بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از بلورهای ترکیبی یکی از روشهای موثر کنترل آثار گرمایی در لیزرهای حالت جامد میباشد. در این مقاله، مقایسهای میان بلور ساده و بلورهای ترکیبی در شیشههای فسفاته آلائیده شده با Er-Yb در یک چیدمان دمش از پهلوی دیودی صورت گرفته است. بلور ساده یک تیغهی لیزری به ابعاد 4×2×32 mm3 میباشد و در نمونههای ترکیبی glass/Er:Yb:glass و glass/Er:Yb:glass/glass به ترتیب از یک و دو سرپوش شیشهای بدون آلائیدگی در پهنای تیغهی لیزر استفاده شده است. با شبیهسازی نشان دادیم در بلورهای ترکیبی به دلیل خنک کنندگی موثر بیشتر، بیشترین انرژی خروجی و کاهش دما با استفاده از تیغهی ترکیبی glass/Er:Yb:glass/glass به دست میآید که 7% کمتر از افزایش دما در یک بلور ساده است.
گرمایی در این عناصر شیشهای شود و این ویژگی توان متوسط لیزرهای اربیوم را محدود میسازد .[3] استفاده از بلور ترکیبی، یکی از روشهای مؤثر به منظور کنترل اثرات گرمایی است که در بسیاری از لیزرهای حالت جامد مورد استفاده قرار میگیرد 4] و.[1 در این تحقیق، در یک چیدمان دمش از پهلوی دیودی، با استفاده از قرار دادن شیشه در پهنای تیغهی لیزر به بررسی نتایج حاصل از به کارگیری دو بلور ترکیبی glass/Er:Yb:glass و glass/Er:Yb:glass/glass و مقایسه آن با بلور ساده میپردازیم. شبیهسازی با استفاده از نرمافزار طراحی و بهینهسازی لیزرهای حالت جامد LASCAD صورت گرفته است.
طراحی و شبیهسازی
بلور ساده در این شبیهسازی یک تیغهی لیزری Er:Yb:glass با ابعاد 4×2×32 mm3 میباشد. مبنای طراحی بلورهای ترکیبی بر پایهی استفاده از سرپوش شیشهای بدون آلائیدگی در پهنای تیغهی لیزر قرار داده شده است. در واقع هدف ما از این نوع طراحی، برخلاف روش های رایج و استفاده از یک چیدمان دمش از انتها، بررسی اثرات استفاده از سرپوش شیشهای در یک چیدمان دمش از پهلوی دیودی بوده است.
بنابراین در نمونههای ترکیبی glass/Er:Yb:glass و glass/Er:Yb:glass/glass، به ترتیب از یک و دو سرپوش شیشهای به ابعاد 4×0/5× 32mm3 در پهنای تیغه- ی لیزر استفاده کردیم. با توجه به موارد ذکر شده ابعاد بلورهای ترکیبی به ترتیب برابر با 4× - 0/5+1/5 - × 32 mm3 و 4× - 0/5+1+0/5 - × 32mm3 خواهد بود. به دلیل رفتار سه ترازی اربیوم و جذب ضعیف دمش توسط این یون معمولاًدر دمشهای دیودی از عنصر واسطهی یوتربیوم به عنوان جاذب دمش و واسط انتقال انرژی به یونهای اربیوم استفاده میگردد.
غلظت آلائیدگی یونهای اربیوم و یوتربیوم که یکی از پارامترهای مهم در شبیهسازی است مطابق با نمونهی موجود از شیشهی فسفاته EAT14 به ترتیب برابر با 1/3×1019 cm-3 و 2× 1021 cm-3 در نظر گرفته شده است. شکل 1 طرحی از مادهی فعال در بلورهای ترکیبی را نشان میدهد که در آن جهت x در تیغه معرف پهنا و راستای دمش، محور y نمایانگر ارتفاع و طول تیغه در راستای z میباشد.
دمش با استفاده از روش جفتشدگی نزدیک، بدون نیاز به اپتیک جفت کنندهی دمش، در یک چیدمان دمش از پهلو و از دو طرف مادهی فعال انجام میپذیرد. کلیهی شبیهسازیها در نرخ تکرار 10Hz و خنک سازی تیغهی لیزر از دو وجه بزرگ آن صورت میگیرد. تشدیدگر لیزر متشکل از کلیدزنQ منشور چرخان، مادهی فعال و آینهی خروجی است که طرحی از آن در شکل 2 نشان داده شده است.
