بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله عاملها و ملاحظاتی که در طراحی تزویج نور لیزر به فیبر مؤثر هستند، مورد بررسی و تحلیل نظري قرار گرفتهاند. میزان ضریب تزویج و بازدهی دیود لیزري توان بالا در اتصال مستقیم به فیبرهاي مختلف بررسی شدهاست. یکی از مهمترین و مؤثرترین عاملهاي کاهش بازدهی تزو یج، ابیراهی کروي است که به هنگام استفاده از عدسی در سر فیبر ظاهر میشود. این عامل براي یک عدسی مسطح محدب مورد بررسی قرار گرفته است. بهطورکلی عاملهایی مثل قطر مغزي، گشودگی عددي فیبر، انرژي هر پالس، درخشندگی نور لیزر و قطر باریکه لیزر و واگرایی آن داراي اهمیت هستند که هرکدام از آنها نقش مهمی را در تزویج بهینه نور لیزر به فیبر ایفا میکنند که در این مقاله برخی از آنها مورد تحلیل و ارزیابی قرار گرفتهاند.
براي ارائه جزییات شرح سیستم انتقال نور از یک لیزر به فیبرنوري و سپس از فیبر به محل مورد نظر، باید به سه نکته مهم یعنی محیط انتقال - فیبرنوري - ، مسائل مربوط به مکانیزم تزویج نور و ویژگیهاي تابندگی لیزر توجه داشت. از میان این سه نکته، محیط انتقال از ویژگیهاي خاصی برخوردار است زیرا باید نور را بدون تضعیف به محل مورد نظر انتقال دهد. نکته دوم این که ادوات تزویج باید کارا، مورد اطمینان و به سادگی قابل تنظیم باشند. تا آنجایی که به خروجی محیط انتقال یعنی فیبرنوري مربوط میشود، فرایند تزویج نور لیزر به فیبر باید طوري انجام شود تا هیچ تغییري در مشخصه نور لیزر رخ ندهد. در تزویج نور لیزر به فیبرنوري مواردي از جمله همراستایی لیزر و فیبر، میزان ضریب تزویج اتصال مستقیم فیبر به دیود لیزري، استفاده از عدسی مناسب براي بهینهسازي تزویج، اثر طول پالس، قطر مغزي فیبر، اثر درخشندگی و گشودگی عددي باید مورد توجه قرار گیرند تا یک تزویج مطلوب به دست آید.
-2 همراستایی لیزر و فیبر
عدم همراستاییهاي مختلف باعث تزویج ناقص نور لیزر به درون فیبر و در نتیجه باعث تلفات در تزویج و کاهش بازدهی آن میشود. همراستایی در اتصال فیبر و لیزر در دو مرحله انجام می شود. ابتدا، نور به داخل فیبر گسیل شده و همراستایی اولیه انجام میشود و سپس با تنظیم دقیقتر همراستایی بین فیبر و لیزر در یک محور مشترك براي تزویج بیشینه نور از لیزر به فیبر، تنظیم نهایی صورت میگیرد. براي همراستایی اولیه، معمولاً از الگوریتم از نوع "جستجوي تدریجی" استفاده میشود؛ که البته مشکلات عملی متعددي را بههمراه دارد .[1] در این روش توان نور رسیده به فیبر باید داراي توزیع گوسی تک قله کامل باشد و این زمانی محقق میشود که فاصله بین فیبر و لیزر نسبتاً کوتاه باشد. دیگر اینکه بهدلیل وجود نسبت نوفه به سیگنال بزرگ در توانهاي نوري پائینتر، قبل از شروع روش معمول جستجوي تدریجی، معمولاً نیاز به همراستایی اولیه است تا به آستانه توان بالا برسد. این امر فرایند همراستایی را طولانی میکند.
در روش جدیدي موسوم به روش اندازه لکه، زمان کل هم راستا کردن فیبر با لیزر بهطور قابل توجهی کاهش مییابد، .[2] در این روش چون اندازه لکه تابعی تقریباً خطی از فاصله z بین لیزر و فیبر است، میتوان با اندازهگیري اندازه لکه در دو صفحه مختلف، نوك فیبر را به سرعت از صفحه اي در میدان دور به صفحهاي در نزدیکی مکان بهینه به نام کمر یکسان باریکه، مطابق شکل - 1 - منتقل کرد. با در دست داشتن این صفحه، بهطور موثرتر میتوان همراستایی نهایی را انجام داد و به نقطه بهینه رسید. پهناي کمر باریکه لیزر بهصورت تابعی از فاصله انتشار z در امتداد محور نوري بهصورت رابطه زیر بیان میشود که w0u اندازه لکه درz=0، n ضریب شکست محیط و λ طول موج نور لیزر است.
شکل :1 نمایهاي از باریکه لیزر در امتداد محور z و موقعیت نوك فیبر به سمت کمر یکسان باریکه.
در شکل - 2 - از یک دیود لیزري با w0x=6 µm و w0y=1/25µm و طول موج λ=980nm استفاده شده است. نقطه برخورد دو منحنی محلی است که قطر میدان مد لیزر در دو امتداد x و y با هم برابرند، که با قرار دادن این مقدارها در - 1 - ، این نقطه در فاصله z ≈ 24 حاصل میشود. در مقایسه با [2]، تنها 10µm تا مکان بازدهی بیشینه تزویج - مکان بهینه - فاصله دارد. مشاهده میشود که اندازه لکه نسبت به فاصله بین لیزر و فیبر بهصورت خطی تغییر میکند. با افزایش فاصله، قطر میدان مد لیزر نیز افزایش مییابد.
