بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله ابتدا معادلات نرخ در لیزر فیبری پرتوان دوغلافه آلاییده با Yb با پمپ قوی بهصورت تحلیلی حل میشود. در حل تحلیلی اولیه معادلات نرخ از اتلاف پراکندگی صرف نظر میشود. بار دیگر معادلات نرخ با درنظرگرفتن اثرات اتلاف پراکندگی بررسی میشوند و توانهای لیزری با اعمال اتلاف پراکندگی بررسی می-شوند. سپس توانهای لیزری بدست آمده با این دو روش مقایسه میشوند. نتایج نشان میدهد که اتلاف پراکندگی در این پیکربندی قابلتوجه است و نمیتوان از آن صرفنظر کرد. سه طرح پمپ مستقیم، پمپ بازگشتی و پمپ ترکیبی برای پمپ لیزر بررسی و مقایسه شده است. در دوجهت در امتداد فیبر و در امتداد بازگشت، توانهای لیزر و پمپ بررسی و مقایسه شده است. اثرات بازتابندگی در ابتدا و انتهای کاواک لیزر و غلظت ناخالصی Yb بر توان خروجی مورد بررسی قرار میگیرد.
مقدمه
امروزه لیزرهای فیبر نوری آلائیده به عناصر خاکی نادر در کاربردهای متنوع پزشکی، صنعتی و مخابرات نوری استفاده میشوند.[3-1] در سالهای اخیر این لیزرها بهدلیل ویژگیهای کیفیت پرتو عالی، کنترل حرارتی مطلوب، راندمان بالا، واگرایی کم، پهنای طیف باریک و همدوسی بالا بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. آلاییدگی ایتربیوم در لیزرهای فیبری سبب جذب پمپ عالی و بازدهی بالا در لیزرهای فیبری میشود و این ناخالصی درلیزرهای فیبری پرتوان بسیار مورد توجه است.[5-4] پمپ فیبرسیلیکایی آلاییده با غلظت بالا سبب ایجاد اتلاف در طولموجهایپمپ و لیزر میشود.
این اتلاف که بهدلیل تاریکشدگی نوری است میتواند بازده کلی را کاهش دهد و عملکرد طولانیمدت لیزر را محدود کند.[6] در کاربردهای پرتوان فیبرهای تک غلافه مناسب نیستند چراکه بازده تزریق پمپ در فیبرهای تکغلافه پایین است. بنابراین در این مقاله فیبر دوغلافه مورد مطالعه قرار گرفته است که محیط خوبی در دریافت توان پمپ بالا میباشد.در این مقاله معادلات نرخ در فیبر دوغلافه آلاییده با Yb بررسی شده است. تحلیل معادلات نرخ انجام گرفته است و توان خروجی برحسب پارامترهای لیزر فیبری با درنظرگرفتن اتلاف پراکندگی بدست میآید و مورد بررسی قرار میگیرد. در نهایت در سه حالت مختلف پمپ، توان لیزر خروجی، توان پمپ و همچنین اثرات اتلاف پراکندگی مورد بررسی قرار میگیرد.
تحلیل نظری
برای لیزرهای فیبری آلاییده با Yb با بازتابندههای براگ که توسط لیزرهای دیود به خوبی پمپ شود، طیف خروجی لیزر را میتوان تقریبا تک طولموج در نظر گرفت. لیزرهای فیبری آلاییده با Ybیک سیستم شبه سهترازی است بنابراین از جذب حالت برانگیخته لیزر و پمپ صرفنظر میشود. ما فرض میکنیم که شرایط پمپ به قدری خوب است که محیط بهره اشباع میشود و بر تابش خودبخودی غلبه میکند. نرخ حالت پایدار لیزرهای موج پیوسته با معادلات زیر بیان میشود:[8]
معادله 1 چگالی جمعیت Yb در تراز بالا در طول فیبر z را نشان میدهد که این چگالی به توانهای لیزری انتشاری Ps - z - و همچنین توانهای پمپ در جهت مستقیم و بازگشت Pp - z - وابسته است. معادلات 2 و3، توانهای پمپ و لیزر را در جهت مستقیم و بازگشت بیان میکند. N غلظت ناخالصی در هسته فیبر باسطح مقطع A میباشد. p و s بهترتیب ضرایب پرشدگی توان پمپ و لیزر هستند.
