بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله روش جدیدي براي تخلیه نور غیر مفید از غلاف لیزرهاي فیبر نوري پرقدرت آغشته به عناصر خاکی کمیاب بطور تئوري شبیهسازي و ارائه شده است. در روش ارائه شده از ديالکتریکهایی با ضریب شکست وضریب انتقال حرارت مناسب به عنوان غلاف دوم، به منظور کاهش شدت نور غیر مفید درون غلاف اول استفاده شده است.نتایج شبیهسازي نشان میدهد که میزان کاهش نور غیرمفید به 33 dB میرسد.
مقدمه
در سالهاي اخیر، طراحی و ساخت لیزرهاي فیبر نوري آلاییده به عناصرخاکی کمیاب به دلیل قابلیت دستیابی به توانهاي بالا، بازده بسیار خوب، حجم و وزن کم، قابل حمل بودن، ساختار ساده کاواك، استفاده آسانتر در صنعت، کیفیت پرتو عالی و ... به شدت مورد استقبال قرار گرفته است.[1-5] با ظهور مخابرات نوري در سال 1986 اولین لیزرهاي فیبرنوري آلاییده به اربیوم - Er - و سپس عناصر خاکی دیگر همچون ایتربیوم نیز - - Yb و Pr، Tm و... مورد توجه قرار گرفتند.[1] افزایش توان در لیزرهاي فیبر نوري تک مد، مستلزم ترکیب پمپها در محیطی است که شرایط جذب فوتونهاي پمپهاي متفاوت را فراهم آورد. لیزرهاي فیبرنوري تک غلافی در توانهاي بالا آسیب میدیدند و بیشترین توان به دست آمده در این لیزرها در حدودتا 1 5 وات بود به همین دلیل به منظور رسیدن به توانهاي بالا، از لیزرهاي فیبرنوري بهدو غلافی آلاییده Yb استفاده میشود.[1]
در ساختار این نوع لیزرها، پرتو لیزردیوديدرونموج دمش به غلاف اول - به جاي ورود پمپ به مغزي در لیزرهاي تک غلافی - وارد میشود. مطابق شکل 1 مقداري از انرژي موج دمش در ضمن انتشار در غلاف اول وارد مغزي شده و در این ناحیه که شامل ماده فعال لیزري است جذب و شرایط گسیل القایی تقویت شده را فراهم مینماید.[1] باقی ماندن نور در غلاف لیزر هاي فیبر نوري پر قدرت و گرماي ناشی از آنها به عنوان مهمترین عامل محدود کننده براي این نوع لیزرها شناخته شده است.[3] در یک سیستم لیزري فیبر ایدهآل، میبایستی تمامی نور پمپ توسط محیط فعال - هسته آلاییده به یون - Yb جذب شود و نور سیگنال در مغزي تقویت شده و انتشار یابد. اما در یک سیستم واقعی به دلایل متعدد و اجتنابناپذیر این اتفاق نمیافتد. مهمترین منابع ایجاد نورهاي غیرمفید و ناخواسته که نورهاي باقی- مانده در انتهاي محیط تقویتکننده فیبر میباشند را میتوان به سه دسته تقسیم کرد:[5]
1. گسیل خودبهخودي تقویت شده - ASE -
2. باقی ماندن نور پمپ در انتهاي محیط تقویت کننده
3. نشت کردن نور سیگنال درون هسته به غلاف در اثر جوش فیبرها به یکدیگر و حلقه کردن محیط فعال خارج کردن نور غلاف در ناحیه غیرفعال و در انتهاي محیط بهره فیبر اتفاق میافتد بنابراین در نور خروجی لیزر که درون مغزي منتشر میشود، اختلال محسوسی ایجاد نمیشود.
