بخشی از مقاله
چکیده-
توزیع شدت پرتوي لیزر اغلب براي کاربردهاي عملی به ویژه آنهایی که احتیاج به توزیع شدت یکنواخت دارند، نا مطلوب است. براي حل این مشکل ،روش هاي بسیاري پیشنهاد شده است.از میان این روش ها ،آینه هاي سوپر گوسی که نسبت به بقیه عملی ترند داراي ضخامت متغیر شعاعی می باشند و با روش نشست فیلم نازك دي الکتریک تولید می شوند.آینه هاي سوپرگوسی در مشددهاي ناپایدار لیزرهاي Nd:YAG و CO2براي تبدیل پرتو گوسی به پرتوي قله–تخت به کار می روند.در این مقاله به چگونگی طراحی و ساخت آینه سوپر گوسی براي لیزر Nd:YAG می پردازیم.
– 1 مقدمه
در بسیاري از فرآیندها در صنعت،مثل گداخت لیزر و رفتار گرمایی لیزر و یا فرآیندهایی در پزشکی،مثل جراحی قرنیه،لازم است که توزیع شدت پرتو لیزر در سطح وسیعی یکنواخت باشد. پرتوهاي یکنواخت می توانند از طریق ایجاد تغییرات برون کاواکی مثل سیستم اپتیک دوشکستی ، مدلاتور دوبعدي آکوستو-اپتیکی و ... به دست آیند
پرتوهاي یکنواخت همچنین میتوانند با حضور المنت هاي اپتیکی داخل رزوناتورلیزر به دست آیند، مثل المنت هاي اپتیکی پرا شی ، آینه گوسی و آینه سوپر گوسی
این ابزارها را شکل دهنده هاي پرتو لیزرمی نامند. اگرچه برخی از این روش ها مفید است، اما هیچکدام از آنها، به خاطر پیچیدگی و هزینه ساخت ،به طور گسترده اي مورد استفاده قرار نگرفت. پرتوي ورودي ،هندسه سیستم و کیفیت پرتوي خروجی، همگی بر انتخاب تکنیک شکل دهی پرتو اثر می گذارند. از میان این تکنیک ها آینه هاي انعکاسی درجه بندي شده GRM1 یا آینه هاي انعکاسی متغیر VRM2 یا گوسی یا سوپر گوسی از بسیاري لحاظ نسبت به روش هاي دیگر بهتر است.
آینه گوسی که اولین بار توسطLavigne و همکارانش در سال 1985 پیشنهاد شد [2] با آینه هاي معمول از یک جهت متفاوت است ،بطوریکه در آنها، حد اقل یکی از لایه هاي دي الکتریک داراي ضخامت متغیر شعاعی است. استفاده از آینه هاي گوسی اثرات مخرب پراش لبه اي را به ویژه براي رزوناتورهاي ناپایدار کاهش میدهد. با این حال ، نمایه گوسی داراي دنباله هاي طولانی است و براي جلوگیري از اختلال هاي پرتو بوجود آمده در لبه ماده فعال ، اندازه لکه باید به طرز قابل توجهی کوچکتر از سطح مقطع ماده فعال باشد. می توان این محدودیت رابا استفاده از آینه هاي سوپر گوسی رفع کرد
نمایه انعکاسی شدت R - r - آینه سوپر گوسی با رابطه زیر داده می شود:
که در آن r مولفه شعاعی، R0 انعکاس قله ، ω اندازه لکه - فاصله شعاعی که در آن شدت انعکاسی به 1 / e2 مقدار ماکزیمم کاهش می یابد - ، و n مرتبه سوپر گوسی است که شکل منحنی را تعیین میکند.نمایه هاي این تابع براي چند مقدار n در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل.1 نمایه سوپر گوسی با مرتبه هاي مختلف
دلایل انتخاب این نمایه این است که مدهاي کاواك به صورت زنگوله اي شکل می باشند و تخت تر از منحنی گوسی اند و بنابراین مانع حلقه هاي پراش می شوند.این منحنی امکان تطابق مناسب نمایه هاي انعکاسی مختلف را فراهم می کند، شکل ها در مرکز تخت تر می باشند و با شیب بیشتري نسبت به منحنی گوسی - - n=2 به سمت صفر میل می کنند،وقتی مرتبه سوپرگوسی افزایش می یابد،پروفایل هاي مدي پهن تر می شود و بنابراین منجر به پر شدن بهتر محیط فعال می شود.لیزر Nd:YAG براي چهار آینه سوپر گوسی آزمایش شده است،شکل 2 مقایسه اي بین نمایه هاي سوپر گوسی براي n هاي مختلف را نشان می دهد