شکل :2 تغییرات اندازه لکه نسبت به فاصله بین فیبر و لیزر. -3 میزان ضریب تزویج فیبر به دیود لیزري در حالت کلی پرتو گسیل شده از لیزر، توزیع گوسی بیضوي دارد که با استفاده از انتگرال پراش فرنل میدان دور آن به صورت رابطه زیر بهدست میآید :[3] که در آن wx و wy شعاعهاي میدان مد پرتو لیزر بهترتیب در دو جهت موازي و عمود برصفحه پیوند و Rx و Ry شعاعهاي خمیدگی جبهه فاز در دو جهت مذکور هستند که در فاصله z نسبت به سطح لیزر اندازهگیري میشوند. با تجزیه این میدان به حاصلضرب دو تابع از مختصه x , y و تقریب زدن میدان فیبر تکمد با یک پرتو گوسی دایروي و بهنجار کردن این دو میدان، ضریب تزویج C0 هم به حاصلضرب دو ضریب تبدیل میشود :[3] با جایگزینی y بهجاي x، ضریب Cy هم با روش مشابه به دست میآید.
براي بازدهی بیشتر تزویج، مخرج کسر رابطه فوق باید ICOP 2007, 6-8 February 2007, ITRC تحلیل پارامترهاي اثرگذار بر تزویج نور لیزر به فیبرنوري شکل : - 3 - تغییرات ضریب تزویج بر حسب فاصله بین لیزر و فیبر با - الف - wf =2/6 m و - ب - .wf = 4/6 m حداقل شود و این امر وقتی امکانپذیر است که Rx→∞ و Ry→∞، بنابراین براي تحقق این شرط، سطح لیزر و فیبر باید برهم منطبق باشند و شرط wx = wy = wf نیز برقرار باشد. مفهوم شرط اخیر آن است که پرتو لیزر دایرهاي بوده
æ قطر آن با قطر میدان مد فیبر برابر باشد. در اینصورت مقدار بازدهی تزویج واحد میشود. با افزایش فاصله بین لیزر
æ فیبر، مقدار بازدهی کاهش مییابد.
بازدهی تزویج بهصورت تابعی از فاصله z بین لیزر و فیبر، براي دو فیبر با wf =2/6 m و wf =4/6 m در شکل - 3 - ترسیم شدهاند که wf قطر میدان فیبر است. در این دو شکل، طول موج برابر 1/3 میکرومتردر نظر گرفته شده است. همچنین فرض شده که شعاع میدان مد لیزر داراي تقارن دایروي است، یعنی .ws=wy=w0 شکل - 3 - نشان میدهد که با افزایش z، بازدهی تزویج کاهش مییابد. علت کاهش بازدهی بهدلیل این است که با افزایش فاصله، میزان عدم تطبیق بین پرتو لیزر و میدان مد فیبر که یکی از عوامل مؤثر در تلفات تزویج است، افزایش مییابد. از سوي دیگر، در میان چهار شعاع میدان مد لیزر انتخاب شده، شعاع w0=1/5 m بهدلیل نزدیکتر بودن به wf داراي بیشترین بازدهی است؛ در واقع با افزایش w0 بهدلیل نزدیک شدن به شعاع میدان مد فیبر و در نتیجه کم شدن میزان عدم تطبیق، میزان ضریب تزویج نیز افزایش مییابد .[4]
-4 استفاده از عدسی براي بهینهسازي تزویج بهکمک عدسیها میتوان باریکه واگرا شده لیزر را متمرکز کرد تا بازدهی تزویج افزایش یابد. عدسی استوانهاي تا %34، عدسی کروي تا %55 و عدسی مسطح محدب تا %72 مقدار بازدهی را افزایش میدهند .[4]
عدسیها عملاً آرمانی نبوده و همواره داراي مقداري ابیراهی هستند. پرتوهائ فرودي به عدسی با زاویههاي مختلف در نقاط مختلف کانونی میشوند. ابیراهیکروي مهمترین عامل کاهش بازدهی تزویج است و هرچه انحنا بیشتر باشد میزان آن نیز افزایش مییابد. یکی از عدسیهاي مطلوب براي کاهش ابیراهی، عدسی مسطح محدب است. همینطور می توان از میکروعدسیها در انتهاي فیبر، بهدلیل انحناي کم آنها، براي افزایش بازدهی تزویج استفاده کرد. بازدهی تزویج این عدسیها نسبت به عدسیهاي مجزا، بالاتر است. براي تزویج بیشینه نور به فیبر، باید از عدسی با قطر بزرگ تري استفاده کرد و طبق رابطه f # = f /2a، مقدار f # کوچکتر میشود. بنابراین اندازه لکه باریکه گوسی لیزر مطابق رابطه زیر کاهش مییابد :[5]
با توجه به رابطه f #= 1/2NA، نحوه تغییرات اندازه لکه با گشودگی عددي بر حسب طول موجهاي مختلف در شکل - 4 - نشان داده شده است.
شکل :4 تغییرات اندازه لکه برحسب گشودگی عددي براي باریکه گوسی. در یک طولموج معین، با کاهش f #، اندازه لکه کوچکتر
