بخشی از مقاله
چکیده - در این پژوهش فرایند جذب دوفوتونی، که یک فرایند غیرخطی متناسب با درجه دوم شدت لیزر است، درون LEDهای نورگسیل معمولی نارنجی و قرمز رنگ به طور تجربی بررسی شده است. وابستگی درجه دو جریان LED برحسب شدت لیزر بدست آمد. بر مبنای این فرایند، یک خود همبسته ساز مرتبه دو تداخلی ساخته شده است که پهنای زمانی تپهای فوق کوتاه 30 فمتوثانیه لیزر تیتانیوم سفایر را با دقت بالایی اندازهگیری میکند.
-1 مقدمه
خود همبسته ساز ابزاری ضروری برای اندازهگیری پهنای زمانی لیزرهای فوقکوتاه است. پاسخ زمانی سریعترین آشکارسازها تنها در حد چند پیکوثانیه است بنابر این توانایی اندازهگیری تپهای در حد چند فمتوثانیه را ندارند. از اینرو در کنار هر لیزر فمتوثانیه به یک ابزار مناسب جهت اندازه-گیری پهنای تپ لیزر نیاز است. خود همبسته ساز رایجترین ابزار بررسی پهنای زمانی تپهای فوق کوتاه است و انواع گوناگونی دارد .[ 1-3] از میان آنها، خود همبسته ساز تداخلی به دلیل داشتن نسبت سیگنال به پس زمینه بزرگ و قابلیت تشخیص چرپ بودن تپ لیزری اهمیت بیشتری دارد.
در این پژوهش چیدمان آزمایشگاهی یک خود همبسته ساز تداخلی بر مبنای فرایند غیر خطی جذب دو فوتونی درون LEDهای نورگسیل - Light Emitted Diode - برپا شده است و پهنای زمانی لیزر فمتوثانیه در طول موج 800 نانومتر با دقت مناسبی اندازهگیری شده است. برتری این روش نسبت به روشهای دیگر این است که میتوان پهنای تپ لیزرهای فوقکوتاه را بدون نیاز به انرژی بالای لیزر با دقت بالا و مستقل از قطبش نور لیزر اندازهگیری کرد. با این روش میتوان یک خودهمبستهساز کوچکتر و ارزانتر با دقت مناسب ایجاد کرد.
-2 جذب دوفوتونی در LED
اگر یک LED در بایاس وارون قرار بگیرد می تواند همانند یک فوتودیود عمل کرده و جریان تولید کند. LEDها ذاتا برای گسیل نور طراحی شدهاند بنابراین وقتی که در معرض نور لیزر قرار میگیرد نمیتوان از آن تولید جریان قابل ملاحظه ای را انتظار داشت. یک LED میتواند همانند یک فوتودیود در شدت های بالای لیزری جذب دو فوتونی انجام دهد. یعنی الکترون در تراز ظرفیت دو فوتون را به طور تقریبا همزمان جذب کرده و به تراز رسانش گذار انجام می دهد. مجموع انرژی دو فوتون باید از انرژی گاف نیم رسانا بزرگتر باشد.
چون سیگنال اتوکرلیتور تداخلی متناسب با درجه دو شدت نور فرودی است، بنابراین یک LED میتواند آشکارساز مناسب برای ثبت سیگنال خود همبسته ساز تداخلی باشد. برای داشتن جذب دوفوتونی مناسب در طول موج 780نانومتر به LED هایی نیاز است که پیک گسیلی یا جذبی تک فوتونی آنها از 390 نانومتر بزرگتر و از 780 نانومتر کمتر باشد. طیف گسیلی دو LED مناسب در شکل 1 نشان داده شده است. همانگونه که دیده میشود حساسیت این LEDها در گسترهای قرار دارد که امکان جذب تک فوتونی برای نور 800 نانومتر لیزر Ti:sapphire وجود ندارد.
برای بررسی پاسخ غیرخطی LEDهای گوناگون، شدت نور فرودی توسط یک کاهنده پرتوی فلزی تغییر داده شد و فوتوجریان تولید شده توسط یک توان متر دقیق محاسبه شد. این کاهنده از یک قطعه اپتیکی تشکیل شده است که بر روی آن با استفاده از فلز یک لایه نشانی متغیر انجام شده است به نحوی که با تغییر درجه کاهنده میزان عبور نور لیزر از آن قابل تنظیم است. چون شدت جریان بدست آمده در فرایند TPA به شدت نور فرودی بستگی دارد.
بنابراین انتخاب یک سامانه کانونی کننده مناسب ضروریست. باید قطر لکه را روی آشکارساز تا حد امکان کاهش دهیم. بنابراین از یک آینه سهموی با کانون موثر 25 میلی متر توانستیم قطر لکه 200 میکرومتر را بدون هیچگونه اثر پاشندگی روی LED ایجاد کنیم. این آزمایشات برای هر دو حالت CW و لیزر قفل شده مدی انجام شده است. همانگونه که از نمودار 2 دیده میشود پاسخ غیرخطی در حالت تپی بسیار بزرگتر است. این ناشی از شدت پیک بالاتر و در نتیجه بازده جذب دوفوتونی بالاتر در حالت تپی است. LED با طول موج مرکزی 618 nm به رنگ عنابی دارای پاسخ غیرخطی بالاتر است.
-3 چیدمان اتوکرلیتور تداخلی بر مبنای TPA
شکل 4 طرح کلی چیدمان خود همبسته ساز تداخلی طراحی شده را نشان می دهد. همانگونه که دیده می شود در این چیدمان در هر بازوی تداخل سنج از آینه فلزی روف که سطح بارتابنده آنها با نقره لایهنشانی شده است استفاده کردهایم. این آینه از دو صفحه کاملا عمود تشکیل شده است و باعث می-شود که نور را موازی با خود ولی در راستای دیگر بازتاب دهد. لازم به ذکر است که این چیدمان بر اساس امکانات موجود در آزمایشگاه برپا شده است. در چیدمان و طرح اصلی تا جایی که ممکن است باید از تعداد ادوات اپتیکی که اثرات پاشندگی دارند کاست . با هم خط سازی دقیق و تغییر یکی از بازوها توسط موتور پله ای با سرعت پایین توانستیم فریزهای تداخلی را در حالتی که لیزر قفل مدی شده بود بدست آوریم.
