया जाता है या बंद लूप में रीसाइकिल किया जाता है। जमने से बचने के लिए, आमतौर पर लेजर क्रिस्टल को वैक्यूम चैंबर में रखना आवश्यक होता है।

कम तापमान पर काम करने वाले लेजर क्रिस्टल की अवधारणा को एम्पलीफायरों पर भी लागू किया जा सकता है। टाइटेनियम नीलम का उपयोग सकारात्मक प्रतिक्रिया एम्पलीफायर बनाने के लिए किया जा सकता है, औसत आउटपुट पावर दसियों वाट में होती है।

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