مقاله تولید هماهنگ دوم لیزر Nd : YVO4 در چیدمان های V شکل و Z شکل

بخشی از مقاله

چکیده
چیدمانهای V شکل و Z شکل لیزر سبز موج پیوسته Nd:YVO4/KTP با طراحی یکسان طراحی و راهاندازی شده است. توان خروجی برابر با 4/8 وات و 3/6 وات در توان دمشی 22 وات و در نتیجه بازده %22 و %12 به ترتیب برای چیدمانهای V و Z شکل به دست آمده است. بازده کمتر ساختار Z شکل را میتوان افت ناشی از آینه اضافی آن دانست. هر دو چیدمان کیفیت باریکه خوبی را از خود نشان میدهند و چیدمان V شکل لکه متقارنتری نسبت به لکه مربوط به چیدمان Z شکل دارد.

مقدمه    

برای سالهای متمادی بعد از سال 1661، از لیزر به عنوان یک وسیله قابل توجه برای تحقیق در بسیاری از زمینه ها یاد می شد.اما تا اواخر دهه 1692 و اوایل 1682، بسیاری از کاربردهای تعریف شده برای لیزر به دلیل در دسترس نبودن لیزر مناسب آن،قابل اجرا نبود. نیاز اصلی اکثر این کاربردها وجود منابع نور سبز و  آبی قدرتمند، ارزان و با حجم کم بود.    اختراع و توسعه لیزرهای دیودی نیم رسانا با توان باال و بازده زیاددر طول موجهای در حدود 812 nm امکان دمش دیودی لیزرهای حالت جامد را فراهم کرد که بسیاری از آنها بر اساس بلورهای آالییده شده با نئودیمیم ساخته شده اند. ساخت و توسعه مواد غیر خطی در عمل برای به کار بردن تولید هماهنگ دوم از طول موج های فرو سرخ لیزرهای حالت جامد دمش دیودی، باعث تولید لیزر با طول موج های سبز و آبی ناحیه مرئی طیف الکترومغناطیس شد.

این روش امکان ساخت لیزر سبز دمش دیودی با توان های در حد چند وات را ممکن ساخت .]1[در میان روشهای تولید لیزرهای سبز و آبی موج پیوسته، تولیدهماهنگ دوم درون کاواکی به دلیل بازده تبدیل باالتر و حجمکمتر مناسبترین روش میباشد .]2-4[ در این میان تولید هماهنگ دوم درون کاواکی لیزر وانادیت توسط بلورهای غیرخطی KTP و LBO مناسبترین روش برای تولید نور سبز در طول موج 232 نانومتر میباشد .]2-9[ بلور وانادیت به دلیل سطح مقطع گسیل القایی بزرگ در 1264 nm، پهنای جذب پهن در 828 nm، نیم عمر فلورسانس پایین و خروجی قطبیده یکی از پرکاربردترین بلورهای لیزری میباشد.به منظور تولید هماهنگ دوم درون کاواکی با بازده باال نور nm 1264 باید تا حد امکان بر روی بلور غیر خطی متمرکز شود.

بدین منظور ساختارهای V شکل، Z شکل و Tie شکل مورد استفاده قرار میگیرند .]2-4[ در این ساختارها بلور لیزری در یک شاخهقرار میگیرد و بلور غیرخطی در شاخه دیگر قرار میگیرد و نور 1264 nm روی آن متمرکز میشود. در این مقاله، دو چیدمان V و Z شکل طراحی و راه اندازی شده است و نتایج تجربی به دست آمده گزارش شده است. ساختار مشددها و طراحی آنهاشماتیک ساختارهای V و Z شکل تولید هماهنگ دوم درون کاواکی لیزر وانادیت در شکل 1 نشان داده شده است. در هر دوی این ساختارها نور یک لیزر دیودی 828 nm با توان بیشینه 42 وات و قطر فیبر 222 میکرومتر توسط یک سیستم جفت کننده روی بلور وانادیت فوکوس میشود. بلور وانادیت بلوری با ابعاد 3*3*12 میلیمتر مکعب با درصد آالییدگی % 2/2 میباشد.

