ક્રાયોજેનિક લેસર શું છે?

નીચા તાપમાને કાર્યરત લેસરોનો ખ્યાલ નવો નથી: ઇતિહાસમાં બીજો લેસર ક્રાયોજેનિક હતો. શરૂઆતમાં, ઓરડાના તાપમાને કામગીરી પ્રાપ્ત કરવી મુશ્કેલ હતી, અને નીચા તાપમાને કાર્ય માટે ઉત્સાહ 1990 ના દાયકામાં ઉચ્ચ-શક્તિવાળા લેસર અને એમ્પ્લીફાયરના વિકાસ સાથે શરૂ થયો.

ઉચ્ચ શક્તિમાંલેસર સ્ત્રોતો, વિધ્રુવીકરણ નુકશાન, થર્મલ લેન્સ અથવા લેસર ક્રિસ્ટલ બેન્ડિંગ જેવી થર્મલ અસરો કામગીરીને અસર કરી શકે છેપ્રકાશ સ્ત્રોત. નીચા તાપમાને ઠંડક દ્વારા, ઘણી હાનિકારક થર્મલ અસરોને અસરકારક રીતે દબાવી શકાય છે, એટલે કે, ગેઇન માધ્યમને 77K અથવા તો 4K સુધી ઠંડુ કરવાની જરૂર છે. ઠંડક અસરમાં મુખ્યત્વે શામેલ છે:

ગેઇન માધ્યમની લાક્ષણિક વાહકતા મોટા પ્રમાણમાં અવરોધાય છે, મુખ્યત્વે કારણ કે દોરડાનો સરેરાશ મુક્ત માર્ગ વધે છે. પરિણામે, તાપમાન ઢાળ નાટકીય રીતે ઘટે છે. ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે તાપમાન 300K થી 77K સુધી ઘટાડવામાં આવે છે, ત્યારે YAG સ્ફટિકની થર્મલ વાહકતા સાત ગણી વધે છે.

થર્મલ ડિફ્યુઝન ગુણાંકમાં પણ તીવ્ર ઘટાડો થાય છે. આ, તાપમાનના ઢાળમાં ઘટાડા સાથે, થર્મલ લેન્સિંગ અસરમાં ઘટાડો તરફ દોરી જાય છે અને તેથી તાણ ભંગાણની શક્યતા ઓછી થાય છે.

થર્મો-ઓપ્ટિકલ ગુણાંક પણ ઘટે છે, જે થર્મલ લેન્સ અસરને વધુ ઘટાડે છે.

દુર્લભ પૃથ્વી આયનના શોષણ ક્રોસ સેક્શનમાં વધારો મુખ્યત્વે થર્મલ અસરને કારણે થતા વિસ્તરણમાં ઘટાડો થવાને કારણે થાય છે. તેથી, સંતૃપ્તિ શક્તિ ઓછી થાય છે અને લેસર ગેઇન વધે છે. તેથી, થ્રેશોલ્ડ પંપ પાવર ઓછો થાય છે, અને જ્યારે Q સ્વીચ કાર્યરત હોય ત્યારે ટૂંકા પલ્સ મેળવી શકાય છે. આઉટપુટ કપ્લરના ટ્રાન્સમિટન્સને વધારીને, ઢાળ કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરી શકાય છે, તેથી પરોપજીવી પોલાણ નુકશાન અસર ઓછી મહત્વપૂર્ણ બને છે.

ક્વાસી-થ્રી-લેવલ ગેઇન માધ્યમના કુલ નીચા સ્તરના કણ નંબરમાં ઘટાડો થાય છે, તેથી થ્રેશોલ્ડ પમ્પિંગ પાવર ઓછો થાય છે અને પાવર કાર્યક્ષમતામાં સુધારો થાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, Yb:YAG, જે 1030nm પર પ્રકાશ ઉત્પન્ન કરે છે, તેને ઓરડાના તાપમાને ક્વાસી-થ્રી-લેવલ સિસ્ટમ તરીકે જોઈ શકાય છે, પરંતુ 77K પર ચાર-લેવલ સિસ્ટમ તરીકે જોઈ શકાય છે. Er: YAG માટે પણ આ જ વાત સાચી છે.

ગેઇન માધ્યમના આધારે, કેટલીક શમન પ્રક્રિયાઓની તીવ્રતા ઓછી થશે.

ઉપરોક્ત પરિબળો સાથે મળીને, નીચા તાપમાને કામગીરી લેસરના પ્રદર્શનમાં ઘણો સુધારો કરી શકે છે. ખાસ કરીને, નીચા તાપમાને ઠંડક આપતા લેસરો થર્મલ અસરો વિના ખૂબ જ ઊંચી આઉટપુટ પાવર મેળવી શકે છે, એટલે કે, સારી બીમ ગુણવત્તા મેળવી શકાય છે.

ધ્યાનમાં લેવા જેવો એક મુદ્દો એ છે કે ક્રાયોકૂલ્ડ લેસર ક્રિસ્ટલમાં, રેડિયેટેડ પ્રકાશ અને શોષિત પ્રકાશની બેન્ડવિડ્થ ઓછી થશે, તેથી તરંગલંબાઇ ટ્યુનિંગ રેન્જ સાંકડી થશે, અને પમ્પ્ડ લેસરની રેખા પહોળાઈ અને તરંગલંબાઇ સ્થિરતા વધુ કડક હશે. જો કે, આ અસર સામાન્ય રીતે દુર્લભ હોય છે.

ક્રાયોજેનિક ઠંડક સામાન્ય રીતે પ્રવાહી નાઇટ્રોજન અથવા પ્રવાહી હિલીયમ જેવા શીતકનો ઉપયોગ કરે છે, અને આદર્શ રીતે રેફ્રિજન્ટ લેસર ક્રિસ્ટલ સાથે જોડાયેલ નળી દ્વારા ફરે છે. શીતકને સમયસર ફરીથી ભરવામાં આવે છે અથવા બંધ લૂપમાં રિસાયકલ કરવામાં આવે છે. ઘનકરણ ટાળવા માટે, સામાન્ય રીતે લેસર ક્રિસ્ટલને વેક્યૂમ ચેમ્બરમાં મૂકવું જરૂરી છે.

નીચા તાપમાને કાર્યરત લેસર સ્ફટિકોનો ખ્યાલ એમ્પ્લીફાયર પર પણ લાગુ કરી શકાય છે. ટાઇટેનિયમ નીલમનો ઉપયોગ હકારાત્મક પ્રતિસાદ એમ્પ્લીફાયર બનાવવા માટે થઈ શકે છે, જે સરેરાશ આઉટપુટ પાવર દસ વોટમાં હોય છે.

જોકે ક્રાયોજેનિક કૂલિંગ ઉપકરણો જટિલ બનાવી શકે છેલેસર સિસ્ટમ્સ, વધુ સામાન્ય ઠંડક પ્રણાલીઓ ઘણીવાર ઓછી સરળ હોય છે, અને ક્રાયોજેનિક ઠંડકની કાર્યક્ષમતા જટિલતામાં થોડો ઘટાડો કરવાની મંજૂરી આપે છે.