بخشی از مقاله
چکیده- در این مقاله توزیع دما در لیزر میلهاي و صفحه اي تحت دمش طولی سوپرگوسی در توانهاي 10 ، 15 و 20 وات با استفاده از روش اجزاء محدود شبیهسازي میشود . پرتو دمشی در لیزر دیسکی تحت زاویه 30 درجه نسبت به محور صفحه در نظر گرفته شده است . نتایج براي دو حالت میله و صفحه مقایسه میگردد .
-1 مقدمه
لیزرهاي حالت جامد ، لیزرهایی هستند که محیط فعال آنها را یک ماده ي جامد تشکیل می دهد . دمش این لیزرها معمولا به صورت اپتیکی و با فلش لامپ یا لامپ هاي گوسی است و یا می تواند توسط لیزر هاي دیودي و به صورت طولی دمش شود که بازده بیشتري دارد و توان هاي بالاتري را تولید می کند . ولی با افزایش توان ، گرماي تولید شده در داخل محیط فعال نیز افزایش می یابد .
در نتیجه اثرات حرارتی نظیر عدسی گرمائی و قطبیده شدن پرتو خروجی و حتی شکست بلور اتفاق می افتد. بنابراین بررسی توزیع حرارت یکی از مباحث مهم در لیزرهاي حالت جامد است . [1,4] معمولا این لیزرها به صورت میله اي ساخته میشوند که سطح مقطع آنها دایروي یا مربعی شکل می باشد .نوع دیگر لیزرهاي حالت جامد دیسک لیزر است که براي اولین بار در سال 1990 معرفی شد. درابتدا این لیزر را آینه ي فعال می نامیدند زیرا محیط فعال این نوع لیزرها یک آینه ي اپتیکی با ضریب انعکاس بزرگ تر از 1 است . [2,3]
تفاوت اصلی این نوع لیزرها با لیزرهاي میله اي در ابعاد این نوع لیزرها می باشد. که ضخامت این لیزر از قطر لیزر دمش نیز باریکتر است. این امر باعث می شود که گرماي تولید شده به طور گسترده از سطوح انتهایی دیسک خارج شود . بررسی توزیع حرارت در داخل این لیزرها به روش تحلیلی کار بسیار مشکلی است و امروزه با استفاده از روش هاي عددي انجام می شود . [5,6] در این مقاله توزیع دمایی براي دمش سوپر گوسی درلیزر میلهاي و دیسکی از نوع Nd:YAG درتوان هاي 10،15و20 وات با استفاده از روش اجزاء محدود - FEM - محاسبه گردیده و نتایج حاصله با هم مقایسه شده است.
1-2 حل معادله ي حرارت براي دمش
سوپرگوسی در لیزر میلهاي
میله لیزري به طول 5/5 میلیمتر و شعاع 1/5 میلیمتر، ضریب هدایت حرارتی 0/13 w cm.k ، باریکه ي ورودي دمش به قطر400 میکرون در نظر گرفته شده است. در اینجا فرض میشود که %54 توان ورودي در داخل بلور تلف میگردد. سطح جانبی میله با چاهک گرمایی در دماي 300 درجه کلوین در تماس است . توان دمش شده به میله لیزر 10 ، 15 و20 وات می باشد .
-2 تئوري
گرماي تولید شده در ماده فعال لیزر توسط دمش طولی از سطوح جانبی یا انتهایی ماده فعال لیزر دفع می شود. قسمتی از توان دمش شده که به گرما تبدیل می شود به عنوان منبع چگالی گرما به صورت Q - x, y, z - در واحد حجم بلور توزیع می یابد. در حالت کلی معادله ي دیفرانسیل براي دما به صورت معادله ي - 1 - بیان می گردد. [1]
در این روش ابتدا دامنه مسئله را به اجزاء محدود تقسیم کرده و توابع تقریب را براي هر جزء بدست میآوریم سپس اجزاء را همبست کرده و شرایط مرزي را اعمال میکنیم و در نهایت مسئله را حل میکنیم. افزایش توان مقدار بیشینه ي مرکزي را نیز افزایش میدهد. هر سه نمودار رفتار مشابهی دارند و در نهایت در سطح به دلیل حضور چاهک گرمایی جهت خنک سازي هر سه نمودار به یک دما همگرا می شوند.
2-2 حل معادله ي حرارت براي دمش
سوپرگوسی در لیزر دیسکی قطر دیسک در نظر گرفته شده 1/5 میلیمتر و طول آن 200 میکرون است. وجود روکش انعکاسی در محل خنک سازي دیسک باعث بازگشت مجدد دمش ورودي و جذب آن توسط دیسک میشود. پرتو دمشی از سطح جلویی دیسک بطور مایل و تحت زاویه θ وارد شده و n بار بعد از بازتابش از سطح انتهایی دیسک از طریق آینه بازگردانده میشود - شکل . - 3
قسمتی از انرژي پرتوهاي ورودي به دلیل جذب در داخل دیسک به گرما تبدیل می شود. چون خنک سازي این نوع لیزر از یک سطح بزرگ صورت می گیرد به سرعت می تواند خنک شود - نسبت سطح خنک شونده به حجم دمیده شده در مقایسه با میله لیزري افزایش مییابد - . در این بخش توزیع دمائی در لیزر دیسکی با استفاده از روش FEM، تحت دمش سوپرگوسی بدست آمده است .
