بخشی از مقاله
چکیده – در این تحقیق، اثرات حرارتی بر روي یک بلور لیزر Nd:YAG که تحت دمش عرضی توسط لامپ درخشی و در رژیم تپی قرار گرفته به صورت تجربی مطالعه شده است. مقادیر فاصلهي کانونی مربوط به پدیدهي عدسی گرمایی وابسته به توان دمشی و بسامد دمش با استفاده از روش تداخل سنجی تعیین گردیدهاست. نتایج به دست آمده، از متناسب بودن فاصلهي کانونی با عکس توان حکایت میکند. همچنین ما تغییر انحناي سطوح انتهایی به صورت تحول نقش تداخلی مربوطه را مورد بررسی قرار دادیم.
-1مقدمه
لیزرهاي حالت جامد لیزرهایی هستند که محیط فعال آنها از یک مادهي جامد بلورین یا غیر بلورین تشکیل شده است. نمونهاي از این لیزرها، لیزر Nd:YAG میباشد. بلور YAG داراي ویژگیهاي حرارتی، مکانیکی و اپتیکی است که تغییرات شدیدي نسبت به دما دارند .[1] دمش این لیزرها معمولا به صورت اپتیکی و توسط لامپ درخشی یا لامپهاي قوسی انجام میشود ولی در سالهاي اخیر از لیزرهاي دیودي نیز براي دمش استفاده میشود .[2]
دمش محیط فعال، به دلیل عواملی مانند نقص کوانتومی و فرایندهاي غیر تابشی بین تراز لیزري و سایر ترازها، باعث تولید گرما میگردد. وجود گرادیان گرما اثرات حرارتی مانند عدسی شدگی و دو شکستی شدن بلور را ایجاد کرده و در نتیجه بازده خروجی را کاهش میدهد .[3] مطالعهي این اثرات یکی از مباحث مهم در لیزرهاي پرتوان میباشد. در این مقاله، یک بلور Nd:YAG را که تحت دمش عرضی توسط لامپ درخشی و در رژیم تپی قرار دارد، مطالعه کرده و فاصلهي کانونی عدسی گرمایی ایجاد شده را به صورت تجربی و با استفاده از روش تداخل سنجی تعیین میکنیم و اثرات انتهایی یعنی تغییر انحناي سطوح انتهایی را نیز نشان میدهیم.
-2 تئوري
تولید گرما در اثر دمش در مادهي فعال لیزر و خنک سازي آن با جریان سیال، گرادیان دمایی در داخل بلور ایجاد میکند. با گذشت زمان، مقدار گرمایی که در بلور ایجاد میشود با مقدار خروجی آن مساوي شده و حالت پایدار حاصل میشود. توزیع دماي حالت پایدار در حالت کلی با معادلهي سه بعدي پواسون توصیف میگردد .[4] با در نظر گرفتن تقارن محوري براي میلهي لیزري استوانه- اي و با فرض هدایت گرمایی ثابت، معادله پواسن به شکل زیر درمیآید. در این رابطه، q - r.z - منبع چگالی گرمایی و - K - T هدایت گرمایی ماده فعال میباشند. در بلورهایی با افزایش دماي متوسط، مانند Nd:YAG، معمولا مقدار K ثابت فرض میشود. همچنین، اگر لامپ درخشی گرماي یکسانی را در طول بلور ایجاد کند - عدم وابستگی طولی - و بلور از دو انتها خنک نشود، این گرادیان دمایی فقط در راستاي شعاعی خواهد بود. با حل یک بعدي معادلهي - 1 - و با فرض اینکه آهنگ تولید گرما ثابت است، توزیع دما به شکل زیر در می آید،
که در آن r0 شعاع میلهي لیزري است. توزیع دمایی، وابستگی درجهي 2 به شعاع دارد و ضریب شکست ماده را تغییر میدهد. در حالت پیوسته کار - cw - نیز، ضریب شکست، تابعیت درجهي 2 شعاعی دارد .[3] چنین محیطی به صورت یک عدسی عمل میکند. به این پدیده عدسی گرمایی گفته میشود. در حالت تپی، معادلهي حرارت به زمان نیز وابسته است و حل معادلهي زیر توزیع دمایی را مشخص میکند، که در آن γ چگالی جرمی و c ظرفیت گرمایی است.[5] توزیع دماي غیر یکنواخت تنشهاي حرارتی در داخل ماده ایجاد میکند و در راستاي محور z طول میله را افزایش میدهد. چون این تنش تابعی از r 2 است، طول میله با رابطه زیر تغییر میکند. در این رابطه، α0 ضریب جذب ماده میباشد. بنابراین تغییر طول میله یکنواخت نبوده و سطوح انتهایی انحنا پیدا میکنند که به این پدیده، اثرات انتهایی میگویند.
-1-2 نتایج تجربی براي عدسی گرمایی
میلهي لیزري به کار رفته در این مطالعه، یک میلهي استوانهاي Nd:YAG به طول 114 میلیمتر و قطر 7 میلیمتر میباشد. این میله توسط فلاش لامپ تحت بسامد هاي 1، 5، 10و 20 هرتز، در محدودهي 700-300 ولت مورد دمش قرار گرفته است. روش مورد استفاده براي اندازهگیري اثرات حرارتی، تداخل سنجی است. چیدمانی که براي اندازه گیري فاصلهي کانونی استفاده شده، تداخل سنج ماخ زنر میباشد - شکل . - - 1 -
شکل - - 1 - چیدمان ماخ زنر براي اندازهگیري تغییرات ضریب شکست و فاصلهي کانونی. میلهي لیزري تحت دمش در یک بازو و میلهي مقایسهاي در بازوي موازي آن قرار میگیرد. لیزر 5 He-Ne میلی وات با طول موج 632/8 nm به عنوان نور کاوشگر استفاده شده است. اندازهگیري بین دو میله، هم زمان و پویا است. با شمارش تعداد خطوط جابجا شده و محاسبه- ي اختلاف راه نوري، میتوان تغییر در ضریب شکست را از رابطهي زیر محاسبه کرد، که در آن، l طول میله لیزري، n تغییر در ضریب شکست ناشی از حرارت و OPL تغییرات راه نوري هستند. با استفاده از روابط - 5 - و - 6 - ، میتوان فاصلهي کانونی عدسی گرمایی ایجاد شده را محاسبه کرد. در این روابط، r شعاع ، ft فاصله کانونی عدسی گرمایی و λ طول موج لیزر He-Ne میباشند. با توجه به اینکه توان تابع ولتاژ و جریان بوده و از طرفی جریان در این سیستم منبع تغذیه ثابت میباشد لذا توان رامیتوان تنها تابع ولتاژ اعمالی در نظر گرفت. اندازه گیريها در شعاع r
