بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، اثرات حرارتی بر روی یک بلور لیزر Nd:YAG که تحت دمش عرضی توسط لامپ آذرخش و در رژیم تپی قرار گرفته به صورت تجربی مطالعه شده است. توزیع دمایی وابسته به زمان و در داخل بلور لیزری با استفاده از روش تداخل سنجی تعیین گردیدهاست.نتا یج بدست آمده از متفاوت بودن دما در نقاط مختلف میله لیزری حکایت میکند این توزیع دمایی به زمان نیز وابسته است و در این تحقیق ما اختلاف دمایی ایجاد شده در نقاط مختلف بلور را در زمان دمش و بلافاصله بعد از قطع دمش را بدست میآوریم.
کلمات کلیدی: اختلاف دمایی ،تداخل سنج ماخ-زنر، Nd:YAG
مقدمه
لیزرهای حالت جامد با کیفیت باریکه ی خوب کاربردهای فراوانی در صنعت، فعالیتهای نظامی، پزشکی و تحقیقات علمی دارند. گرادیان گرمایی ایجاد شده در داخل بلور باعث کاهش کیفیت باریکه خروجی لیزر، تغییر پایداری مشدد و کاهش راندمان عملکرد لیزر میشود. بنابراین اثرات حرارتی، عملکرد لیزرهای حالت جامد را به طور قابل ملاحظه ای پایین می آورد. محاسبه دقیق این اثرات برای طراحی یک لیزر ضروری است .[1 ] در این مقاله اثرات حرارتی در بلور لیزری Nd:YAG مورد بررسی قرارمیگیرد. بلور YAG دارای ویژگیهای حرارتی، مکانیکی و اپتیکی است که تغییرات شدیدی نسبت به دما دارند.[2 ] دمش این لیزرها معمولا به صورت اپتیکی و توسط لامپ آذرخش یا لامپ های قوسی انجام میشود ولی در سالهای اخیر از لیزرهای دیودی نیزبرای دمش استفاده می شود .[3 ]
دمش محیط فعال، به دلیل عواملی مانند نقص کوانتومی و فرایندهای غیر تابشی بین تراز لیزری و سایر ترازها، باعث تولید گرما می گردد .[4]تولید گرما در اثر دمش درمادهی فعال لیزر و خنک سازی آن با جریان سیال،گرادیان دمایی در داخل بلور ایجاد می کند. در این تحقیق، اثرات حرارتی بر روی یک بلور لیزر Nd:YAG که تحت دمش عرضی توسط لامپ آذرخش و در رژیم تپی قرار گرفته به صورت تجربی مطالعه شده است. توزیع دمایی وابسته به زمان در داخل بلور لیزری با استفاده از روش تداخل سنجی تعیین گردیده است.نتا یج بدست آمده از متفاوت بودن دما در نقاط مختلف میله لیزری حکایت میکند این توزیع دمایی به زمان نیز وابسته است و مانموداراختلاف دمایی ایجاد شده در نقاط مختلف بلور را در زم ان دمش و بلافاصله بعد از قطع دمش را بدست میآوریم.
