بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، طراحی و ساخت دستگاه اتوکرولاتور با استفاده از یک فوتودیود با رفتار غیر خطی بررسی میگردد. در این روش بجاي تولید نور هارمونیک دوم از اثر غیرخطی تولید حاملهاي آزاد القایی دو فوتونی استفاده شده است. با این وسیله پالسهایی با طول 213 فمتوثانیه و مدولاسیون فازي - چیرپ خطی - 4/16×10-9 اندازهگیري شده است.
١- مقدمه
لیزرهاي فوق کوتاه داراي کاربردهاي فراوانی در صنعت و تحقیقات میباشند. در این میان دانستن مشخصات زمانی پالس بسیار مهم و حیاتی است. براي مثال در کاربردهاي لیزرهاي فمتوثانیه در نانو ماشین کاري طول پالس در کیفیت کار نقش اساسی دارد. همچنین در سنجش از دور براي تولید ابر پیوستار سفید توسط افروزهها در مسافتهاي قابل کنترل نیاز است که میزان چرپ پالس را کنترل کرده و براساس آن فاصله تولید افروزه مشخص شود.
در اندازهگیريهاي متداول مشخصات زمانی پالسهاي فوقکوتاه از تولید نور توسط فرآیندهاي غیرخطی درجه دو یا سه استفاده میشود.[2] مرسوم ترین روش، ساخت اتوکرولاتور با استفاده از یک تداخلسنج و بلور غیرخطی براي هارمونیک دوم میباشد. این روش نیازمند برقراري تطابق فازي دقیقی بوده و داراي مشکلات عملی میباشد.
به عنوان مثال در اثر پاشندگی سرعت گروه با انتشار پالس در داخل بلور طول زمانی پالس پهن شده و در نتیجه باعث خطا در اندازهگیري میشود. همچنین عدم تطابق فازي دقیق منجر به حذف برخی از مولفههاي بسامدي میگردد و در نتیجه مشخصات زمانی پالس تغییر میکند. به منظور کمینه ساختن این مشکلات باید بلوري با ضخامت بسیار کم مورد استفاده قرارگیرد. تهیه این بلور دشوار و پرهزینه میباشد.[3] بعلاوه براي ضخامت کم بلور بازده تبدیل نور هارمونیک دوم بسیار کم و براي آشکارسازي آن نیاز به فوتومالتیپلایر است. این دستگاه بسیار حساس و گرانقیمت میباشد.
با توجه به توصیفات بیان شده استفاده از سایر اثرات غیرخطی درجه دو مورد توجه قرار میگیرند.[3] یکی از این روشها استفاده از تولید حاملهاي آزاد دو فوتونی در نیمهرساناها میباشد. مهمترین مزیت استفاده از این روش در اندازهگیري مشخصات زمانی پالسهاي فوقکوتاه آن است که پاسخ دوفوتونی و تبدیل سیگنالهاي نوري به سیگنالهاي الکتریکی در یک دستگاه انجام میشود.
در این مقاله طراحی وساخت اتوکرولاتور مبتنی بر استفاده از فوتودیود ارائه میشود. با اسفاده از این روش میتوان طول پالس و میزان مدولاسیون فازي - چیرپ خطی - پالسهاي فوقکوتاه را اندازهگیري نمود.
٢- تئوري توابع خودهمبستگی تداخلی
فرض کنید در چیدمان مایکلسون، خروجی توسط یک فرآیند غیرخطی درجه دو آشکار سازي گردد. سیگنال آشکار شده به همبستگی تداخلی معروف است. تابع همبستگی تداخلی عبارت است از:
در عبارت بالا - G2 - τ تابع همبستگی تداخلی، E1 و E2 میدانهاي الکتریکی بازوهاي تداخلسنج میباشند و τ پارامتر تاخیر است.
اگر در رابطه - 1 - میدانهاي بازوهاي تداخلسنج با یکدیگر برابر باشند آنگاه سیگنال اندازهگیري شده تابع خودهمبستگی تداخلی نامیده میشود. هنگامی که تاخیر بین میدانها صفر است خودهمبستگی تداخلی بیشینه مقدار خود را دارا میباشد و اگر تاخیر به سمت بینهایت میل کند خودهمبستگی تداخلی به یک مقدار ثابت زمینه میل مینماید. میتوان دید که نسبت مقدار بیشینه به مقدار زمینه برابر با 8 است.[4] اطلاعاتی را که میتوان از تابع خود همبستگی تداخلی به دست آورد عبارت اند از:
-1 تعیین وجود یا عدم وجود مدولاسیون فازي و نوع آن.
-2 اندازهگیري کمی میزان چرپ خطی.
-3 تعیین شکل پالس و فاز آن با استفاده از روشهاي برازش. البته براي به دست آوردن این کمیات علاوه بر تابع خود همبستگی تداخلی نیاز به طیف پالس نیز میباشد.[
٣- طراحی و ساخت
شکل نمادین اتوکرولاتور در شکل - 1 - نشان داده شده است. این سیستم از دو بخش تشکیل شده است :
الف - قسمت مربوط به تداخل سنج مایکلسون و سیستم مربوط به جاروب کردن تاخیر زمانی
ب - آشکارساز غیرخطی.
