بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله با استفاده از حل عددی معادلات نرخ لیزری برای لیزر فیبری پیوسته با آلایش ایتربیوم، مشخصات توری بازتابی براگ و لیزر دیود مورد استفاده برای پمپ را به دست آوردهایم. بر طبق محاسبات انجام شده، بهترین توری بازتابی به عنوان آینه خروجی، دارای بازتابندگی بهترین طول موج دیود پمپ از نظر پایداری توان خروجی، 915nm و از نظر بازدهی 976nm است. در ادامه با توجه به نتایج تئوری بدست آمده چیدمان تجربی نیز مورد بررسی قرار گرفته است ونتایج آن در نمودارهای جداگانه آورده شده است. نتایج تجربی در انطباق کامل با نتایج تئوری می باشد. بازدهی نوری لیزر نیز %70 می باشد.
مقدمه
لیزرهای فیبری توان بالا در حال حاضر به صورت گسترده ای مورد بررسی قرار میگیرند. از جمله برتریهای لیزرهای فیبری دو غلافه در مقایسه با لیزرهای حجیم، بازدهی بالا، حجم کم و کیفیت پرتو بسیار عالی [1] میباشد. از سوی دیگر، در محیطهای تقویت فیبری، نسبت سطح به حجم محیط فعال زیاد میباشد که در نتیجه خنک سازی آنها نسبت به لیزرهای حالت جامد بسیار آسانتر است
توان خروجی پیوسته 610 وات [3] و 1کیلو وات [4] توسط ژئونگ گزارش شده است و در سال 2008 نیز توان خروجی 6 کیلو وات به دست آمده است .[5] در حال حاضر ابزار قدرتمند برای شبیهسازی لیزرهای فیبری آلاییده با عناصر خاکهای کمیاب، معادلات نرخ حاکم بر محیط بهره میباشد که با داده های تجربی مطابقت کاملی دارد
در این مقاله با استفاده از معادلات نرخ لیزر فیبری، تاثیر انتخاب پارامترهای مناسب توریهای براگ فیبری و لیزر دیودها بر روی کارآیی لیزر فیبری ایتربیوم به صورت عددی مورد بررسی قرار گرفته است. در تمام این بررسیها اثر اتلاف زمینه در طول موجهای پمپ و لیزری را در نظر گرفتهایم. در ادامه نمودارهای تجربی لیزر آورده شده است.
-2 تئوری لیزر فیبری
برای لیزرهای توان بالای با محیط بهره ایتربیوم که از آینههای براگ فیبری استفاده میکنند، در شرایط پمپ زیاد و با فرض تک طول موج بودن لیزر خروجی، یونهای ایتربیوم به صورت سیستم شبه سه ترازه عمل میکنند و بنابراین میتوان از جذب حالت برانگیخته در طول موجهای پمپ و لیزر صرف نظر کرد .[7] شماتیک مورد بررسی در اینجا در شکل 1 آورده شده است. معادلات نرخ لیزری حالت مانا به صورت زیر می باشند
شکل:1 شمای بررسی لیزر فیبری
در شرایط ذکر شده میتوان از گسیل خود به خودی تقویت شده - ASE - صرف نظر کرد 12]،[11 ولی اثر اتلاف زمینه قابل چشم پوشی نبوده [7] و باید آن را نیز در محاسبات در نظر گرفت.
شرایط مرزی نیز عبارت از:
در معادلات 1 تا 7، g - z - ضریب تقویت در طول فیبر، وبه ترتیب مقادیر پمپ ورودی در جهت و خلاف جهت z ، ضریب جذب هسته فیبر در طول موج پمپ ورودی، و به ترتیب جذب زمینهی فیبر در طول موجهای سیگنال و پمپ و R1 و R2 ضرایب بازتاب آینههای پشت و جلو می باشند. نیمه عمر گسیل خود به خودی تراز بالای لیزری، سطح مقطع گسیل القایی در طول موج لیزر، Fp فاکتور بر هم نهی مد پمپ ورودی و توان خروجی لیزر و Af مساحت سطح مقطع هسته فیبر میباشد. همچنین و به ترتیب توان لیزر منتشر شونده در داخل رزوناتور در جهت مثبت محور z و در خلاف آن در مکان z می باشد.
-1-2 نتایج شبیهسازی وبحث درباره آن
در این شبیهسازی برای حل معادلات نرخ 1 تا 3 و با توجه به معادلات و شرایط مرزی 4 تا 7، از الگوریتم به کار رفته در مرجع [9] استفاده شده است. پارامترهای فیبر در نظر گرفته شده برای شبیه سازی، متناظر با فیبری دو غلافه متداول با قطر هسته 20 میکرومتر و قطر غلاف 400 میکرومتر میباشد. در شکل 2 و 3 ، سطح مقطعهای القایی و جذب غلاف فیبر در طول موج پمپ دیده می شود.
