بخشی از مقاله
چکیده
– امروزه تولید لیزرهاي غیر خطی هم چون لیزر اختلاف فرکانس و لیزر پارامتریک نوري که براساس بر هم کنش نور در محیط هاي غیر خطی تولید می شوند به دلیل کوك پذیري وسیع از اهمیت ویژه اي برخوردارند. استفاده از این لیزرها براي تولید امواجی در ناحیه ي فروسرخ میانه بسیار مورد توجه می باشد. همچنین از آن جایی که بسیاري از مولکول ها مانند متان در ناحیه ي فروسرخ میانه داراي خط جذبی نسبتا قوي هستند، بیناب نمایی با چنین لیزرهایی بسیار حائز اهمیت می باشد. در این پروژه با استفاده از بلور PPLNو با استفاده از دو لیزر با طول موج هاي 1064 و 1550 نانومتري به عنوان منابع پمپ و سیگنال، موج اختلاف فرکانس در ناحیه ي فروسرخ میانه به روش شبه جورشدگی فازي تولید شده است.
کلید واژه- بلور PPLN ، لیزر اختلاف فرکانس ، روش شبه جورشدگی فازي
-1 مقدمه
براي بیناب نمایی مولکولهاي آلاینده دسترسی به یک لیزر فروسرخ میانه با طول موج مناسب در محدوده - 20-2 - مایکرون ازاهمیت زیادي برخوردار می باشد. در این ناحیه ي بیناب نمایی با توجه به پهناي اکثر گذارهاي مولکولی،بیناب نمایی گزینشی جذبی - spectroscopy بیش از سایر روشهاي دیگر بیناب نمایی مورد استفاده می باشد. به همین دلیل انتخاب یک چشمه ي لیزري مناسب با پهناي باند باریک و کوك پذیري مناسب، بسیار حائز اهمیت است.از میان لیزرهاي مورد استفاده در ناحیه ي MIRلیزر - [1] - Optical-Parametric-Oscillation-OPO و لیزر[2] - Quantum-Cascade-QC - بسیار مورد توجه می باشند.
ولی لیزر اختلاف فرکانس - Difference-frequency-Generation-DFG - داراي عرض خط باریک تر و محدوده ي کوك پذیري بیشتري است.[3] بنابراین بیناب نمایی به وسیله ي چنین لیزرهایی گزینشی تراست.ازلیزرهاي فروسرخ می توان براي تعیین غلظت COدرکوره هاي صنعتی استفاده کرد و نیز می توان گازهايSiO2 و H2S که ازدهانه آتشفشان خارج می شوند را ردیابی نمود. ازدیگر کاربردهاي این لیزرها استفاده ازآنها دربیناب نمایی مواد قابل انفجار نظیر TNT درباند طول موجی حدود8 مایکرون می باشد که امروزه توجه بسیاري را به خود جلب کرده است به طوري که سعی می شود تا از این دسته لیزرها به عنوان حسگرهاي مادون قرمز درتمام ایستگاههاي بازرسی و فرودگاهها استفاده شود.در این مقاله با استفاده از بلور PPLN و با استفاده از دو لیزر با طول موج هاي 1064 و 1550 به عنوان منابع پمپ و سیگنال، موج اختلاف فرکانس در ناحیه ي فروسرخ میانه تولید شده است.
-2 برپایی آزمایشگاهی براي تولید لیزر اختلاف
فرکانس - DFG -
شکل - 2 - برپایی مربوط به این لیزر را نشان می دهد. یک لیزر Nd:YAG با طول موج λp = 1064nm به عنوان لیزر پمپ و یک لیزر دیود با طول موج λs = 1550nm به عنوان لیزرسیگنال در این برپایی مورد استفاده قرار گرفته اند. بلورNd:YAG توسط یک لیزر دیود با طول موج λ = 808nm و توان Pdiode pump = 2W که با برپایی end-pump در پشت این بلور قرار گرفته پمپ می شود. از این لیزر یک تابش Q-switchedبا پهناي پالس t=50ns بدست می آید که توسط یک فوتو دیود سریع اندازه گیري شده است. با تغییرات دما و جریان لیزر دیود با طول موج λ = 808 nm
، توان لیزر پمپ با طول موج λp = 1064nm تغییر می کند، که توان متوسط شبه پیوسته ي - Quasi-cw - آن در بهترین حالت به ترتیب در دما و جریان TD= 32 oC ,ID=2.4 A مساوي با Ppump = 170mW است.
