بخشی از مقاله
چکیده
لیزر فیبري با دوپ اربیوم در باند طول موجی 1550 نانومتر و طول پالس حدود 100 فمتوثانیه ساخته شده است. در این لیزر براي تولید پالس ها از تکنیک قفل مدي چرخش قطبش غیرخطی در یک کاواك حلقوي تک سویه استفاده شده است. پالس هاي با نرخ تکرار 29 مگاهرتز و انرژي 320 پیکوژول با استفاده از این روش به دست آمده است.
مقدمه
دانش پالس هاي فوق کوتاه امروزه در بسیاري از زمینه هاي فناوري نوین وارد شده است. لیزرهاي فمتوثانیه به صورت ابزار با ارزشی در رشته هاي گوناگون مانند پردازش مواد، پزشکی، تصویربرداري، طیف سنجی و ارتباطات در آمده اند. پیشرفت دانش پالس هاي فوق کوتاه همواره با پیشرفت در فناوري لیزر همراه بوده است. با وجود این پیشرفت ها، لیزرهاي فوق کوتاه حجیم هنوز ابزارهایی بسیار پیچیده اند که به کار گیري آنها حتی براي محققان این زمینه نیز مشکل است.
لیزرهاي فیبري به خاطر سادگی در کاربري شان به عنوان راه حلی مناسب براي این مشکل در آمده اند. اصولا سه روش عمده براي تولید پالس هاي فوق کوتاه با استفاده از قفل مدي غیرفعال در لیزرهاي فیبري وجود دارد: آینهي جاذب اشباعی، آینهي حلقوي تقویتی غیرخطی و چرخش قطبش غیرخطی .[1] با استفاده از تکنیک هاي آینهي جاذب اشباعی و آینهي حلقوي تقویتی غیرخطی، پالسهاي با پهناي کمتر از 500 فمتوثانیه تولید شده است 2] و.[3 اما با استفاده از روش چرخش قطبش غیرخطی پالس هاي کوتاه تر از 100 فمتوثانیه به دست آمده است .[4] روش قفل مدي به وسیله چرخش قطبش غیرخطی، که قفل مدي پالس افزاینده قطبشی نیز نامیده می شود، نخستین بار در سال 1991 توسط هوفر و همکارانش [5] ارایه شد.
این روش بر پایه ي چرخش وابسته به شدت حالت قطبشی نور در قطعه اي از فیبر نوري است که یک پالس قطبیده خطی با کمک تیغه هاي موجی و یا هر گونه کنترل کننده قطبش ، به یک پالس با قطبش بیضوي تبدیل می شود. دو مولفه قطبشی این پالس سپس تحت اثرات غیرخطی خود مدولاسیون فازي و مدولاسیون فازي متقاطع از درون یک فیبر نوري داخل کاواك لیزري می گذرند. به خاطر این اثرات غیرخطی، فاز اضافه شده به بخش هاي گوناگون مولفه هاي پالس متفاوت بوده و بنابراین قطبش پالس خروجی به صورت وابسته به شدت تغییر می کند. این پالس سپس از میان یک قطبشگر می گذرد که به گونه اي تنظیم شده است که باله هاي پالس تلفات بیشتري را از قله پالس تجربه می کنند.
به منظور تولید پالس هاي پایدار و خود آغاز شونده، می توان از یک کاواك حلقوي کوتاه تک جهته استفاده نمود که قادر به تولید پالس هاي سولیتونی 500 فمتوثانیه اي می باشد .[6] تکنیک پالس پهن شده یا غیرسولیتونی، براي تولید پالس هاي کوتاه تر و پرانرژي تر، در مقایسه با سولیتون ها، توسط تامورا و همکارانش ابداع شد. با استفاده از این روش پالس هاي با انرژي 90 پیکوژول و پهناي زمانی 77 فمتوثانیه به دست آمد .[7] در این لیزر قطعه اي فیبر با پاشندگی عادي به منظور کنترل پاشندگی در کاواك به کار رفته بود.
در رژیم پالس پهن شده، قطعات فیبرهاي با پاشندگی مثبت و منفی در کاواك به کار می روند که باعث می شود که پالس ها در هر دور پیمایش کاواك دو بار کشیده و فشرده شوند. پهناي پالس می تواند تا یک مرتبه بزرگی در کاواك تغییر کند که به پایین آمدن توان قله میانگین پالس ها در کاواك می انجامد. در نتیجه شیفت فازي غیرخطی خالص که پالس در هر دور کاواك احساس می کند، کاهش می یابد که از اشباع قفل مدي پالس افزاینده جلوگیري می کند .[1] معمولا رژیم غیر سولیتونی - پالس پهن شده - ، به دلیل اینکه در آن پاشندگی کلی کاواك نزدیک به صفر است، و در نتیجه به کاهش اثرات غیرخطی و حذف باندهاي کناري می انجامد، روش مناسب تري براي تولید پالس هاي فوق کوتاه است 8] و.[9
اصول کارکرد و چیدمان آزمایش:
از آنجا که این لیزر در رژیم پالس پهن شده کار می کند، بنابراین باید قطعه اي از فیبر با پاشندگی معمولی در آن به کار رود. هرچه اختلاف پاشندگی سرعت گروه فیبرهاي به کار رفته بیشتر
اپتیک و فتونیک
باشد، پالس در یک پیمایش کاواك بیشتر کشیده و فشرده می شود و بنابراین شدت میانگین پالس بیشتر کاهش می یابد. با کاهش یافتن شدت، اثر پدیده هاي غیرخطی کاهش یافته و به کاهش شیفت فازي غیر خطی می انجامد که این نیز به نوبه خود اشباع غیرخطی را کاهش داده و از چند تکه شدن پالس جلوگیري می کند. در این حالت قابلیت به دست آوردنبدونانرژي پالس بالاتر چند تکه شدن پالس بیشتر می شود .[7]
در یک لیزر فیبري قفل مدي، مناسب تر است که محیط فعال داراي پاشندگی معمولی باشد. در باند طول موجی 1550 نانومتر، سیلیکا داراي پاشندگی غیرعادي است .[10] بنابراین براي تولید فیبري با پاشندگی عادي، باید فیبر به گونه اي طراحی شود که داراي پاشندگی معمولی بالایی باشد تا بر پاشندگی ماده فیبر غالب شود. چنین فیبرهایی معمولا داراي هسته هاي با قطر بسیار کوچک اند - حدود 3-2 میکرون - . با این حال کاهش قطر هستهبالا نیز به رفتن شدت و در نتیجه به اشباع غیرخطی در فیبر آلاییده با اربیوم می انجامد [8] که به انرژي پالس کمتري منجر می شود. بنابراین باید از فیبري با قطر مناسب استفاده کرد. در این چیدمان از یک فیبر آلاییده اربیوم با قطر هسته نسبتا بزرگ و با پارامتر پاشندگی سرعت گروه در حدود -50ps/ - nm•km - استفاده کرده ایم.