pو sبه ترتیب اتلاف پراکندگی برای توانهای سیگنال و پمپ است که فرض میکنیم آنها به مکان وابسته نیستند. ap و ep بهترتیب سطح مقطع تابش و جذب پمپ هستند و به طور
مشابه asو es بهترتیب سطح مقطع تابش و جذب لیزر هستند.براساس مقاله مرجع [7] در لیزر فیبری دو غلافه آلاییده با Yb، - z - N ٍN فرض میشود، بنابراین از - z - ٍN در معادله - 3 - صرفنظر میشود. توانهای پمپ در جهت مستقیم و بازگشتی بهطور تحلیلی بهصورت زیر بدست میآیند:
مقادیر مرزی توانهای لیزری در جهت مستقیم و بازگشتی با بازتابندگی ٌR وٍR بهصورت زیر بدست میآیند:
با انتگرالگیری از معادله 3، عبارت زیر بدست میآید:
بحث و نتایج
پارامترهای طراحی لیزر فیبری دوغلافه آلاییده با Yb در جدول 1آمده است:
در شکل 2 توان خروجی لیزر با تابعی از بازتابندگیهای ورودی وخروجی رسم شده است. زمانی که ٍR بزرگ باشد، توان بازگشتی لیزر بزرگتر است و توان خروجی کوچکتر است. افزایش بازتابندگی اولیه سبب افزایش توان خروجی لیزر میشود.در شکل 3 توان خروجی لیزر بر حسب غلظت ناخالصی Ybبررسی شده است. در ابتدا توان خروجی لیزر با افزایش غلظت
افزایش مییابد و سپس بهدلیل اتلاف تاریکشدگی نوری و جذب مرتبه دوم ناخالصی Yb توان خروجی کاهش مییابد.تغییرات توان پمپ و لیزر در سه حالت پمپ بررسی شده است.
حالت اول پمپ تنها در جهت مستقیم - - Pp است که در شکلهای 2 و 3 این حالت از پمپ w - ًٍ - ً - - Pp درنظرگرفته شده است. حالت دوم پمپ فیبر در جهت بازگشت w - ًٍ - Pp - L - است. حالت سوم ترکیبی از پمپ بازگشتی ومستقیم - wًٌ Pp - L - - ً - - Pp است. در شکلهای 6-4 توان پمپ و توانهای لیزر با صرفنظر از اثرات پراکندگی ودرنظرگرفتن آن بترتیب در سه حالت پمپ بررسی شده است. با بکارگیری این نمودارها میتوان مقایسهای از عملکرد لیزر درشرایط پمپ مختلف بدست آورد. توان خروجی لیزر با پارامترهای ورودی در جدول 1 در سه حالت پمپ مستقیم، پمپ بازگشتی وپمپ ترکیبی بترتیبwٍِ.ُ ،wَُ.ٌٌ وwَْ.ًٌ بدست آمده است.
توانهای بازگشتی لیزر در سه حالت پمپ کوچک هستند وتفاوتهای آَشکاری ندارند اما توانهای مستقیم لیزر دارای توزیع توان مختلفی هستند. در حالت پمپ مستقیم، توان لیزر به سرعت افزایش مییابد و توان بالا را در اکثریت طول فیبر حفظ میکند. در حالت پمپ بازگشتی توان لیزر به آرامی افزایش مییابد و توان کم را در اکثریت طول فیبر حفظ میکند. در حالت پمپ ترکیبی، توانلیزر بهطور یکنواخت افزایش مییابد. توان مستقیم لیزر با صرف-نظر از اتلاف پراکندگی Ps - z - بزرگتر از توان مستقیم لیزر با درنظرگرفتن اثرات پراکندگی Pss - z - است. همچنین بیشترین و کمترین توان خروجی بهترتیب در حالت پمپ بازگشتی و پمپ مستقیم بدست آمده است.
از معادله 10 درمیابیم که Pss - z - با Bs - z - کاهش مییابد. اتلاف پراکندگی لیزر As - z - در حالت پمپ مستقیم نسبت به دو حالت