در این مقاله حذف یا کاهش شدت نور غیر مفید غلاف اول که سبب افزایش دماي لیزر، ناپایداري آن و در نهایت تخریب لیزر میشود با ارائه یک روش جدید، که توسط نرم افزار Zemax شبیهسازي شده، ارائه میشود. درمدلبخشی از مقاله ، ساختار پیشنهادي جدید و مبانی فیزیکی آن شرح دادهبخششده است. دیگري به نتایج شبیهسازي اختصاص یافته ودر خاتمه نتیجهگیري کوتاهی ارائه شده است. مدل پیشنهادي جدید ومبانی فیزیکی آن یک راه عملی براي خارج کردن نورهاي باقیمانده در انتهاي محیط بهره فیبر، تغییر موضعی گشودگیعددي با تغییر در ضریب شکست غلاف دوم بهمنظور خاتمه دادن به بازتابهاي داخلی بین غلاف اول و دوم است.[5] در واقع میبایستی روکش پلیمري غلاف دوم را برداشت و آن را با یک ماده با ضریب شکست بالاتر از غلاف اول جایگزین کرد. به این ترتیب از ایجاد بازتابهاي داخلی و باقیماندن نور در غلاف اول جلوگیري میشود.
انتخاب ماده براي روکشدادن غلاف اول، تنها تابعی از ضریب شکست ماده نیست. ماده و روش انتخاب شده براي نوع روکش باید بتوانند نور را به صورت یکنواخت و در طی بازتابهاي متوالی از غلاف اول خارج کنند تا چگالی توان موضعی به دلیلخروج یکباره نور، افزایش نیابد و سبب تخریب ناحیه پلیمري یا سیلیکایی فیبر نشود. آستانه تخریب براي لیزر فیبر سیلیکا در حدود 5 w/m است و اگر توان نور از این مقدار بیشتر شود فیبر شروع به سوختن میکند. علاوه بر ضریب شکست ماده، در طراحی روش خارج کردن نور باید به مسائلی همچون طول به کار رفته براي قسمتکنندهخارج نور، قطر خارجی فیبر، گشودگیعددي پرتوهاي انتشار یافته و همچنین ضریب پخش حرارتی ماده توجه نمود.[5] ضریب پخش حرارتی ماده تابعی از چگالی جرمی، ضریب انتقال حرارت و ظرفیت گرمایی ماده میباشد. با توجه به پارامترهاي ذکر شده، مدل زیر به منظور خروج بهینه نورهاي غیر مفید ارائه شده است:
در مدل پیشنهادي از مادهاي با ضریب شکستبهبزرگتر نسبت غلاف اول و داراي ضریب پخش حرارتی بالاتري نسبت به سایر مواد با گشودگی عددي یکسان، انتخاب شده است. ماده انتخابی بر روي غلاف اول به عنوان غلاف دوم پوشش داده میشود و مطابق شکل2 قطر خارجی فیبر در طی 4 سانتیمتر کاهش یافته و به نزدیکی غلاف اول میرسد. کاستن تدریجی شعاع غلاف دوم، سبب خروج خودبهخودي برخی از پرتوها شده و از بالارفتن چگالی توان موضعی در فیبر جلوگیري میکند. شبیهسازي بر اساس انتشار و عبور نور در برخورد با محیطهایی با ضریب شکست بزرگتر با نرم افزار Zemax انجام شده است.
در این شبیهسازي قطر هسته 20m و قطر غلاف اول400m در نظر گرفته شده است و گشودگی عددي آنها 0.06 است. همچنین قطر غلاف دوم در حالتگشودگیاولیه500m و عددي بین غلاف اول و دوم در حالتشدهاولیه 0.46 فرض است. انتخاب فیبر با مشخضات بالا به این دلیل است که این ساختار تک مدي بودن و رسیدن به توان هاي بالا را امکان پذیر می سازد. شبیهسازي را با فرض اینکه 100 w نور غیر مفید جذب نشدهدر نقطه z=0 در غلاف اول باقی مانده انجام شده است، مقدار توان باقی مانده در هر نقطه از محور طولی فیبر و به فاصله z از مبدا با Prنمایش داده شده است. همانطور که ملاحظه میشود بخش عمده نور در 5 میلیمتر اولیه خارج شده و این نشاندهنده این است که ماده انتخابی باید از ضریب پخش حرارتی بالا براي محافظت فیبر در برابر سوختن برخوردار باشد. مطابق شکلدر3 انتهاي طول 4 سانتیمتر توان پمپ به نزدیکی0 کاهش پیدا میکند. پس از انجام شبیهسازي با توجه به فرضیات ذکر شده، مطابق با
