بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله با تکیه بر روش المان محدود، به بررسی رفتار ترموالاستیک در بلور کریستالی حالت جامد نئودیوم: یاگ تحت دمش یکنواخت، با در نظر گرفتن دو مدل از دیسک لیزری که دارای پخشکننده است، پرداخته میشود. با لحاظ نمودن روابط انتقال حرارت فوریه و ترموالاستیسیته و تعیین ماتریس سختی و بردار نیرو در دو آنالیز حرارتی و سازهای، توزیع درجه حرارت و تنش بلور در دمشهای طولی با در نظرگرفتن فرمهای گوسی و سوپرگوسی تعیین میگردد و سپس بیشینه توان بلور برای مقاطع ساده و متغیر بر اساس تاثیر پخشکننده گرما در مدل مورد نظر به دست آمده و نتایج هر یک با دیگری مقایسه میشود.
-1 مقدمه
لیزرهای حالت جامد به عنوان منبع تابش دارای کاربردهای فراوانی در زمینه نظامی، علمی، پزشکی و صنعتی هستند. یکی از این لیزرها، لیزر نئودیوم: یاگ است که تغییرات شدیدی نسبت به دما دارد، همچنین از خواص مکانیکی- حرارتی خوبی برخوردار میباشند
لیزرهای حالت جامد دیسکی به طور همزمان دارای سه مزیت اصلی توان بالا، کیفیت بالای پرتو خروجی و بیشترین بازده انرژی میباشند. از طرفی دارای محیط فعال به شکل یک لایه نازک هستند که از طرف سطح بازتابنده توسط یک سیستم خنککننده سرد میگردند .[1] منابع دمش با توجه به دمش اپتیکی در لیزرهای حالت جامد به صورت فلش لامپ، دمش دیودی پیوسته یا پالسی اعمال میشوند. از انواع دمش در لیزرهای حالت جامد بسته به شکل محیط فعال استفاده میگردد
در دمش عرضی جهت اعمال پرتو ورودی دمش بر پرتو خروجی لیزر عمود است، همچنین از ظرفیت توان بیشتری نسبت به دمش طولی و سطحی برخوردار میباشد .[2] در دمش طولی با توجه به اینکه پرتو ورودی دمش با پرتو خروجی لیزر همسو است، این دمش بازده و کیفیت پرتو بالاتری نسبت به دمش عرضی دارد .[2] در دمش سطحی پرتو ورودی و خروجی اختلاف زاویه 180 درجهای دارد.
آثار حرارتی دمش توسط محققان بسیاری مورد بررسی قرار گرفته است. در همین زمینه اثرات گرمایی در لیزر تخت حالت جامد پمپ شده به صورت دمش عرضی، توسط صباغ زاده و همکاران [3] مورد مطالعه قرار گرفته است. وابستگی زمانی تغییرات درجه حرارت و تنش در یک میله لیزری ضربانی Nd:YAG تحت دمش طولی توسط صفری و همکاران [4] بررسی گردیده است. سراوانی و همکاران [5] با در نظر گرفتن یک پخشکننده گرما روی سطح بلور دیسکی نازک Yb:YAG و خنک سازی آن توسط یک جت سیال، تحلیل حرارتی این بلور دیسکی را توسط روش های عددی و آزمایشگاهی انجام داده اند و نقش این پخشکننده را در توزیع دما بررسی نمودند.
آثار حرارتی در لیزر دیسکی Nd:YAG با توان بالا، به صورت دمش عرضی با استفاده از شبیه سازی عددی براساس روش المان محدود توسط یانگ و همکاران [6] انجام شده است. نادگران و صبائیان [7] آثار گرمایی روی لیزر حالتجامد Ti:Sopphiro را که تحت دمش سوپرگوسی پالسی قرار گرفته است، موردبررسی قرار دادند. در این پژوهش، دمش بهصورت چندمنظوره و با توان بالا پمپاژ و درجهبندی گردیده و پرتو سوپرگوسی مرتبه چهار در نظر گرفته شده است. در ادامه یک حل تحلیلی کامل برای معادله انتقال حرارت ارائه و درنهایت فاصله کانونی لنز حرارتی محاسبه گردیده است.
