بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله، توان دمشی شکست یک فیبر لیزر Yb:YAG محاسبه میگردد. فیبر بهصورت تک غلاف بوده و از یک هسته تشکیل شده است و هسته آن تحت دمش طولی گوسی قرار میگیرد. دمای فیبر توسط یک سیال خنک کننده، که روی غلاف جریان دارد، تعدیل شده است. جهت محاسبه توان شکست، توزیع دما و تنش در این فیبر لیزر توسط روش المان محدود ترکیبی حرارتی و سازهای تعیین می گردد.
بدین منظور ابتدا با توجه به حرارت جذبشده، توزیع دما در محیط بلور بهدست آمده و سپس با توجه به گرادیان حرارتی محاسبه شده، توزیع تنش در غلاف و هسته فیبر توسط محیط نرمافزاری انسیس تعیین میشود. نتایج بهدستآمده حاصل از این تحلیل نشان میدهد که این فیبر لیزر در توان 10 وات به دمای 360 درجه کلوین رسیده و بیشینه تنش فشاری 262 مگاپاسکال در آن ایجاد میشود که این تنش بیشتر از تنش شکست بلور است، بنابراین توان 10 وات، توان شکست این بلور میباشد.
.1 مقدمه
حوزه فیبر لیزر در سال 1961 تقریباً در زمان پیشرفت اولین لیزر حالت جامد یا همان لیزر یاقوت به وجود آمد چند سال بعدازآن، اسنیترز در سال 1964 ، توانست آزمایشهایی بر روی نوسان کننده لیزر فیبر انجام دهد. این آزمایشها نشان داد که با افزایش ابعاد فیبر، میتوان تقویتکنندههای فیبر لیزر را بهبود بخشید .[
در ادامه تحقیقات بسیار مهمی بر روی فیبر لیزرها انجام شد، اما این تحقیقات مصادف بود با پیشرفت چشمگیر درزمینهی لیزرهای فعال، مانند بلورهای لیزری و لیزر مایع که موجب شد که فیبر لیزر کمتر موردتوجه قرار گیرد. از سال 1980 تا 1990 سال شکوفایی دوباره فیبر لیزرها بود؛ که این دهه را تولد دوباره فیبر لیزرها مینامند. فیبر لیزر دارای هستهای با ماده فعال میباشد که درون یک پوشش اپتیکی قرارگرفته است .[3] اولین گزارش در مورداستفاده از یونهای نادر خاک در فیبر لیزر در سال 1980 ارائه گردید .
با پیشرفت تکنولوژی ساخت فیبر لیزر، امروزه توان خروجی این ابزار به کیلووات رسیده است .[5] فیبر لیزرها کاربردهای فراوانی در تجارت، صنایع نظامی، چاپگرهای حرارتی، جوشکاری، علامت گذاری - marking - ، کاربردهای پزشکی و سنجش از راه دور دارند
این لیزرها در مقایسه با لیزرهای جامد و گازی به خاطر نسبت حجم به سطح بالایی که دارند سریعتر خنک میشوند. در حالت کلی گرمای تولیدشده در لیزر فیبرها دو اثر باقی میگذارد که عبارتاند از پاشیدگی گرمایی - عدسی شدگی گرمایی - و تنش گرمایی
برای داشتن محیط تقویتکننده نور، باید وارونگی جمعیت ایجاد شود؛ یعنی فرآیند برهمکنش برخلاف توزیع آماری بولتزمن ظاهر گردد. به فرآیندی که وارونی جمعیت را برای رسیدن به حالت نوسان لیزری آماده میکند، دمش یا پمپزنی می گویند. دمش در لیزرهای جامد به دو صورت اپتیکی، توسط فلش لامپها و لیزر دیودها انجام می پذیرد .
دمش توسط لیزر دیود به دو حالت دمش عرضی و طولی انجام میپذیرد. در میان این دمش ها، مطابق با شکل زیر، دمش طولی لیزر بهصورت موازی با طول بلور ساطع میشود. به دلیل ساختار فشرده و اثرات حرارتی، توان خروجی در دمش طولی کمتر از حالت دمش عرضی است؛ اما به دلیل کیفیت پرتوی خروجی و تحریک مود اساسی، دمش طولی در لیزرهای دیودی پرکاربرد است
این پژوهش ها بهمنظور دستیابی به لیزرهایی با توان بالا و کیفیت مناسب می باشد. در مطالعات پیشین ظرفیت توانی و اثرگذاری حرارت روی کیفیت پرتو موردمطالعه قرارگرفته است که در این زمینه، فعالیتهایی روی لیزرهای حالت جامد انجامشده است.
اگلستون و همکاران با در نظر گرفتن یک پرتوی زیگزاگی در محیط بلور Nd:Glass که به دو صورت میلهای و برهای ساختهشده است، به مطالعه آثار حرارتی و تنشی پرداختند. سپس با توجه به میزان تنش شکست در ماده، بیشترین مقدار توان لیزر را محاسبه نموده و درنهایت عدسی شدگی و پدیده دوشکستی ایجادشده در بلور بررسی گردید.
ژی ما و همکاران توزیع دما و تنش در بلور برهای Nd:YLF را که تحت دمش پیوسته و پالسی طولی قرار دارد را محاسبه نمودند و نشان دادند که در حالت پالسی، آثار گرمایی ایجادشده در بلور بسیار مخربتر از حالت دمش پیوسته است.
