क्रायोजेनिक लेजर क्या है?

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

उच्च शक्ति मेंलेजर स्रोतडीपोलराइजेशन लॉस, थर्मल लेंस या लेजर क्रिस्टल बेंडिंग जैसे थर्मल प्रभाव प्रदर्शन को प्रभावित कर सकते हैं।प्रकाश स्रोतकम तापमान पर शीतलन के माध्यम से, कई हानिकारक तापीय प्रभावों को प्रभावी ढंग से कम किया जा सकता है, यानी, गेन माध्यम को 77K या यहाँ तक कि 4K तक ठंडा करने की आवश्यकता होती है। शीतलन प्रभाव में मुख्य रूप से शामिल हैं:

ताप वृद्धि माध्यम की विशिष्ट चालकता काफी हद तक बाधित होती है, मुख्य रूप से रस्सी के माध्य मुक्त पथ में वृद्धि के कारण। परिणामस्वरूप, तापमान प्रवणता में भारी गिरावट आती है। उदाहरण के लिए, जब तापमान 300 K से 77 K तक कम किया जाता है, तो YAG क्रिस्टल की तापीय चालकता सात गुना बढ़ जाती है।

तापीय विसरण गुणांक में भी तीव्र कमी आती है। तापमान प्रवणता में कमी के साथ-साथ, इससे तापीय लेंसिंग प्रभाव कम हो जाता है और परिणामस्वरूप तनाव टूटने की संभावना भी कम हो जाती है।

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

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

अर्ध-त्रिस्तरीय लाभ माध्यम के कुल निम्न स्तर के कणों की संख्या कम हो जाती है, जिससे थ्रेशोल्ड पंपिंग पावर कम हो जाती है और पावर दक्षता में सुधार होता है। उदाहरण के लिए, Yb:YAG, जो 1030nm पर प्रकाश उत्पन्न करता है, कमरे के तापमान पर एक अर्ध-त्रिस्तरीय प्रणाली के रूप में देखा जा सकता है, लेकिन 77K पर यह एक चार-स्तरीय प्रणाली बन जाता है। यही बात YAG के लिए भी सत्य है।

गेन मीडियम के आधार पर, कुछ शमन प्रक्रियाओं की तीव्रता कम हो जाएगी।

उपरोक्त कारकों के साथ, कम तापमान पर संचालन लेजर के प्रदर्शन में काफी सुधार कर सकता है। विशेष रूप से, कम तापमान पर ठंडा किए गए लेजर बिना तापीय प्रभावों के बहुत उच्च आउटपुट पावर प्राप्त कर सकते हैं, यानी अच्छी बीम गुणवत्ता प्राप्त की जा सकती है।

एक महत्वपूर्ण बात यह है कि क्रायोकूल्ड लेजर क्रिस्टल में, उत्सर्जित प्रकाश और अवशोषित प्रकाश की बैंडविड्थ कम हो जाती है, जिससे तरंगदैर्ध्य ट्यूनिंग रेंज संकीर्ण हो जाती है और पंप किए गए लेजर की लाइन चौड़ाई और तरंगदैर्ध्य स्थिरता अधिक सख्त हो जाती है। हालांकि, यह प्रभाव आमतौर पर दुर्लभ होता है।

क्रायोजेनिक शीतलन में आमतौर पर तरल नाइट्रोजन या तरल हीलियम जैसे शीतलक का उपयोग किया जाता है, और आदर्श रूप से यह शीतलक लेजर क्रिस्टल से जुड़ी एक ट्यूब के माध्यम से प्रवाहित होता है। शीतलक को समय-समय पर पुनःपूर्ति किया जाता है या एक बंद चक्र में पुनर्चक्रित किया जाता है। जमने से बचने के लिए, लेजर क्रिस्टल को आमतौर पर एक निर्वात कक्ष में रखना आवश्यक होता है।

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

हालांकि क्रायोजेनिक कूलिंग उपकरण जटिलताएं पैदा कर सकते हैंलेजर सिस्टमहालांकि, अधिक सामान्य शीतलन प्रणालियां अक्सर कम सरल होती हैं, और क्रायोजेनिक शीतलन की दक्षता जटिलता में कुछ कमी लाने की अनुमति देती है।