در تحلیلهای قبلی یک مدل عددی کامل برای بلورهای دیسکی، جهت بررسی رفتار ترمواپتومکانیکی ارائه نشده و بیشینه ظرفیت توان بلور و کارایی آن موردمطالعه قرار نگرفته است. در این پروژه با تکیه بر روش المان محدود، یک آنالیز کامل حرارتی- مکانیکی برای بلور دیسکی نئودیوم: یاگ تحت دمش گوسی و سوپرگوسی، شامل دو پخشکننده مشابه و غیرمشابه، انجام میپذیرد. هدف از این پژوهش، دست یابی به توزیع درجه حرارت و تنش در اثر وجود پخشکننده و در نهایت محاسبه توان بیشینه بلور، جهت طراحی بهتر لیزرهای دیسکی است.
-2 روش تحقیق
در این پژوهش، با در نظر گرفتن یک مدل از دیسک لیزری که دارای پخشکننده از جنس ماده مس است، به بررسی ترمواپتومکانیکی بلور کریستالی دیسکی نازک نئودیوم: یاگ تحت دمش یکنواخت، پرداخته میشود. به طورکلی در این پژوهش یک بار مجموعه کریستال و پخشکننده به صورت ساده و با اندازه یکسان در نظر گرفته میشود و بار دیگر به صورت مقطع متغیر به طوری که پخشکننده بزرگتر باشد و کریستال را احاطه کند، لحاظ میگردد. در شکل1 الف و ب تصاویر مربوط به این دو حالت نشان داده شده است. شایان ذکر است که به داخل این بلور انواع دمش - طولی و سطحی - با پرتوهای گوسی و سوپرگوسی اعمال میگردد.
شکل-1 تصاویری از مجموعه بلور دیسکی و پخشکننده در مقاطع ساده و متغیر
طول بلور دیسکی برای مقطع ساده برابر با طول پخشکننده و هر کدام 1 mmو قطر آن 25 mm میباشد. برای مقطع متغیر، قطر پخشکننده برابر با 27 mm که ابعاد آن در شکل 1 - ب - مشخص گردیده است. مجموعه دارای شرایط مرزی حرارتی و مکانیکی میباشد.
با توجه به این که در این پژوهش یک بار مجموعه به صورت ابعاد یکسان و بار دیگر تغییر مقطع در سیستم رخ میدهد، میتوان برای هر دو حالت، شرایط مرزی را به این صورت بیان نمود که سمت چپ پخشکننده دارای دمای 0 = 283 است. همچنین بر روی سطوح جانبی دما ثابت میباشد. از طرفی در سمت راست بلور، انتقال گرمای همرفت وجود دارد. شرایط مرزی مکانیکی برای حالت اول بدین صورت است که در صفحه - = 0 - − جابه جایی در جهت صفر میباشد، اما برای حالت دوم در جهت بیشینه میگردد. در بلوری که تحت دمش طولی میباشد، شعاع پرتو دمش به صورت تابعی از فاصله نسبی - نسبت به کمر باریکه - ، به صورت رابطه زیر تعریف میگردد .
که در رابطه بالا 0 شعاع کمر باریکه پرتو دمش، طول موج دمش در فضای آزاد و ضریب شکست جامد بلوری میباشد. با استفاده از فاکتور 2 شکل پرتو دمش را میتوان به صورت پرتو مرتبه بالا در نظر گرفت. فاصله بین کمر باریکه پرتو دمش - 0 = 10 - 10 mm و صفحه ورودی دمش0/5 mm - 0 = 0.5 - است. از توان دمش شده که توسط دیسک جذب و به گرما تبدیل میشود، به صورت - , - در واحد حجم دیسک توزیع میگردد. منبع چگالی گرما مانند رابطه زیر بیان گردیده است، که به صورت بار گرمایی کل بر ماده اعمال میشود .
که در آن ضریب جذب ماده است. همچنین 0 مقدار ثابتی است
در این رابطه بازده تولید حرارت ماده و توان دمش کل جذب شده است. این روابط برای دمش به صورت سطحی نیز به کار میرود. اما برای حالتی که پرتو به صورت عرضی به لیزر دیسکی بتابد