تئوری
تولید گرما در اثر دمش درماده ی فعال لیزر و خنک سازی آن با جریان سیال، گرادیان دمایی در داخل بلور ایجاد می کند. اختلاف دما بین مرکز و سطح به دلیل فرآیند خنک سازی سبب می شود که
توزیع حرارتی غیر یکنواخت در میله داشته باشیم.توزیع دما در حالت کلی با معادله ی زیر بیان میشود :[5]گرادیان گرمایی که در داخل بلور لیزر شکل می گیرد بستگی به نوع کارکرد لیزر دارد.اینکه لیزر در مدهای پیوسته ، تک تپ یا تپی کار کند شکل توزیع دمایی را مشخص خواهد کرد.در حالت تپی، معادله ی حرارت به زمان نیز وابسته است و حل معادلهی زیر توزیع دمایی را مشخص میکند،که در آن T بصورت تابعی از زمان t و شعاع r دمای هر نقطه از میله است و K رسانندگی گرمایی، ρ چگالی جرمی و c گرمای ویژه است.[6]
وقتی لیزر در حالت تپی کار می کند در هر تپ دمشی ، یک توزیع دمایی به خاطر اعمال تپ قبلی در سیستم وجود دارد و این مسئله باعث می شود که در سیستم افزایش دما اتفاق بیفتد تحت چنین شرایطی ، میله لیزری به زودی به حالت پایدار می رسد. در حالت پایدار مقدار جریان گرمایی که در جهت شعاعی از میله خارج می-شود برابر با میزان کل گرمایی است که در میله ایجاد میشود.در حالت تپی به دلیل اینکه دمای با قیمانده در فاصله بین تپ ها کاملا از بین نمیرود ، نمودار توزیع دمای یکنواخت اولیه به آرامی به دلیل وجود منبع دمشی به نمودار توزیع دمایی سهموی تبدیل میشود. شکل - 1 - حرارت تولید شده در میله لیزری استوانهای را در حالت تپی نشان میدهد.[4]
بعد از اتمام دمش ، دمای میله طی یک زمان فروافت گرمایی به دمای محیط می رسد که این زمان ، بستگی به آهنگ پمپاژ میله لیزری و سرعت خنکسازی میله دارد.وقتی که یک پرتو نور بعنوان یک پرتو کاوشگر از داخل میله لیزری گرم شده عبور داده می شود اثرات حرارتی را می توان بوسیلهی یک تداخل سنج اندازه گیری کرد.[7]رایج ترین روش برای مشاهده اثرات حرارتی اینست که میله
لیزری را در یکی از بازوهای یک تداخل سنج وارد کنیم و بوسیله-ی یک دوربین الگوهای تداخلی وابسته به زمان را ثبت کنیم.[4]در یک تداخل سنج الگوهای تداخلی شدیدا به اختلاف راه نوری بین بازوهای خود حساس هستند.
وقتی در اثر دمش میله لیزری که در یکی از بازوهای تداخل سنج قرار گرفته، در میله گرادیان گرمایی ایجاد می شود ضریب شکست میله که نسبت به دماحساس است در نقاط مختلف میله ، مقادیر متفاوتی به خود می -گیرد علاوه بر این تغییر ، طول میله لیزری هم در اثر دما تغییر می-کند و البته این تغییر هم یکنواخت نیست و سطوح انتهایی میله تحدب پیدا میکنند. این تغییرات باعث تغییر غیر یکنواختی در راه نوری پرتو عبوری از داخل میله می شود بنابراین طرحهای تداخلی که قبل از دمش میله لیزری به صورت خطوط مستقیمی بودند بعد از دمش انحنا پیدا می کنند و انحنای یک خط تداخلی با سایرخطوط متفاوت است با اندازه گیری انحنای خطوط پی به توزیع حرارت در داخل میله لیزری میبریم.اگر از تغییرات ضریب شکست در اثر تنش های حرارتی صرفنظرکنیم تغییرات راه نوری و دما از طریق رابطه زیر به هم مربوط می-شوند:
مواد و روش ها
روش مورد استفاده برای اندازهگیری اثرات حرارتی، تداخل سنجی است. چیدمانی که برای اندازه گیری توزیع دمایی استفاده شده،تداخل سنج ماخ زنر می باشد.مطابق شکل 2 ، میله لیزری استوانه-ای - 1 - در داخل کاواک لیزری - 2 - و میله م قایسهای - - 3 در دوبازوی موازی تداخل سنج ماخ- زنر - 4 - قرار گرفته اند. لامپ دمشی با فرکانس 5 ،10 و20 هرتز در ثانیه دمش می کند.برای مشاهده اثرات حرارتی در حجم بلور، تلسکوپ - 5 - نور لیزر He- - 6 - Ne را تا سه برابر پهن می کند. عدسی - 7 - نور را به روی