هم چنین بیشینه توان خروجی لیزر سیگنال QLD- - - 1550-20S، Pdiode = 20 mW می باشد. این لیزر داراي محدوده ي کوك پذیري λs = 1554-1544nm و طول موج مرکزي λ0 = 1551nm است که جریان آستانه ي آن حدود ith= 57 mA اندازه گیري شده است. بلور مورد استفاده در این آزمایش، یک بلور نیوبات لیتیم قطبی شده یا PPLN است، که 4 cmطول، 0/5 mm ضخامت و 1 cm عرض دارد. بلور یاد شده داراي 9 کانال است که پریود هر کانال از Λ =29.5 µmشروع و با گام هاي 0/25µ m به Λ =31.5 µm در کانال آخر ختم می شود. عرض هر کانال 500µm و فاصله ي دو کانال متوالی 200µm می باشد. تغییرات دماي این بلورتوسط یک کنترل کننده ي دما - TC200 - تاT =و با آهنگ متغیر کنترل می شود.
با تنظیم مناسب قطبش لیزرهاي پمپ و سیگنال در بلور یاد شده و تغییر پارامتر هاي مختلف از جمله تغییر دماي بلور تا دماي - TPPLN ~150oC - و نیز روبش لیزر سیگنال از طریق تغییر دما و جریان آن، جور شدگی فازي میان این امواج و دوره ي بلور مورد نظر اتفاق می افتد و لیزر اختلاف فرکانس تولید می شود. به جفت شدن فاز این امواج با یک دوره از بلور، روش شبه جور شدگی فازي - Quasi-Phase-Matching-QPM - گفته می شود. [5,4]شکل - 1 - نشان می دهد براي استفاده از ضریب d33 از بلور - که بیشترین مقدار را دارد - امواج باید با قطبش - eee - به بلور وارد شوند.[7,6] همچنین براي جفت شدن مناسب فاز امواج پمپ و سیگنال، امواج باید از کانال - Λ = 30 µm - به بلور وارد شوند.به ازاي دوره ي Λ = 30µ m از بلور، طول موج = 3.3µm λi تولید می شود که در محدوده ي خطوط اصلی جذبی گاز متان قرار دارد.
لیزر اختلاف فرکانسی که به این ترتیب تولید می شود توسط دو عدسی کلسیم فلوراید - CaF2 - جمع آوري و روي یک آشکار ساز MCT متمرکز می شود. اطلاعات مربوط به این سیگنال همراه با سیگنال مرجعی که ازChopper با فرکانس f =540kHz می آید همراه می شود و توسط یک تقویت کننده ي فاز بست - Lock-in amplifier - روي صفحه ي یک اسیلوسکوپ نمایش داده می شود. همچنین یک ورقه ي ژرمانیوم به قطر 19 و ضخامت 2 میلی متر براي فیلتر کردن پرتوهاي سیگنال و دمش در جلوي آشکارساز استفاده شده است.شکل - 3 - تغییرات طول موج ایدلر بر حسب دوره ي بلور در سه دماي مختلف را نشان می دهد، که با افزایش بلور این منحنی به مقادیر بالاتر جابجا می شود.
این شکل نشان می دهد که به ازاي هر دوره از بلور، دو طول موج ایدلر در بلور تولید می شود. همچنین شکل - 4 - تغییرات طول موج ایدلر بر حسب دماهاي مختلف بلور را نشان می دهد. در حالی که در هر منحنی دوره ي بلور ثابت فرض شده است.با توجه به شکل - 4 - کانال مناسب براي تولید لیزر اختلاف فرکانس کانال با دوره ي Λ =29.5µm تا µmΛ =31.5 می باشد.پس از هم خط کردن پرتوهاي دمش و سیگنال درفاصله ي حدود و کانونی کردن آن ها در مرکزبلور توسط یک عدسی با فاصله ي کانونی f =10mm وانتخاب کانال مناسب در Λ =30µm و همچنین تغییر دماي بلور تا TPPLN ~150oC تغییرات سیگنال دریافتی توسط آشکارساز دریافت و حساسیت آن نسبت به تغییر توان پرتوهاي دمش و سیگنال اندازه گیري شد.
