بخشی از مقاله
چکیده -
در سالهای اخیر تلاشهای زیادی برای دستیابی به لیزرهای پیوستهی توان بالا، از مرتبهی دهها کیلووات و بیشتر انجام گرفته است. چالش اساسی در چنین مقیاسهایی، قرار گرفتن کیفیت پرتو، نزدیک حد پراش است. در این مقاله، ترکیب همدوس پرتوها برای سه باریکهی لیزری، شبیهسازی شده است.
این شبیه سازیها با نتایج تجربی بهدست آمده در آزمایشگاه مقایسه شدهاند و با یکدیگر در تطابق کامل هستند. در چیدمان آزمایشگاهی، فاز شاخهها به صورت فعال با استفاده از مدولاتور فاز قابل کنترل، با یکدیگر قفل شده که در کشور برای اولین بار انجام شده است. در سیستم کنترلی، از الگوریتم SPGD برای اعمال بازخورد تغییرات فاز در مدولاتورهای فاز استفاده شده است. این سیستم کنترلی، فاز پرتوها را به گونهای تغییر میدهد که لکهی مرکزی در طرح میدان دور ثابت مانده و دارای بیشینه توان ممکن شود.
مقدمه
در سالهای اخیر نیاز روز افزونی به لیزرهای توان بالا، همراه با کیفیت پرتو نزدیک به حد پراش به وجود آمده است. با توجه به محدودیت افزایش توان لیزرهای تک-مد، دستیابی به لیزرهای پرتوان را میتوان از طریق ترکیب چند لیزر تک-مد با توان چند کیلووات، محقق نمود .
برای این منظور از دو روش ترکیب غیرهمدوس و همدوس پرتوها میتوان استفاده کرد و به توانهای چند ده کیلووات رسید. روش ترکیب همدوس با توجه به تولید نور خروجی با درخشندگی متناسب با توان دوم تعداد پرتوهای ترکیب شده، مزیت بسیاری نسبت به ترکیب غیرهمدوس پرتوها دارد.[1] در این مقاله سیستم ترکیب سه پرتو لیزری، به صورت همدوس فعال بررسی شده است. با افزایش توان هر شاخه و همچنین تعداد شاخهها، از این روش میتوان برای تولید لیزرهای پرتوان با کیفیت پرتو عالی، استفاده کرد.
در ادامهی مقاله بهترتیب، مبانی و روش ترکیب همدوس پرتوها به صورت فعال، روابط مورد استفاده برای شبیهسازی، توضیح چیدمان آزمایشگاهی و بررسی و نتایج بدست آمده، آورده شده است.
مبانی و روش
در ترکیب همدوس پرتوها به صورت فعال، تعداد N پرتو لیزری باهم ترکیب میشوند. در این روش یک چشمهی لیزری، با همدوسی بسیار بالا، به N شاخه تقسیم شده و توان هر شاخه، با استفاده از سیستم تقویتکننده، افزایش می یابد. خروجی تقویتکنندهها به صورت اپتیکی ترکیب شده و یک طرح تداخلی در میدان دور ایجاد میکنند.
یک سیستم کنترل فاز فعال به کمک تعدادی مدولاتور فاز که در تکتک شاخهها قرار داده شده است، فاز پرتوها را به گونهای کنترل و تصحیح میکند، که لکهی مرکزی در طرح تداخلی میدان دور، دارای بیشینه توان ممکن گردد و در نهایت یک سیستم لیزری با درخشندگی بالا ایجاد شود. این درخشندگی برای سیستم همدوس فعال، با توان دوم تعداد پرتوهای لیزری همدوس ترکیبشده - N2 - متناسب است. از ملزومات اساسی برای ترکیب همدوس پرتوها با بهرهی بالا، همدوسی فضایی و زمانی تکتک پرتوها با یکدیگر است. بدین منظور لیزرها باید جور-شدگی فضایی مدی داشته و همراستا شده باشند، توان تقریبی یکسان و راه نوری هم اندازه داشته باشند و فاز لیزرها با دقت زیاد با یکدیگر قفل شده باشد.
