ক্রায়োজেনিক লেজার কী?

নিম্ন তাপমাত্রায় লেজার পরিচালনার ধারণাটি নতুন নয়: ইতিহাসের দ্বিতীয় লেজারটি ছিল ক্রায়োজেনিক। প্রাথমিকভাবে, কক্ষ তাপমাত্রায় এই ধারণাটি বাস্তবায়ন করা কঠিন ছিল, এবং উচ্চ-ক্ষমতাসম্পন্ন লেজার ও অ্যামপ্লিফায়ারের বিকাশের সাথে সাথে ১৯৯০-এর দশকে নিম্ন-তাপমাত্রার কাজের প্রতি আগ্রহ শুরু হয়।

উচ্চ ক্ষমতায়লেজার উৎসডিপোলারাইজেশন লস, থার্মাল লেন্স বা লেজার ক্রিস্টালের বাঁকানোর মতো তাপীয় প্রভাবগুলি এর কর্মক্ষমতাকে প্রভাবিত করতে পারে।আলোর উৎসনিম্ন তাপমাত্রার শীতলীকরণের মাধ্যমে অনেক ক্ষতিকর তাপীয় প্রভাব কার্যকরভাবে দমন করা যায়, অর্থাৎ, গেইন মিডিয়ামকে ৭৭ কেলভিন বা এমনকি ৪ কেলভিন পর্যন্ত শীতল করতে হয়। এই শীতলীকরণ প্রক্রিয়ার প্রধান প্রভাবগুলো হলো:

গেইন মিডিয়ামের বৈশিষ্ট্যমূলক পরিবাহিতা ব্যাপকভাবে বাধাপ্রাপ্ত হয়, যার প্রধান কারণ হলো রোপের গড় মুক্ত পথ বৃদ্ধি পাওয়া। এর ফলে, তাপমাত্রার গ্রেডিয়েন্ট নাটকীয়ভাবে হ্রাস পায়। উদাহরণস্বরূপ, যখন তাপমাত্রা ৩০০ কেলভিন থেকে ৭৭ কেলভিনে নামানো হয়, তখন YAG ক্রিস্টালের তাপ পরিবাহিতা সাত গুণ বৃদ্ধি পায়।

তাপীয় ব্যাপন সহগও তীব্রভাবে হ্রাস পায়। তাপমাত্রার নতিমাত্রা হ্রাসের সাথে সাথে এর ফলে তাপীয় লেন্সিং প্রভাব কমে যায় এবং ফলস্বরূপ পীড়ন ফাটলের সম্ভাবনা হ্রাস পায়।

তাপ-আলোকীয় সহগও হ্রাস পায়, যা তাপীয় লেন্স প্রভাবকে আরও কমিয়ে দেয়।

বিরল মৃত্তিকা আয়নের শোষণ প্রস্থচ্ছেদের বৃদ্ধি মূলত তাপীয় প্রভাবজনিত প্রসারণ হ্রাসের কারণে ঘটে। ফলে, স্যাচুরেশন পাওয়ার কমে যায় এবং লেজার গেইন বেড়ে যায়। এর ফলে, থ্রেশহোল্ড পাম্প পাওয়ার কমে যায় এবং Q সুইচ চালু থাকা অবস্থায় আরও ছোট পালস পাওয়া যায়। আউটপুট কাপলারের ট্রান্সমিট্যান্স বাড়ানোর মাধ্যমে স্লোপ এফিসিয়েন্সি উন্নত করা যায়, ফলে প্যারাসাইটিক ক্যাভিটি লসের প্রভাব কম গুরুত্বপূর্ণ হয়ে ওঠে।

কোয়াসি-থ্রি-লেভেল গেইন মিডিয়ামের মোট নিম্ন স্তরের কণার সংখ্যা হ্রাস করা হয়, ফলে থ্রেশহোল্ড পাম্পিং পাওয়ার কমে যায় এবং পাওয়ার এফিসিয়েন্সি উন্নত হয়। উদাহরণস্বরূপ, Yb:YAG, যা 1030nm-এ আলো উৎপন্ন করে, তাকে কক্ষ তাপমাত্রায় একটি কোয়াসি-থ্রি-লেভেল সিস্টেম হিসেবে দেখা যায়, কিন্তু 77K-এ এটি একটি ফোর-লেভেল সিস্টেম। Er: YAG-এর ক্ষেত্রেও একই কথা প্রযোজ্য।

গেইন মিডিয়ামের ওপর নির্ভর করে কিছু কোয়েনচিং প্রক্রিয়ার তীব্রতা হ্রাস পাবে।

উপরোক্ত কারণগুলোর সাথে মিলিত হয়ে, নিম্ন তাপমাত্রায় পরিচালনা লেজারের কর্মক্ষমতা ব্যাপকভাবে উন্নত করতে পারে। বিশেষ করে, নিম্ন তাপমাত্রায় শীতল করা লেজারগুলো তাপীয় প্রভাব ছাড়াই খুব উচ্চ আউটপুট শক্তি অর্জন করতে পারে, অর্থাৎ, ভালো বিম কোয়ালিটি পাওয়া যায়।

একটি বিষয় বিবেচনা করার মতো যে, একটি ক্রায়োকুলড লেজার ক্রিস্টালে বিকিরিত আলো এবং শোষিত আলোর ব্যান্ডউইথ কমে যায়, ফলে তরঙ্গদৈর্ঘ্য টিউনিং পরিসর সংকীর্ণ হয় এবং পাম্পড লেজারের লাইন প্রস্থ ও তরঙ্গদৈর্ঘ্য স্থিতিশীলতা আরও কঠোর হয়। তবে, এই প্রভাবটি সাধারণত বিরল।

ক্রায়োজেনিক কুলিং-এ সাধারণত তরল নাইট্রোজেন বা তরল হিলিয়ামের মতো একটি কুল্যান্ট ব্যবহার করা হয় এবং আদর্শগতভাবে এই রেফ্রিজারেন্টটি একটি লেজার ক্রিস্টালের সাথে সংযুক্ত টিউবের মধ্য দিয়ে সঞ্চালিত হয়। সময়মতো কুল্যান্ট পুনরায় ভরা হয় বা একটি ক্লোজড লুপে পুনর্ব্যবহার করা হয়। কঠিনীভবন এড়ানোর জন্য, সাধারণত লেজার ক্রিস্টালটিকে একটি ভ্যাকুয়াম চেম্বারে রাখা প্রয়োজন হয়।

নিম্ন তাপমাত্রায় কাজ করা লেজার ক্রিস্টালের ধারণাটি অ্যামপ্লিফায়ারের ক্ষেত্রেও প্রয়োগ করা যেতে পারে। টাইটানিয়াম স্যাফায়ার ব্যবহার করে পজিটিভ ফিডব্যাক অ্যামপ্লিফায়ার তৈরি করা যায়, যার গড় আউটপুট পাওয়ার কয়েক দশ ওয়াটের মধ্যে থাকে।

যদিও ক্রায়োজেনিক কুলিং ডিভাইসগুলি জটিলতা তৈরি করতে পারেলেজার সিস্টেমপ্রচলিত শীতলীকরণ ব্যবস্থাগুলো প্রায়শই ততটা সরল হয় না, এবং ক্রায়োজেনিক শীতলীকরণের কার্যকারিতা এর জটিলতা কিছুটা হ্রাস করার সুযোগ করে দেয়।