شکل :1 شکل نمادین اتوکرولاتور مبتنی بر استفاده از فوتودیود.
M1 و M2 آینه تمام بازتاب، PD فوتودیود، BS باریکه شکاف و L عدسی می باشد.
تداخلسنج مایکلسون یکی از سادهترین تداخلسنجهاي مرسوم میباشد که تعداد قطعات نوري آن کم و بسیار ساده قابل تهیه است. البته داراي معایبی نیز میباشد. به عنوان مثال متعادل کردن آن بسیار دشوار بوده و با کوچکترین لرزه از حالت تعادل خارج میشود. همچنین کمترین ارتعاشات محیط باعث تغییر آرایش فریزهاي تداخلی میشود. بارزترین مزیت سیستم تداخل سنج مایکلسون آن است که تولید تاخیر زمانی نوسانی با این سیستم بسیار آسان است و کافی است که در یکی از بازوهاي تداخلسنج فاصله بین باریکه شکاف و آینه را به طور نوسانی تغییر دهیم. براي این کار از یک بلندگوي صوتی استفاده کردهایم.
اگر به این بلندگو یک سیگنال سینوسی با فرکانس معین داده شود بنا به قوانین نوسانات واداشته، پرده بلندگو با همان فرکانس نوسان میکند. اگر یک آینه را بر روي این پرده قرار دهیم، این آینه نیز با همان فرکانس مشخص حول نقطه تعادل بلندگو شروع به نوسان می کند. بنابراین فاصله بین آینه و باریکه شکاف به طور نوسانی کم و زیاد میشود و این تغییر فاصله باعث به وجود آمدن یک تاخیر زمانی نوسانی میشود.
در آزمایشات از نوع G1117 فوتودیودهاي GaAsP استفاده کردهایم که پهناي طیفی پاسخ خطی آن بین 300 تا 680 نانومتر بوده و بیشینه پاسخ طیفی آن در طول موج 640 نانومتر میباشد. ضخامت لایه فعال این فوتودیود از مرتبه چند میکرومتر و زمان پاسخ گویی آن حدود 15 میکروثانیه است. اگر از این فوتودیود در ناحیه طول موجی 680 تا 1360 نانومتر استفاده شود به جاي اینکه با جذب یک فوتون یک جفت حامل آزاد در نوارهاي رسانش و ظرفیت تولید شود با جذب دوفوتون یک جفت حامل آزاد تولید میگردد. در واقع در این ناحیه طول موجی، فوتودیود جذب دوفوتونی انجام میدهد و رفتاري غیر خطی دارد.
براي تقویت خروجی فوتودیود از یک تقویت کننده جریان استفاده شده است.
پاسخ فوتودیود به پرتو یک لیزر قفلمد شده تیتانیوم سفایر - Tsunami, spectra-physics - قطار پالسهایی با نرخ تکرار 83 مگاهرتز و طول موج حامل 830 نانومتر بر حسب توان متوسط فرودي اندازهگیري شده است. نتایج در شکل - 2 - نشان داده شدهاند. براي اندازهگیري این نمودار با رابطه بالا طول پالس حدودا برابر با 213 فمتوثانیه بوده و استفاده از عدسی با فاصله کانونی 38 میلیمتر باریکه لیزر را میزان چیرپ خطی آن برابر با4/16× 10-9 میباشد. بر روي فوتودیود کانونی نمودیم.
همانطور که از شکل معلوم است در توانی حدود 140 میلیوات رفتار فوتودیودکاملاً درجه 2 میباشد. براي توانهاي بالاتر - بزگتر از 300 میلیوات - فوتودیود از حالت درجه دو خارج میشود و شروع به نشان دادن رفتار غیر خطی مراتب بالاتر میکند.
۴- اندازهگیري رد خود همبستگی و مشخصات
پالس
با استفاده از دستگاه ساخته شده رد تابع خودهمبستگی براي قطار پالسهایی با نرخ تکرار 83 مگاهرتز وطول موج حامل 830 نانومتر اندازهگیري شده است. این رد در شکل - 3 - نشان داده شده است.
یک تابع تحلیلی، با فرض این که شکل پالسها گاوسین است، بر روي نتایج اندازهگیري شده برازش شد. نقاط دایرهاي، نقاط اندازهگیري شده روي پوش رد تابع خودهمبستگی میباشند - شکل - . - - 4 ضریب ثابت بین FWHM رد تابع خودهمبستگی تداخلی و طول پالس عبارت است از:
شکل :4 برازش یک تابع تحلیلی خودهمبستگی پالسی با شکل گاوسین بر روي نتایج تجربی. نقاط بیانگر نتایج تجربی هستند.
براي کالیبره نمودن محور افقی اسیلوسکوپ - محور زمان - دو برابر مقدار جابجایی پرده بلندگو، که معادل با اختلاف مسیر نوري بین دو باریکه بازوهاي تداخلسنج میباشد، را بر سرعت نور تقسیم مینماییم تا میزان تاخیر زمانی بین دو پالس به دست آید. براي به دست آوردن جابجایی پرده بلندگو از یک لیزر هلیوم نئون استفاده نمودهایم.
