بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به شبیه سازي و طراحی رزوناتور لیزر پر توان Yb:YAG با بررسی اختلاف راه نوري - OPD - و تغییرات گرمایی -مکانیکی , با استفاده از روش انتشار پرتو - BPM - و محاسبات "مدل سازي اجزاي محدود - FEM - ” پرداخته ایم . اثرات لنز گرمایی در لیزرهاي پر توان دیسک , با شبیه سازي دینامیکی رزوناتور پایدار تحلیل می گردد. در این طراحی توان خروجی لیزر - Yb:YAG - یک کیلو وات به طور پیوسته و با پمپ از لبه ها در مد اصلی آن در نظرگرفته شده است.
کلید واژه- لیزر دیسک- لنز گرمایی- اختلاف راه نوري- رزوناتور لیزر.
-1 مقدمه
از ویژگیهاي برجسته لیزرهاي هاي دیسک دارا بودن توان بالاو به طور همزمان کیفیت پرتو خوب - M² - می باشد.همچنین غلبه بر اثرات گرمایی ایجاد شده در لیزرهاي حالت جامد زمینه پیدایش تکنیکهاي جدیدي از این نوع لیزرها را ایجاد کرده است. [3-2-1] در لیزر دیسک با توجه به نوع هندسه ماده فعال، نسبت سطح خنک شونده به حجم پمپ شده بیشتر شده است از طرفی با توجه به نحوه خنک کنندگی، گرادیانهاي گرمایی هم راستا با محوردیسک و محور باریکه لیزر میباشد.
بنابراین مشکلات مربوط به اثرات گرمایی همانند لنز گرمایی در این نوع از لیزرها بسیار کمترشده و تا حدي قابل چشم پوشی خواهد بود ولی در توانهاي بالاي جهت حفظ کیفیت باریکه لیزر، این اثر باید در طراحی هاي لیزر مورد نظر قرارگیرد.[4]تاثیر لنز گرمایی در کاهش کیفیت پرتو خروجی لیزر دیسک با شبیه سازي و طراحی رزوناتور آن قابل بررسی خواهد بود. این اثر ، محیط فعال را به یک لنز در داخل رزوناتور لیزر تبدیل می کند که از دو دیدگاه قابل بررسی میباشد-1 :[6-5] به عنوان یک لنز با فاصله کانونی . - f -
-2 یک محیط دیوپتري با توان شکست - - D
وجود چنین لنز گرمایی در داخل رزوناتور ، یک اختلاف راه نوري ایجاد می کندکه باعث کاهش کیفیت پرتوي خروجی لیزر می شود. در شبیه سازي دینامیکی رزوناتور ,شعاع پرتو مد اصلی در نقطه اکسترمم خود متناسب با توان شکست لنز ایجاد شده , انتشار پیدا می کند
-2 تئوري طرح
شکل –2 - الف و ب - نماي شماتیک از طرح لیزر دیسک و رزوناتور طراحی شده را نشان می دهد . در این طرح از یک دیسک نازك مرکب - Yb:YAG/YAG - compositeاستفاده شده است.با محاسبه پروفایل جذب نورپمپ در روش FEM ابتدا توزیع گرمایی ایجاد شده در داخل دیسک بدست آمد شکل - -3الف - . در این شبیه سازي شرایط دمایی به شکل پایدار در نظر گرفته شده و سایر اثرات گرمایی- مکانیکی دیسک مانند : کشش در سه راستاي - X,Y,Z - ,کرنش و تغییرشکل محیط فعال نیز شبیه سازي شد. شکل - 3ب - از دیگراثرات گرمایی ایجاد شده در دیسک تغییر توان شکست آن میباشد.این تغییرات در شبیه سازي با افزایش توان پمپاژي تقریباً به طورخطی کاهش پیدا می کند.همچنین آهنگ تغییر توان شکست لنزگرمایی با افزایش مقدار توان پمپی تا 2کیلو وات بین - 7-19 - cm -1می باشد - شکل - 4
-3 اختلاف راه نوري
همانطور که در مقدمه ذکر شد کیفیت پرتو خروجی لیزر دیسک از اهمیت بالایی بر خوردار است. به همین خاطر اختلاف راه نوري ایجاد شده متناسب با توزیع گرمایی نا همگن , کشش و کرنش غیر متقارن در محیط فعال محاسبه شد و نتایج آن را در طراحی رزوناتور جهت بالا بردن کیفیت پرتو خروجی لیزر اعمال کردیم. اختلاف راه نوري به صورت زیر تعریف میگردد:
