بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله با استفاده از معادلات نرخ جفت شده، رفتار یک لیزرCr,Nd:YAG خود کلید زنیQ شده شبیه سازی شده است. برای این منظور معادلات نرخ به صورت عددی حل و پهنای پالس و انرژی پالس خروجی محاسبه شده است. همچنین تاثیر بازتاب آینه خروجی بر انرژی و پهنای پالس خروجی بررسی شده است. نتایج نشان میدهد با افزایش بازتاب آینه خروجی، انرژی پالس خروجی کاهش و پهنای پالس خروجی افزایش مییابد.
مقدمه
از لیزرهای پالسی حالت جامد در ارتباطات لیزری، سنجش از دور و اپتیک غیرخطی استفاده میشود. همچنین، برای طیف وسیعی از کاربردهای بنیادی و صنعتی، پالسهای لیزری با توان قله بالا و پهنای کم مورد نیاز است. کلیدزنیQ یکی از روشهای کم کردن پهنای پالس لیزر تا محدوده نانوثانیه است. کلید زنیQ به دو روش فعال و غیرفعال انجام میشود. روش فعال با استفاده از بلور الکترواپتیک، بلور اکوستواپتیک، آینه چرخان و... انجام میشود. در روش غیرفعال معمولا از یک بلور جاذب اشباع پذیر استفاده میشود. در سالهای اخیر بلورهای آلاییده شده با Cr4+ توجه زیادی را به عنوان کلید زن Q غیرفعال به خود جلب کردهاند.
اخیرا به جای استفاده از یک بلور به عنوان کلید زن Q با وارد کردن ناخالصی به محیط فعال لیزر، عمل کلید زنیQ توسط خود محیط فعال صورت میپذیرد که به لیزرهایی که اینگونه ساخته میشوند لیزرهای خود کلید زن Q گفته می شود.[2] بلور YAG آلاییده شده با Cr4+ وNd3+ یکی از مهم ترین مواد لیزری خود کلید زن Q است. علاوه بر این بلورCr,Nd:YAG به دلیل آنکه محیط بهره و جاذب اشباع را در یک تک بلور با هم آمیخته، برای کوچک سازی سامانههای لیزری با قدرت بالا بسیار مناسب است.
در سال 1992 اگنسی و همکارش یک مطالعهی تجربی از فاز پیوسته نوسانگرهای لیزری Nd:YAG با استفاده از آینهی پراکندگی بریلوئن القایی ارائه و همچنین یک مدل ساده خود کلید زنی Q را معرفی کردند.[2] در سال 2001 فرامیجر و همکارش تاثیر مستقیم جفت شدگی میانگین کشش شبکه با یونهای فعال را روی رفتار کلیدزنی بهرهی یک لیزر مطالعه کردند و اثرات خود کلید زنی Q را مشاهده کردند[3] در سال 2004 دانگ و همکارانش عملکرد یک لیزر خود کلید زنیQ دمش دیود لیزر پیوستهی Cr,Nd:YAG را بهصورت تجربی و تئوری بررسی کردند.[4] در سال2005 کوامر و همکارش ویژگیهای زمانی خروجی یک لیزر فیبری تک غلاف را بررسی کردند که یک محدوده خود پالسی کننده و خود کلید زنQ را نشان میدهد.
در سال 2008 لی و همکارانش یک پمپاژLD لیزر خود کلید زن808nm Q را با استفاده از یک بلور Cr,Nd:YAG به عنوان محیط بهره و جاذب اشباع پذیر مورد مطالعه قرار دادند[6] کای و همکارانش در سال 2015 یک لیزر خود کلیدزنQ در ناحیه 2 میکرومترساختند.
امروزه ساخت لیزرهای تارنوری پالسی با استفاده از روش خود کلیدزنی Q بسیار مورد توجه است.
در این مقاله ضمن شبیه سازی خروجی یک لیزر Cr,Nd:YAG و به دست آوردن پارامترهای خروجی شامل توان میانگین انرژی و پهنای پالس به بررسی تاثیر میزان بازتاب آینه خروجی بر انرژی و پهنای گالس خروجی می پردازیم.
مبانی نظری:
شکل 1 ترازهای انرژی یونهای Nd3+ وCr4+ درون بلورCr,Nd:YAG را نشان میدهد.
شکل:1 ترازهای انرژی یونهایNd3+ و .Cr4+
معادلات نرخ جفت شده برای توصیف یک لیزر Cr,Nd:YAG خود کلیدزنی Q شده بهصورت زیر نوشته میشود:[
سطح مقطع جذب حالت پایه در جاذب اشباع پذیر، سطح مقطع جذب حالت برانگیخته در جاذب اشباع پذیر، N g چگالی جمعیت حالت پایه در جاذب اشباع پذیر، N e چگالی جمعیت حالت برانگیخته در جاذب اشباع پذیر، N s 0 چگالی کل جمعیت جاذب اشباع پذیر، R بازتابندگی آینه خروجی، L اتلاف اپتیکی درون کاواک در یک رفت و برگشت کامل،W p آهنگ پمپ حجمی به تراز بالای لیزر، طول عمر تراز بالای لیزر در محیط بهره و sطول عمر حالت برانگیخته در جاذب اشباع پذیر است.
با استفاده از چگالی فوتونهای درون کاواک، انرژی پالس خروجی، توان قله و پهنای پالس لیزر خود کلید زنی Q شده به ترتیب از روابط زیر بهدست میآیند:
شبیه سازی:
با حل معادلات نرخ جفت شده با شرایط اولیهی مناسب چگالی فوتونهای داخل کاواک، چگالی وارونی جمعیت ماده فعال لیزر و چگالی جمعیت حالت پایه ماده اشباع پذیر به دست میآید. مقادیر مورد استفاده در شبیه سازی در جدول 1 آمده است.
جدول :1 مقادیر پارامترهای استفاده شده در شبیهسازی[4]
چگالی وارون جمعیت ماده فعال و چگالی جمعیت حالت پایه ماده اشباع پذیر به ازای R 0.97 بهترتیب در شکل 2 و 3 آمده است. نوسانات ایجاد شده به دلیل وجود جاذب اشباع پذیر - یون - Cr4+ است. زمان بین پالسهای لیزر حدود 30 میلی ثانیه است که کوتاهتر از زمان لازم برای ایجاد اولین پالس لیزر است. بنابراین وارونی جمعیت به مقدار صفر باز نمیگردد.
شکل:2 چگالی جمعیت حالت پایه ماده اشباع پذیر بر حسب زمان.
شکل:3 چگالی وارون جمعیت ماده فعال بر حسب زمان. از حل عددی معادلات نرخ چگالی فوتونهای داخل کاواک بر حسب زمان به ازای R 0.97 به صورت شکل4 بهدست میآید.
شکل:4 چگالی شار فوتون های داخل کاواک بر حسب زمان.
همان طور که در شکل مشخص است تعداد فوتونهای داخل کاواک از مقدار صفر در مدت زمان کوتاهی به مقدار بیشینه اش میرسد و سپس به آرامی کاهش بافته و به مقدار صفر باز میگردد.
حال به بررسی تاثیر بازتابش آینه خروجی بر انرژی و پهنای پالس خروجی لیزر میپردازیم. در شکل 5 نمودار پهنای پالس لیزر بر حسب باز تاب آینه خروجی رسم شده است. همانطور که مشاهده میشود با افزایش درصد بازتاب آینه خروجی از 92 تا 99 درصد، پهنای پالس لیزر افزایش مییابد.
