بخشی از مقاله
چکیده - در این پژوهش، یک تقویتگر چند بار عبور لیزر تیتانیوم سفایر با استفاده از روش تقویت تپ چیرپ ساخته شده است. ابتدا طول زمانی تپ در دستگاه پهنکنندهي بدون ابیراهی کشیده شده و سپس با انتخاب ده تپ و ارسال آن به داخل تقویت کنندهي چهار بار عبور و دمش همزمان بلور توسط هماهنگ دوم یک لیزر نانوثانیهاي Nd:YAG تپ سیگنال تقویت و بهرهاي به بزرگی26 به دست آمده است.
-1 مقدمه
حوزهي تکنولوژي تپهاي نوري فمتوثانیه زمینههاي جالبی را بر اساس دو ویژگی منحصر به فرد این تپها فراهم کرده است: انرژي میتواند در یک بازه ي زمانی کوتاه، در حد چند فمتوثانیه، متمرکز شود که معادل با چند دورهي تناوب اپتیکی در محدودهي نور مرئیست. همچنین قلهي توان این تپها، حتی در انرژيهاي متوسط، بسیار بالاست. تپهاي فمتوثانیه با قلهي توان بالا، کاربردهاي گسترده و گوناگونی در زمینههاي مختلف دارند. به عنوان مثال این تپها میتوانند منجر به تولید الکترونهاي با طول موج کوتاه، تپهاي اشعهي x و تپهایی با طول موج بسیار بلند شوند.
در قسمت طول موجهاي بلند طیف، از تپهاي فمتوثانیه به عنوان تابع دلتاي دیراك در آنتنها، براي تابشهاي زیر میلیمتر - فرکانسهاي محدودهي تراهرتز - استفاده میشود. تکنیکی که با استفاده از آنمیتوان تپهایی به کوتاهی 6 فمتوثانیه به دست آورد، تکنیک قفل شدگی مدي است .[1] معمولاَ انرژي تپهاي تولید شده توسط نوسانگرهاي لیزري فوق کوتاه از چند ده پیکوژول یا چند نانوژول بیشتر نیست که این باعث میشود قلهي توان این تپها خیلی بالا نباشد.
استفاده از تقویتکنندههاي لیزري راهی براي افزایش انرژي این تپهاست. افزایش انرژي تپ در تقویتکنندهها بر اساس عبور چندگانه از محیط تقویت صورت میگیرد که این کار معمولاَ به دو شکل انجام میشود: استفاده از تقویتکنندههاي بازتولیدي یا تقویتکنندههاي چند بار عبور. در تقویت چند بار عبور، عبورهاي مختلف به شیوهي هندسی از هم جدا میشوند. تعداد دفعات عبور با پیچیدگی هندسی طراحی سیستم و دشواري متمرکز کردن پرتو در همهي عبورها روي یک نقطه در کریستال محدود میشود.
در تقویتکنندهي بازتولیدي تپ در یک کاواك گیر میافتد و آنقدر داخل نوسانگر میماند تا کل انرژي ذخیره شده در محیط را استخراج کند. اما در تقویت تپهاي فوق کوتاه فرآیندهاي خطی و غیرخطی زیادي قابل ملاحظه هستند. همچنین شدت بالاي این تپها امکان آسیب دیدن بلور و المانهاي اپتیکی را بالا میبرد. به همین جهت از تکنیک تقویت تپ چیرپ براي تقویت تپهاي فوق کوتاه استفاده میشود .[2] در این تکنیک ابتدا پهناي زمانی تپ در پهنکننده افزایش پیدا کرده، سپس انرژي آن در تقویتکننده زیاد شده و در نهایت پهناي زمانی تپ مجدداَ در جمعکننده کاهش مییابد. به این ترتیب تپهایی با انرژي زیاد و پهناي زمانی کم تولید خواهند شد.
-2 ساخت تقویتکنندهي چهار بار عبور
نوسانگر لیزري استفاده شده در این کار، یک لیزر تیتانیوم سفایر دمیده شده توسط پرتوي پیوستهي هارمونیک دوم لیزر نئودیوم وانادات است که با استفاده از تکنیک قفلشدگی مدي به کمک سوئیچهاي آکوستواپتیکی میتواند تپهاي فوق کوتاه با طول تقریبی 60 تا 100 فمتوثانیه، انرژي تقریبی 1 نانوژول و نرخ تکرار 83 مگاهرتز تولید کند. این دستگاه به گرد و خاك، رطوبت هوا، گرما و همچنین سرما فوقالعاده حساس است و استفاده از آن باید در اتاق تمیز صورت بگیرد. بعد از نوسانگر یکسو کنندهي اپتیکی براي جلوگیري از برگشت احتمالی نور به داخل نوسانگر قرار دارد. هر یکسو کنندهي اپتیکی قطبشی، از سه قسمت، دو قطبشگر و یک سلول چرخانندهي فارادي، تشکیل میشود. پس از این قسمت، نور وارد اولین بخش چیدمان تقویتکنندهي تپ چیرپ، یعنی پهنکنندهي تپ فوق کوتاه میشود.
-1-2 ساخت پهنکنندهي زمانی تپ فوقکوتاه
از آن جا که پاشندگی با ایجاد اختلاف در سرعت گروه مؤلفههاي فرکانسی تپ منجر به پهنشدگی در آن میگردد لذا با استفاده از المانهاي پاشندهي زاویهاي نیز میتوان این تفاوت سرعت را، با ایجاد تفاوت در طول مسیر اپتیکی طیشده توسط مؤلفههاي فرکانسی، بهوجود آورد. براي ساخت پهنکننده از سیستم بدون ابیراهی استفاده شد .[3] این سیستم از یک توري پراش 1200 خط، یک آینهي محدب و یک آینهي مقعر با شعاع دهانهي 10 سانتیمتر تشکیل میشود.