یک سمت آن دارای پوشش AR برای طول موجهای 828 nm و nm 1264 میباشد و سمت دیگر آن دارای پوشش HR برای طول موجهای 232 nm و 1264 nm و پوشش AR برای طول موج 828 nm میباشد و به عنوان آینه انتهایی لیزر استفاده میشود.پوشش HR در طول موج 1264 nm و HT در طول موج nm 232 میباشد و به عنوان آینه خروجی استفاده میشود. آینه M2 نیز در هر دو چیدمان یک آینه تخت با پوشش HR در هر دو طول موج 1264 nm و 232 nm میباشد. در چیدمان Z شکل آینه M3 یک آینه تخت میباشد و برای طول موج 1264 nm پوشش HR دارد. به منظور تولید هماهنگ دوم، از یک بلور KTP با ابعاد 9*9*6 mm3 که برای تطابق فاز نوع 2 برش یافته است  90o - ، -   23.4o استفاده شده است.

به منظور آنکه نور 1264 nm روی بلور غیر خطی به خوبی متمرکز شود، این بلورتا حد امکان در هر دو چیدمان به آینه M2 نزدیک شده است. به منظور عملکرد بهینه لیزر باید چندین نکته مورد توجه قرار گیرد. اول آنکه از طریق روش ماتریس ABCD، میبایست پایداری لیزر در توان دمش مورد نظر، با در نظر گرفتن اثرات گرمایی بلوروانادیت مورد بررسی قرار گیرد. فاصله کانونی عدسی گرمایی - fT - را به صورت تقریبی میتوان از رابطه زیر محاسبه نمود :]2[که Kc  ضریب رسانندگی گرمایی،  p   شعاع لکه دمشی، Pph میزان گرمای تولید شده در بلور و برابر با %22 توان دمشی، ضریب گرمایی نوری، α ضریب جذب و l طول بلور میباشند.

اگر پارامترهای مربوط به بلور Nd:YVO4، Kc=5.4 W/ - m.K - ،ωp=340 µm، dn/dT=4.7*10-6 1/K و α=14.8 1/cm رااستفاده کنیم، آنگاه برای توان دمش بین 1 تا 22 وات، فاصله کانونی عدسی گرمایی از مقدار 1922 mm تا 122 mm تغییر میکند. - مقدار Pph توان گرمایی ناشی از نقص کوانتومی و برابر با %24 توان دمشی در نظر گرفته شده است - .طراحی چیدمان V شکلدر طراحی چیدمان V شکل، ابتدابه دنبال محدودهای برای طولl2 میگردیم که مشدد در این محدوده برای فواصل کانونی عدسی گرمایی بین 1 متر تا 1 سانتی متر و در نتیجه توانهای دمشی تاحد 22 وات پایدار باشد. به این منظور طول l1 را ثابت و برابر با 12 cm در نظر میگیریم. شکل 2 نتیجه به دست آمده را نشانمیدهد.

همانطور که از این شکل مشخص است، مشدد برای محدوده 2 cm تا 8/3 cm برای طول l2 شرایط الزمه را داراست. از آنجا که نسبت شعاع لیزر به شعاع پمپ باید چیزی در حدود 2/8 باشد ]8[، به بررسی اندازه لکه لیزری برای این محدوده می-گردیم. مقدار مناسب برای این طول با توجه به محاسبات برابر با 9/2 سانتی متر به دست میآید. شکل 3 تغییرات شعاع لکه لیزری در داخل وانادیت را برای فواصل کانونی عدسی گرمایی مورد نظرنشان میدهد. با انتخاب این طولها، شعاع لکه لیزری بر روی بلور KTP در حدود 82 µm به دست میآید و این امر باعث بازده تبدیل قابل توجهی خواهد شد.

طراحی چیدمان Z شکل

مراحل طراحی چیدمانV شکل را برای چیدمان Z شکل نیزتکرار میکنیم. طولهای l1 ، l2  و l3  به ترتیب برابر با 6 cm،12 cm و 9/2 cm انتخاب شدهاند و نمودارهای مربوطه درشکلهای 4 و 2 نشان داده شده است. در این چیدمان اندازه شعاع لکه لیزری روی بلور KTP برابر با 82 µm میباشد.

نتایج تجربی

شکل 6 توان خروجی سبز را بر حسب توان دمش برای چیدمانV شکل نشان میدهد. همانطور که دیده میشود برای توان دمش 22W خروجی سبزی برابر با 3/8 W داریم و این مقدار برای توان دمش 22 W به نزدیکی 2 W میرسد که بازدهای در حدود 22% را نشان میدهد. شکل 9 نیز پروفایل باریکه خروجی را نشان میدهد.