نمودارهای - 3 - و - 4 - به ترتیب مقادیر انرژی خروجی و دما را برحسب توانهای مختلف دمش در بلور ساده و بلورهای ترکیبی نشان میدهند. شکل 3 نمایانگر دستیابی به انرژی خروجی بیشتر با استفاده از بلور ساده در مقایسه با بلورهای ترکیبی است. از طرفی با در نظر گرفتن نمودار دما در شکل 4 مشاهده میشود که در بلور ساده با افزایش توان دمش از 4- 10w، دما در مرکز مادهی فعال 35 k افزایش یافته که با توجه به انرژی خروجی بیشتر در این چنین توانهایی از دمش استفاده از این نوع بلور توصیه می-شود.
در توانهای دمش بالاتر با افزایش بیشتری از دما در مرکز مادهی فعال مواجه شدیم. نمودار شکل4 بیانگر این است که در بلور ساده با افزایش توان دمش از 4- 16 w دما در مرکز مادهی فعال از 328 به 400 k رسیده و بنابراین در حدود 21/6% افزایش داشته است. این در حالی است که روند افزایش دما در توانهای دمش ذکر شده و در بلورهای ترکیبی glass/Er:Yb:glass و ssalg/ssalg:bY:rE/ssalg به ترتیب 1/3 و 7 درصد کمتر از بلور ساده میباشد. بدین ترتیب استفاده از سرپوش در بلورهای ترکیبی با تعدیل دما در تیغهی لیزر میتواند موجب کاهش خسارات و آسیبهای احتمالی در مادهی فعال گردد.
در واقع استفاده از سرپوش بدون آلائیدگی، به دلیل نداشتن یون- های فعال و ساز و کار لیزری، مانند یک گرمابر کاهش حرارت تولید شده در بلورهای ترکیبی را موجب شده است. در این میان، استفاده از دو سرپوش به دلیل خنککنندگی بهتر پراکندگی یکنواختتری از گرمای اضافی دمش را میسر ساخته و بنابراین کاهش دمای بیشتری را به دنبال داشته است. در واقع همانگونه که در نتایج هم ذکر شد درصد کاهش دما با استفاده از دو سرپوش 5 برابر بیشتر از حالتی است که تنها از یک سرپوش استفاده کرده باشیم.
از طرفی همان گونه که در شکل 4 نیز نشان داده شده است، در توان دمش 16 w و در مقایسه با بلور ساده استفاده از بلور glass/Er:Yb:glass/glass کاهش دمایی به اندازهی 32 درجه کلوین را موجب شده است. بدین ترتیب به کارگیری بلور ترکیبی با بهبود شرایط خنکسازی و کاهش دما در مرکز مادهی فعال قادر خواهد بود قابلیت کار لیزر در توانهای بالاتری از دمش را امکان پذیر سازد که با استفاده از بلور ساده دستیابی به آن امکان پذیر نبود.
از نقطه نظر انرژی، به دلیل کاهش طول مسیر جذب در ماده-ی فعال، با استفاده از بلورهای ترکیبی به انرژی خروجی کمتری دست یافتیم که این کاهش انرژی در بلور glass/Er:Yb:glass به دلیل جذب نامتقارن انرژی در مادهی فعال بیشتر از بلور glass/Er:Yb:glass/glass بوده است. علاوه بر این مطابق با شکل 3 با کاهش توان دمش تغییرات انرژی در بلورهای ترکیبی نسبت به بلور ساده با شیب کندتری کاهش مییابد. با توجه به مقادیر مطلق انرژی خروجی که در شکل 3 مشاهده کردیم، شکل 5 نسبت انرژی خروجی به دست آمده به ازای کاهش توان دمش را در بلورهای ساده و ترکیبی نشان میدهد.
برای مقایسهی بهتر با توجه به نتایج نمودار3 ، بیشینهی توان دمش ممکن در بلور ساده - 16w - ، را در هر سه بلور به عنوان بیشترین درصد نسبی مقدار انرژی - 100% - در نظر گرفتیم. نتایج نشان داده شده در نمودار 5 بیانگر درصد انرژی خروجی به دست آمده در توانهای مختلف دمش در مقایسه با بیشترین مقدار انرژی در هر بلور میباشد که اختلاف این دو مقدار به عنوان نسبت کاهش انرژی خروجی در نظر گرفته شده است. واضح است که کاهش توان دمش کاهش انرژی خروجی را به دنبال خواهد داشت.