انتخاب توري پراش و آینههاي بزرگ به این دلیل است که براي افزایش میزان پهنشدگی تپ، پاشندگی زاویه اي و در نتیجه پهنشدگی عرضی پرتو زیاد خواهد شد، بنابراین باید المانهاي بزرگ در چیدمان استفاده شوند که این پهنا را پوشش دهند. این پهنکننده از یک چیدمان دو بار عبور بهره میبرد، یعنی پرتو پس از یک بار گذر از مسیر مجدداً با کمک یک آینه به داخل سیستم برمیگردد. با این کار هم میزان پاشندگی اعمالی روي تپ دو برابر خواهد شد و هم چیرپ فضایی پرتو که در گذر اول ایجاد شده از بین خواهد رفت.
نمایی از چیدمان پهنکنندهي ساخته شده از دو آینه به صورت هممرکز در چیدمان قرار میگیرند. به دلیل استفاده از آینهها به جاي عدسی در این چیدمان، بسیاري از ابیراهیها حذف شدهاند و به این دلیل این چیدمان بدون ابیراهی نام گرفته است اما با این حال دقت در زاویهي تابش پرتو به سطح آینهها میتواند میزان ابیراهیهاي اعمالی را به حداقل برساند. انتظار میرود با این چیدمان پهناي زمانی تپ از 100 فمتوثانیه به حدود 200 پیکوثانیه افزایش پیدا کرده باشد. اندازهگیري دقیق طول زمانی تپ با دستگاه اتوکرولاتور و استفاده از طرحهاي همبستگی تداخلی صورت میگیرد.
-2-2 دستگاه انتخابکنندهي تپ
نرخ تکرار تپهاي خروجی لیزر تیتانیوم سفایر 83 مگاهرتز است. در حالی که نرخ تکرار لیزر دمش، 10 هرتز است. به همین دلیل، قبل از ورود تپ به تقویتکننده یک چیدمان انتخابکنندهي تپ براي کم کردن نرخ تکرار تپ سیگنال قرار میدهند. انتخابکنندهي تپ معمولاً از یک مدولاتور الکترواپتیکی شامل سلول پاکلز و دو قطبشگر عمود بر هم تشکیل میشود. سلول پاکلز با اعمال میدان الکتریکی، به یک چرخانندهي قطبش تبدیل میشود. میزان تغییر قطبش به ولتاژ الکتریکی اعمالی، طول سلول و ثابت مخصوص آن بستگی دارد. به محض اعمال تپ الکتریکی به سلول پاکلز، این سلول به یک تیغه نیمموج - λ/2 - تبدیل میشود و قطبش نور فرودي را 180 درجه میچرخاند و نور از قطبشگر دوم عبور میکند.
-3-2 زمانبندي تابش تپ دمش و سیگنال
لیزر دمش مورد استفاده براي تقویتکننده، هارمونیک دوم یک لیزر Nd:YAG، -Qسوئیچ نانوثانیهاي، با عرض تپهاي 5 نانوثانیه، نرخ تکرار 10 هرتز و پروفایل فضایی تخت بود. تپ دمش باید جلوتر از تپ سیگنال وارد محیط فعال شود و محیط را تحریک کند. پس از یک تأخیر معین تپ سیگنال وارد محیط میشود و عمل تقویت صورت میگیرد. مقدار این تأخیر میتواند در میزان تقویت مؤثر باشد که بهینهي این مقدار به صورت تجربی به دست میآید. براي ایجاد این تأخیر باید کنترل زمان فرود تپ دمش و سیگنال روي محیط فعال را در دست بگیریم. براي این کار یک واحد کنترل خارجی باید فرمان خروج تپ دمش را صادر کند و پس از یک تأخیر معین این فرمان خروج را براي تپ سیگنال صادر کند.
این کار در درستگاه تأخیرساز صورت میگیرد. به عبارت دیگر کنترل زمانبندي تابش تپها به عهدهي این دستگاه است. سیستم لیزري دمش مورد استفاده میتوانست یک تپ الکتریکی راهانداز با امکان تغییر تأخیر بین تپ نوري دمش و این تپ الکتریکی صادر کند. به این ترتیب لیزر به طریق داخلی راهاندازي میشود و خروجی ذکر شده دستگاه تأخیرساز را راه میاندازد و دستگاه تأخیرساز با ایجاد تأخیر بین تپ دمش و سیگنال دستگاه انتخابکنندهي تپ را راه میاندازد.
-4-2 ساخت تقویتکنندهي چهار بار عبور
در ساخت تقویتکنندهي چهار بار عبور تیتانیوم سفایر از بلوري با طول و قطر 1 سانتیمتر استفاده کردیم. خنکسازي بلور تیتانیوم سفایر از روش رسانش گرمایی صورت میگیرد، به این صورت که آب، فلز نگهدارندهي بلور را خنک میکند .براي این منظور لولههاي گردش آب در نگهدارندهي بلور طراحی شدند. براي دمیدن بلور از روش تصویري استفاده شد. به این ترتیب که پرتوي دمش خارج شده از سیستم لیزري با استفاده از یک عدسی روي بلور تیتانیوم سفایر تصویر میشود .