-2 روش ساخت آینه هاي سوپر گوسی
نمایه هاي انعکاسی گوسی براي بدست آوردن انرژي کارآمد لیزر،بهینه نیست.بنابراین نمایه هاي دیگري مثل سهموي، فرمی-دیراك وسوپرگوسی مورد بررسی قرار گرفت.تابع سوپر گوسی، به علت اینکه داراي نمایه هاي با لبه تیز
شکل.2نمایه هاي شدت انعکاس آینه هاي سوپر گوسی[3]
تکنیک ساخت آینه سوپر گوسی به این ترتیب است که ماسکی با حفره D بین هدف وزیرلایه ، در فاصله H از زیرلایه قرار میگیرد . ایجاد لایه هاي متغیر به خاطر اثر سایه زنی ماسک است . به خاطر اثر سایه زنی نمایه هاي انعکاسی ، همواره زنگوله اي شکل میباشند و می توانند با منحنی هاي سوپر گوسی که n و ω آنها به D و H بستگی دارند تقریب زده شوند
در فرآیند ساخت آینه هاي سوپرگوسی تفاوت هایی وجود دارد . اختلاف اصلی در شکل ماسک است. شکل ماسک بستگی به امکانات قابل دسترس، مثل وسیله برش لیزر براي ساخت ماسک و حرکت اتوماتیک در خلأ دارد . [5] ساده ترین نوع GRM نشست تک لایه متغیر است. نوع دیگر ، نوع ساندویچی است که در آن یک لایه متغیر در کپه اي از لایه هاي با ضخامت یکنواخت قرار میگیرد. در این نوع ، ماسک در وسط لایه نشانی وارد و خارج می شود که این امر موجب افزایش آلودگی و پراکندگی می گردد
در نوع دیگر GRM تمام لایه ها داراي ضخامت متغیر میباشند و از طریق ماسک نشست می یابند ،در این حالت تغییرات ضخامت لایه ها مشابه است و فرآیند نشست پیوسته است،بطوریکه زمان ساخت و خطر آلودگی کاهش می یابد .
در آینه سوپر گوسی مورد نظر ما تمام لایه ها متغیر است. لایه نشانی در خلأ 10−5 Torr و در دمايCْ200 توسط دستگاه لایه نشانی بالزر 760 به روش PVD3 انجام می شود . قدم اول ، لایه نشانی ضد انعکاسی AR بر روي زیرلایه است .زیرلایه باید شفاف باشد. براي طول موج 1064nm ، زیرلایه BK-7 با شاخص شکست n=1.5 مناسب است . MgF2 با شاخص شکست پایین n=1.38 می تواند به عنوان لایه نشانی ضد انعکاسی به کار رود .
ماسک با فاصله کم جلوي هر زیرلایه قرار میگیرد . اندازه ضخامت لایه متغیر شعاعی میتواند با افزایش زاویه α افزایش یابد . زاویه αزاویه محور چرخش با مسیر منبع تبخیر کننده است . αبه طور تقریبی می تواند تا 15 درجه باشد
شکل.3سیستم نشست لایه
لایه اول داراي ضریب شکست بالا ،TiO2 با ضریب شکست 2,25 و لایه دوم با ضریب شکست پایین - n=1,46 - SiO2 است و لایه سوم داراي ضریب شکست بالا یعنی TiO2 است ، به همین ترتیب الگوي بالا و پایین را تکرار میکنیم تا به انعکاس مطلوب برسیم - شکل . - 4براي انعکاس بالاتر از 50%حداقل سه لایه نیاز است.
شکل.4 لایه نشانی انعکاسی متغیر
اگر N شماره لایه N - فرد - باشد، هرلایه داراي ضخامت مرکزيλ / 4 است . دستگاه لایه نشانی داراي ضخامت سنج کریستالی و اپتیکی براي کنترل ضخامت لایه می باشد. نمایه ضخامت با دستگاه Dektak اندازه گیري میشود. Dektak نمایه سطح عمودي نمونه را تحلیل میکند که میتواند به عنوان منحنی کالیبراسیون براي تبخیرهاي بعدي استفاده شود.پس از انجام مراحل ساخت، نمونه توسط دستگاه Varian-Carry 500 مورد طیف سنجی قرار میگیرد .این کار در طول موج ثابت 1064nm صورت می گیرد و حرکت آن از وسط قطعه لایه نشانی شده به اطراف ، یا از یک طرف قطعه به طرف دیگر می باشد.