شکل:1 شماتیک تجربی اسیلاتور تمام فیبري حلقوي.:PC کنترل کننده قطبش، :PDI ایزولاتور حساس به قطبش شماتیک چیدمان تجربی اسیلاتور، در شکل - 1 - دیده می شود. کاواك تمام فیبري شامل 145سانتی متر از فیبر آلاییده اربیوم، 134 سانتی متر از فیبر HI-1060 FLEX و حدود 409 سانتی متر از فیبر استاندارد SMF-28 است. طول فیبرها به گونه اي در نظر گرفته شده است تا پاشندگی سرعت گروه خالص کاواك نزدیک به صفر نگه داشته شود.
محیط فعال لیزر توسط یک کوپلر WDM از یک لیزر دیود با طول موج 980 نانومتر به صورت رو به جلو پمپ می شود. به منظور تک جهته کردن کاواك از یک ایزولاتور حساس به قطبش استفاده شده است. ایزولاتور علاوه بر تک سویه کردن کاواك، نقش قطبشگر براي انجام قفل مدي را نیز دارد. یک کوپلر %10 نیز به عنوان جفت کننده خروجی در این کاواك به کار رفته است. به منظور کنترل کردن قطبش نور در کاواك و تنظیم فرایند قفل مدي، از دو عدد کنترل کننده قطبش در دو طرف ایزولاتور استفاده شده است. فرایند قفل مدي از افت و خیزهاي نویزي اولیه حاصل از زنش میان مدهاي محوري و تحت اثر چرخش قطبش غیرخطی در لیزر هنگامی که شدت پمپ از شدت آستانه بالاتر باشد، آغاز می شود. کنترل کننده هاي قطبش باید به گونه اي تنظیم شوند که پالس هاي پایدار و با پهناي زمانی و طیفی مناسب تولید شوند.
اپتیک و فتونیک ۹3
پالس هاي خروجی از این لیزر به صورت خطی چرپ می باشند. با فرض گوسی بودن شکل پالس و با توجه به پهناي طیفی آن، با استفاده از رابطه عدم قطعیت، می توان در صورت بر طرف کردن چرپ پالس به پهناي زمانی کمتر از 100 فمتوثانیه رسید. با افزایش توان پمپ تا 200 میلی وات می توان به توان خروجی میانگین 9,6 میلی وات رسید. این توان خروجی نشان دهنده پالس هاي با انرژي 320 پیکوژول و بازده لیزري 4/8 درصد است. لیزر پس از قفل مدي شدن، ساعت ها بدون از دست دادن پایداري کار می کند و اسیلوسکوپ و تحلیل کننده طیفی اپتیکی تغییرات محسوسی را نمایش نمی دهند. به علاوه با کاهش توان پمپ تا حدود 20 میلی وات نیز سیستم از قفل مدي نمی افتد.
نتیجه گیري:
نتایج:
در این مقاله، ساخت یک لیزر تمام فیبري فمتوثانیه با کاواك قفل مدي شدن این لیزر در توان پمپ حدود 50 میلی وات آغاز تک سویه که با روش چرخش قطبش غیرخطی به صورت غیرفعال
می شود. با تنظیم کردن کنترل کننده هاي قطبش می توان به قفل قفل مدي می شود گذارش شده است. این لیزر قادر به تولید پالس مدي پایدار با پهناي طیفی مناسب دست یافت. شکل2 قطار پالس هاي با پهناي زمانی کوتاه تر از 100 فمتوثانیه و با انرژي پالس لیزري خروجی نوعی از لیزر با نرخ تکرار حدود 29 مگاهرتز ثبت 320 پیکوژول، در نرخ تکرار 29 مگاهرتمیز و با بازده 4/8 درصد شده بر روي اسیلوسکوپ را نشان می دهد. بیشترین پهناي طیفی باشد. FWHM پالس هاي به دست آمده از این لیزر در حدود 45,2 نانومتر بر روي تحلیل گر طیفی اپتیکی در شکل3 دیده می شود.