یکی از روشهای کاربردی، برای همفاز کردن پرتوها، بیشینهکردن توان لکهی مرکزی پرتوهای ترکیبشده در میدان دور با استفاده از الگوریتم Stochastic - SPGD - Parallel Gradient Descent است. در این روش، فاز کلیه پرتوها به صورت تصادفی و همزمان به میزان کمی تغییر داده میشود، سپس اثر این تغییر در میدان دور اندازهگیری میگردد. متناسب با تغییر ایجاد شده در میدان خروجی، تغییر فاز تکتک پرتوها به صورت بهینه تعیین میشود. این روش که به SPGD معروف است، به تدریج به سمت بیشینه کردن توان لکهی مرکزی و همفاز کردن پرتوها، پیش میرود
1؛-1 فرمولبندی ریاضی
برای محاسبهی طرح تداخلی میدان دور یک آرایه از پرتوها که کنار یکدیگر قرار داده شدهاند، از معادلهی انتشار میدان پرتو گاوسی u ، در دستگاه مختصات استوانهای - r, z - استفاده میکنیم
که i شمارنده روی تعداد پرتوهای ترکیب شده است. لازم به ذکر است که برای بدست آوردن طرح توزیع میدان دور، از تبدیل فوریهی معادله 3 استفاده میگردد.
2؛-1 چیدمان آزمایشگاهی
در چیدمان اپتیکی طراحی شدهی برای ترکیب همدوس پرتوها، از لیزر تزویج شده به فیبر با طولموج 1064 نانومتر و پهنای طیفی -30مگاهرتز به عنوان چشمه ی لیزری استفاده شده است. جهت محافظت از چشمهی لیزری در مقابل نور برگشتی، از یک ایزولاتور فیبری، استفاده شده است. بعد از ایزولاتور یک تقسیم کننده ی فیبری 70/30 قرار گرفته و شاخهی قویتر با یک تقسیمکنندهی 50/50مجدداً به دو بخش تقسیم شده است. بدین ترتیب سه پرتو همدوس با اختلاف راههای مختلف که بهصورت تقریبی دارای توان یکسانی هستند خواهیم داشت. طرحوارهی این چیدمان در شکل 1 آورده شده است. جهت کنترل فاز پرتوها، بعد از تقسیمکنندهی 50/50، در دو شاخه، مدولاتور فاز فیبری قرار داده میشود.
برای ترکیب پرتوها در این گزارش، از روش ترکیب پهلوبه پهلو - - Tiled استفاده شده است. در این روش پرتوها، با استفاده از منشورهای راستگوشه، در نزدیکترین فاصله ممکن از یکدیگر قرار میگیرند. سپس پرتوها را برای همپوشانی مناسب در میدان دور دقیقاً همجهت کردهایم. فاصلهی بین پرتوها در میدان نزدیک برابر با -8میلیمتر از یکدیگر است. برای مشاهدهی طرح تداخلی در میدان دور، از یک چیدمان اپتیکی شامل دو عدسی استفاده کرده و آشکارساز را در کانون عدسی، قرار دادهایم.
شکل :1 طرح واره ی چیدمان ترکیب همدوس سه پرتو
3؛-1 بررسی و نتایج
برای مقایسه بهتر نتایج بدست آمده، از شبیهسازی همین چیدمان در میدان دور استفاده کردهایم. در شکل 2، سه پرتو همدوس موازی که دوبهدو در فاصله -8میلیمتر از یکدیگر قرار دارند، به همراه شبیهسازی طرح تداخلی حاصل از ترکیب این سه پرتو در میدان دور و طرح تداخلی دیده شده در آشکارساز با استفاده از چیدمان آزمایشگاهی، آورده شده است. همانطور که دیده میشود این دو طرح در تطابق کامل با یکدیگر قرار دارند.
شکل :2 نمای سه پرتو لیزری موازی همدوس با فاصله -8میلیمتر بین مرکز پرتوها - طرح میدان نزدیک - - الف - و طرح تداخلی بدست آمده در میدان دور، از ترکیب این سه پرتو لیزری در شبیهسازی - ب - و تشکیل شده روی آشکارساز - ج - با کنترل فعال فاز.
برای کنترل فعال فاز، در دو شاخه از مدولاتور فاز متصل به یک سیستم کنترل فاز - که در این گروه طراحی و ساخته شده - استفاده شده است.