بابایی و همکاران توزیع تنش و حرارت بلور برهای Nd:YAG را که تحت دمش طولی پیوسته و پالسی قرار دارد، به روش المان محدود تعیین نمودند. روش المان محدود در محیط نرم افزاری انسیس به کار گرفتهشده است. بیشترین مقدار مجاز توان دمش با استفاده از معیار فون میزس در دو حالت دمش پیوسته و دمش پالسی بهدستآمده و باهم مقایسه شده است.
نتایج نشان میدهد که در حالت دمش پیوسته دما در کمتر از یک ثانیه به حالتپایا میرسد. همچنین دمش پالسی دارای بیشینه توان مجاز بزرگتری نسبت به دمش پیوسته است. لیو و همکاران [13] رابطهای برای فاصله کانونی در لیزرهای میلهای تحت دمش عرضی به دست آورده و نتایج حاصل را با نتایج رابطه کوچنر [14] مقایسه نمودند.
صبائیان و همکاران اثر غیریکنواختی دما و تنش گرمایی را در بلور لیزر Nd:YAG تحت دمش پرتوهای گوسی بررسی کردند. در این پژوهش ابتدا معادله کلی گرما بهصورت عددی بررسیشده و سپس تنش گرمایی بهدستآمده و با توجه به مؤلفههای تنش و توزیع دما، ضریب شکست بهصورت تانسور محاسبه گردیده است. این تانسور از دو قسمت همسانگرد ناشی از غیریکنواختی توزیع دما و قسمت ناهمسانگردی ناشی از تنش گرمایی تشکیلشده است.
کریمی و همکاران اثر ضریب بازتاب آینه ها در توان خروجی لیزر فیبر ایتربیومی دو غلافه را موردمطالعه قراردادند. در پژوهش مذکور، اثر آینههای ورودی و خروجی در توان خروجی لیزر موردمحاسبه قرار گرفت. نتایج نشان می دهد که افزایش بازتاب آینه ورودی، موجب بالا رفتن توان خروجی لیزر میشود و همچنین در این پژوهش ناحیهای، با ضریب بازتاب آینه مناسب معرفیشده است که در این ناحیه، بازتاب از آینه با توان خروجی ثابت در فیبر لیزر انجام میشود.
نادگران و همکاران اثر غیریکنواختی و دوشکستی گرمایی-القایی در لیزر فیبر استوانهای با توان بالا در بلور Yb:Glass را موردبررسی قراردادند. در این پژوهش، نتایج نشان داده است که پاشیدگی گرمایی و تنش گرمایی ناشی از گرادیان دما باعث تغییرات اساسی در مودهای خروجی لیزر میشود بهطوریکه این شکل پرتوها از حالت استاندارد خارجشده و بر کیفیت پرتو تأثیر می گذارد.
هدف از این پژوهش تحلیل ترمومکانیکی فیبر لیزر تک غلاف تکهستهای و محاسبه توان شکست دمشی آن میباشد. فیبر تحت دمش طولی پیوسته گوسی قرار داشته و اطراف غلاف آن توسط سیال خنک میگردد. در همین راستا با در نظر گرفتن دمش پیوسته، جذب حرارت در هسته فیبر محاسبه شده و توزیع حرارت با استفاده از روش المان محدود - در محیط نرمافزار انسیس - تعیین می شود. در ادامه با توجه به تحلیل حرارتی انجام شده، توزیع تنش حرارتی نیز در نرم افزار برای توانهای مختلف دمشی محاسبه گردیده و توان شکست فیبر به دست میآید.
.3تئوری مدل سازی
مطابق با شکل1 در مدلسازی فیبر لیزر تک غلافه، ابتدا فیبر بهصورت تکهستهای در نظر گرفته میشود. در این مدل، طول بلور فیبر لیزر 10cm، قطر هسته 20μm و قطر غلاف 200μm لحاظ می گردد. به دلیل تقارن، بارگذاری و شکل فیبر بهگونهای است که میتوان بهجای مدل کامل، از مدل یکچهارم استفاده نمود. درنتیجه آنالیز حرارتی و تنشی نیز روی مدل یک چهارم و با در نظر گرفتن شرایط بارگذاری متقارن انجام میپذیرد. در این شرایط روی صفحات تقارنی شار حرارتی و جابهجای عمود بر صفحه صفر در نظر گرفته میشود. دمش که به بلور داده میشود از جنس طولی بوده و در راستای محور اپتیکی بلور - طولی - ، توسط لیزر دیودی پیوسته اعمال میشود. در دمش انجامشده توزیع شدت پرتوهای واردشده بهصورت گوسی میباشند.
شکل -1 فیبر لیزر Yb:YAG تک غلاف با یک هسته.
بهمنظور کاهش اثرات حرارتی، سطح جانبی غلاف توسط سیالی با دمای 291K و ضریب همرفت بسیار بالا خنک میشود. ازاینرو دمای سطح جانبی استوانه غلاف، همان دمای سیال فرض می گردد. همچنین با توجه به کوچک بودن سطوح ورودی و خروجی دمش، انتقال حرارت در این سطوح صرفنظر شده و شرط مرزی جابجایی گیردار، برای صفحه ورودی بلور در نظر گرفته میشود
در جدول1 مشخصات فیزیکی بلور فیبر لیزر Yb:YAG بیانشده است. با توجه به مشخصات جدول مربوطه تحلیل حرارتی و تنشی بلور انجام می گیرد.
