بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله طراحی و ساخت تقویتکننده نوسان ساز میکرولیز سوییچ Q انفعالی Nd:YAG گزارش میشود. این میکرولیزر پالسهایی با انرژی 8 میکروژول و پهنای 800 ps در نرخ تکرار 2KHz و با فاکتور کیفیت باریکه M2<1.3 تولید می کند. پالسهای خروجی میکرولیزر بوسیله ی دو مرحله تقویت کننده فلشلامپی Nd:YAG تا انرژی پالس 12mW و قله توان15MW در نرخ تکرار 1-10 Hz تقویت شده است. نتایج تجربی بدست آمده با نتایج شبیه سازی به خوبی مطابقت دارد.
مقدمه
میکرولیزرهای سوییچQ انفعالی با داشتن ویژگیهای منحصر بفردی نظیر کیفیت پرتو بالا، پهنای پالس چند صد پیکو ثانیه تا یک نانو ثانیه، قله توان بیش از 10kW، نرخ تکرار چند کیلوهرتز و انرژی پالس چندین میکروژول، همچنین به علت حجم کم، قیمت پایین و بازدهی بالا کاربردهای فراوانی در زمینههای مختلف پیدا کردهاند. این کاربردها شامل اپتیک غیرخطی، فاصلهیابها، میکروماشینکاری، میکروجراحی، پرینتر سهبعدی و زمینههای دیگر که نیاز به پالسهای با پهنای زمانی کوتاه و نرخ تکرار بالا را دارند، میباشد.[1,2]
بهمنظور توسعهی کاربردها و استفاده از این نوع لیزرها در سیستم های طیفسنجی فروشکست القایی لیزری - LIBS - 1، نوسانساز پارامتری اپتیکی - - OPO ٍ، و فاصلهیابهای LIDAR َ و کاربردهای دیگر علمی و صنعتی، تقویت انرژی پالسهای میکرولیزرها از اهمیت ویژهای برخوردار است. در این مقاله سیستم تقویت توان میکرولیزر سوییچQ انفعالی به روش پمپاژ فلشلامپ که قابلیت تولید انرژی بیش از 12mJ با پهنای پالس کمتر از 1ns و نرخ تکرار 10Hz را دارد گزارش میشود.
بررسی نظری
محاسبات نظری فرآیند تقویت براساس مدل فرانتز و نودویک میباشد. همچنین در تقویتکنندههای چندمرحلهای میتوان از این معادله بهطور پیدرپی استفاده کرد.
در معادله 1، چگالی انرژی اشباع میباشد که برای یک لیزر چهارترازی با واهلش سریع تراز پایینی، به صورت = ℎ میباشد که h ثابت پلانک، فرکانس طولموج لیزر و سطحمقطع گسیل القایی است. همچنین 0 بهرهی سیگنال کوچک و طول موثر محیط بهره میباشد.
چیدمان تجربی
میکرولیزر استفادهشده در این چیدمان متشکل از یک محیط بهرهی Nd:YAG و یک محیط جاذب اشباع پذیر Cr:YAG میباشد که بوسیلهی روش اتصال نفوذی به هم متصل شدهاند. بلور بهره بوسیلهی یک منبع پمپاژ دیودی کوپل شده به فیبر و دو عدسی تصویرساز مطابق با شکل 2 پمپاژ میشود. شکل:2 طرحوارهای از سیستم تقویت کننده فلشلامپ میکرولیزر سوییچ Q انفعالی. این میکرولیزر پالسهایی با انرژی 8 میکروژول و پهنای پالس 800 پیکوثانیه در نرخ تکرار 2kHz و با کیفیت باریکه M2 کمتر از 1.3 تولید میکند.
برای تقویت خروجی این میکرولیزر ما از تقویت کننده دو مرحلهای استفاده کردهایم. هرکدام از تقویت کنندهها تشکیل شده است از یک میلهی Nd:YAG با قطر 5 میلیمتر و طول 120 میلیمتر که توسط یک لامپ زنون به طول آرک 96 میلیمتر از کنار پمپاژ میشوند. این تجهیزات در یک محفظه از جنس سرامیک قرار گرفتهاند.
لامپها توسط یک منبع تغذیهی پالسی پمپ میشوند که پالسهای الکتریکی با نرخ تکرار 1-10 Hz را تا 40 ژول تولید میکند.
همانطور که در شکل 2 مشاهده میکنید باریکهی خروجی میکرولیزر توسط یک باز کنندهی باریکه پهن میشود تا همپوشانی آن با محیط بهره افزایش یابد. سپس این باریکه که دارای قطبش خطی نیز میباشد از یک تیغهی نیمموج عبور میکند تا محور قطبش آن منطبق با محور قطبش ورودی ایزولاتور شود. از این ایزولاتور جهت جلوگیری از برگشت نورهای احتمالی به درون میکرولیزر و آسیب رساندن به آن استفاده شده است. در آخر هم با تنظیم کردن آینهها باریکه از تقویت کنندهی اول و دوم عبور میکند. در این چیدمان از یک سیستم الکتریکی همزمانساز برای تنظیم پالسهای میکرولیزر و پالسهای منبعتغذیه فلشلامپ استفاده شده است.
در شکل 3 انرژی خروجی از دو مرحله تقویت کنندهی Nd:YAG را برحسب انرژی پالس پمپاژ رسم کردهایم. شکل:3 دادههای تجربی انرژی پالس خروجی از تقویت کننده Nd:YAG برحسب انرژی پمپاژ الکتریکی. همانطور که مشاهده میشود در انرژی پمپاژ 40J، پالسهای خروجی با انرژی12mJ و پهنای پالس 800 پیکوثانیه که متناظر با قلهی توان بیش از 15MW قابل دستیابی میباشد. پروفایل شدت باریکهی خروجی تقویت شده بهصورت شکل زیر میباشد که شکل گوسی پرتو خروجی از میکرولیزر را حفظ کرده است.
