بخشی از مقاله
چکیده –
در این پژوهش، یک مشدد سه شاخهاي منشوري کلید زنی شده با محیط فعال Nd:YAG طراحی و برپا کردهایم. این مشدد پایداري مکانیکی بالایی نسبت به انحراف زاویهاي داشته و کارایی بالا، ابعاد فیزیکی کوچک و نمایه عرضی گاوسی دارد.
اثرات گرمایی این لیزر را هم به صورت تجربی و هم به صورت نظري بررسی کردهایم و تغییرات فاصله کانونی و شعاع لکه لیزر بر روي آینهها بر حسب انرژي ورودي را بهدست آوردیم. علاوه بر آن میزان اتلاف ناشی از قطبش و ولتاژ کلید زنی بلورLiNbO3 را به صورت نظري و تجربی بهدست آوردیم و سرانجام موفق شدیم تپ لیزري با پهناي زمانی 8 نانوثانیه را بهدست آوریم.
مقدمه
به علت پایداري بالاي منشورها جایگزینی آنها با آینهها در سیستمهاي اپتیکی و مشددهاي لیزري بسیار مورد توجه قرار گرفته است2]،.[1 در این مشددها، منشورها به عنوان بازتابنده کامل پرتو لیزر، به کار گرفته میشوند.
منشورهاي به کار رفته منشور گوشه مکعبی هستند. البته منشورها با تغییر قطبش نور فرودي محاسبات مربوط به طراحی مشدد لیزري را پیچیده تر می کنند. با چند شاخه کردن مشدد میتوان طول لیزر را کاهش داد، در حالی که طول موثر مشدد افزایش مییابد. در این پژوهش مشدد لیزري سه شاخهاي منشوري را با توجه به فاصله کانونی میله لیزر و اثرات قطبش المان هاي اپتیکی طراحی کرده و سرانجام با برپایی نمونه آزمایشی این مشدد، نتایج به دست آمده در طراحی را به صورت تجربی با نتایج پیشبینی شده به صورت نظري، مقایسه میکنیم.
-2 فاصله کانونی عدسی گرمایی بلور Nd:YAG
تعیین فاصله کانونی عدسی گرمایی در طراحی مشدد لیزري بسیار مهم است. بدین سبب گام اول در طراحی مشدد لیزري بهدست آوردن فاصله کانونی میله لیزري میباشد. فاصلهکانونی را به هم به صورت نظري و هم به صورت تجربی - با استفاده از روش دوبار عبور پرتو لیزر He-Ne از داخل میله لیزري - [1] بهدست آوردیم
- نمودار. - 1 در انرژي الکتریکی دمشی 10 ژول و بسامد تکرار 10 هرتز، فاصلهکانونی میله لیزر را حدود f 6500mm اندازهگیري کردیم.
نمودار - : - 1 فاصلهکانونی عدسی گرمایی میله لیزري در بسامد تکرار 10هرتز براي انرژيهاي دمشی مختلف
-1-2 طراحی مشدد لیزري با اثراتگرمایی
مشدد سهشاخهاي منشوري به طول اپتیکیL را میتوان همانند مشدد خطی معادل با طول L در نظر گرفت شکل - . - 1 با انتخاب آینه جلویی و پشتی مشدد به صورت تخت، کمر پرتو داخل مشدد روي آینهها تشکیل میشود و اتلاف ناشی از تطبیق شعاعی در آینههاي جلویی و عقبی وجود ندارد. با توجه به کاواك لیزري ساخته شده، کمترین فاصله آینه تا صفحات اصلی میله لیزر60mm است. بالاترین حجم مدي مربوط به حالتی است که میله نزدیک آینه عقبی یا جلویی باشد - d1=60mm یا - d2
از طرفی زاویه واگرایی پرتو خروجی لیزر هنگامی که میله لیزر نزدیک آینه جلویی باشد - d1=60 - mm، کمتر از حالتی است که میله لیزر نزدیک آینه پشتی - d2=60 mm - است.
شکل - : - 1 نمونه طراحی شده مشدد سه شاخهاي کلید زنی شده
بهینه حالت طراحی براي تولید لیزر با بیشترین حجم مدي در حالت گاوسی به همراه کمترین زاویه واگرایی، وقتی است که میله لیزر نزدیک آینه جلویی باشد. در نمودار - 2 - میبینیم که اندازه شعاع لکه در میله لیزر به فاصله آینهها از میله وابسته است. در نتیجه حجم مدي مد پایه سیستم افزایش مییابد وM2 به سمت یک میل خواهد کرد. با توجه به اهمیت طول کوچک مشدد لیزري، در این طراحی حالت بهینهاي بین طول مشدد و نزدیکی فاکتورM2 به یک انتخاب میکنیم. با توجه به نمودار - 2 - طول مشدد را L=30cm انتخاب میکنیم. کمر پرتو در محیط فعال لیزر و اندازه کمر پرتو در آینهها را با توجه به فاصلهd2 =200mm وf 6500 mm ،بهدست میآوریم: W1=0.687 mm ، WL=0.6879mm W2=0.676mm با کمی دقت در نمودار - 4 - مشاهده میکنیم که با کاهش فاصله کانونی میله لیزري، فاکتور M2 بزرگتر میشود. به عبارتی پرتو از حالت گاوسی خارج میشود و زاویه واگرایی پرتو در حالت گاوسی و چند مدي، نیز افزایش مییابد
- نمودار. - 5 زاویه واگرایی در حالت چند مدي و مد پایه
براي لیزر طراحی شده با توجه به فاصله کانونی میله لیزر به ترتیب برابرθmn=1.3mrad وθ00=0. 46 mrad و فاکتور M2برابر با M2=8.45 خواهد بود.
نمودار - : - 2 نمایشی از قطر لکه روي میله لیزر بر حسب طول مشدد
نمودار - : - 3 زاویه واگرایی پرتو در آینه جلویی در دو حالت d1=60,d2=60 mm
نمودار - : - 4 نمایشی از افزایش M2 بر حسب کاهش فاصله کانونی
نمودار - : - 5واگرایی پرتو در حالت گاوسی و چندمدي در فواصلکانونی مختلف
-2-2 ایجاد تپ لیزري با پهناي زمانی کوتاه
براي بهدست آوردن تپ لیزري با پهناي زمانی کوتاه و توان خروجی بالا، میبایست در هنگامی که ولتاژ بلور الکترواپتیکی روشن است، خروجی لیزر باید صفر باشد.
این به معناي آن است که باید ماتریس جونز مشدد لیزري در یک رفت و برگشت جلوي قطبشگر خطی - نقطه 4 در شکل - 1 برابر با صفرشود:
با توجه به ویژگی هاي بلور LiNbO3 انتخاب شده، ولتاژ کلید زنی حدود 1/5 کیلو ولت میباشد. در حالتی که ولتاژ اعمالی به دو سر بلور صفر باشد، میتوان اتلاف ناشی از قطبش منشورها و قطبشگر خطی را در مشدد لیزري حساب کرد
ضریب اتلاف قطبش - - V را طبق رابطه زیر حساب میکنیم: V 2 mij ضرایب ماتریس جونز می باشد
فاکتور اتلاف پرتو - ∆V - طبق رابطه زیر بدست میآید: ∆V=1-V - 4 -
مقدار - ∆Vاتلاف شدت پرتو در یک رفت و برگشت - براي مشدد طراحی شده برابر 0/72 درصد محاسبه شد.