شکل:2 نمودار سطح مقطع القایی فیبر بکار رفته در شبیهسازی
ضریب اتلاف زمینه برای چنین محیطهای تقویت فیبری در بازه 800 تا 1100 نانومتر به دلیل جذب بالای هسته فیبر، به طور دقیق مشخص نیست. اما به طور تقریبی در طول موج 1090 nm برابر 0/005 m-1 و در طول موج 976 nm حدود 0/003 m-1 میباشد. چون در این بازه اتلاف زمینه به صورت خطی است [14]، رابطه اتلاف و طول موج به صورت زیر می باشد.
شکل:3نمودار جذب غلاف فیبر دو غلافه.
در ابتدا میبایست اثر دو پارامتر اصلی یعنی اثر تغییر ضریب بازتاب و تغییر طول موج مرکزی توری های بازتابی را مورد بررسی قرار می دهیم. برای شبیهسازی اثر طول موج مکزی بازتاب توری براگ، از داده های موجود در شکل 2 و رابطه 8 استفاده میکنیم. نتایج به دست آمده در شکل 4 آورده شده است.
شکل:4 نمودار تغییر توان خروجی با تغییر طول موج مرکزی بازتاب توریهای براگ در شمای پمپ از انتها با توان 100 وات
در این محاسبات، R1 را ثابت و برابر 1 در نظر میگیریم و ضریب بازتاب توری براگ خروجی را نیز از 0/1 تا 0/99 تغییر داده و هر بار با حل عددی معادلات نرخ، توان خروجی لیزر را بدست میآوریم. نتایج به دست آمده در شکل 5 آورده شده است. با توجه به شکل 4، برای چیدمان پمپ روبه جلو، بیشترین توان خروجی لیزر در طول موج 1020 nm میباشد. بازدهی در طول موج 1020nm به مقدار 10 تا 12 درصد از بازدهی در طول موج 1090nm بیشتر است. همچنین با توجه به سایر نمودارهای به دست آمده، این شرایط در دو ساختار پمپ دیگر یعنی پمپ روبه عقب و پمپ دوسویه نیز یکسان است.
همانطور که از شکل 5 مشخص است، بازدهی خروجی لیزر با افزایش ضریب بازتابندگی R2 کاهش می یابد. شاید در نگاه اول این موضوع در تضاد با لیزرهای حالت جامد معمول باشد، اما با توجه به [15] و محاسبه تقویت سیگنال کوچک از [16] مقدار g0 برابر34 m-1ر0 به دست میآید.از آنجا که ضریب تقویت سیگنال کوچک بزرگ میباشد، بیشترین بازدهی در ضریب بازتاب کمتر رخ میدهد. اختلاف کوچکی هم که بین سه شماتیک پمپ در شکل5 دیده میشود ناشی از تفاوت جزئی در g0 میباشد.
با توجه به شکل 3، بیشنه جذب یون های ایتربیوم در این فیبر در طول موج 915nm و976 nm میباشد که این دو طول موج را به طور خاص بررسی میکنیم. نمودار خروجی لیزر در اطراف طول موج 915nm و 976 nm در شکل های 6 و 7 آورده شده است.
شکل :5 تغییرات توان خروجی در ضریب بازتابهای متفاوت و در ساختارهای لیزری مختلف در طول ثابت 10 متر و پمپ ورودی 100 وات.
شکل:6 مقایسه نمودار خروجی لیزر در اطراف طول موج 915nm
شکل:7 مقایسه نمودار خروجی لیزر در اطراف طول موج 976nm با توان پمپ ورودی 100 وات
از مقایسهی شکلهای 6 و 7 میتوان دریافت که بازدهی لیزر در طول موج پمپ 976nm حدود % 12 بیشتر از بازدهی پمپ با طول موج 915nm میباشد. از طرفی دیده میشود که پایداری توان خروجی لیزر در طول موج پمپ 915nm بیشتر میباشد - یعنی توان خروجی وابستگی کمتری به نوسانات طول موج پمپ ورودی دارد - . با این حال با توجه به شکل 8 میتوان دریافت که با انتخاب طول مناسب محیط بهره، میتوان پایداری توان خروجی لیزر را در طول موجهای متغیر پمپ اطراف 976nm نیز افزایش داد - در شکل 8 با انتخاب طول 13 متر برای محیط فعال - .
-3نتایج تجربی
در بخش گذشته به صورت تئوری به بررسی عوامل موثردر ساخت یک لیزر فیبری دو غلافه ایتربیوم پرداختیم. اما می بایست از میان تمام این محاسبات به یک چیدمان واحد دست یابیم تا به توانیم به توان خروجی حداقل 200 وات دست یابیم. شماتیک کلی لیزر فیبری در شکل 9 آورده شده است. در این شماتیک 7 لیزر دیود 45 وات توسط یک کمباینر 7x1 به داخل فیبر 20/400 کوپل می شود. توری براگ فیبری 2، تمام بازتاب در طول موج لیزر و توری براگ 4 به صورت %10 بازتاب می باشد. قطعه 3 محیط فعالو طول آن 23 متر می باشد و با جذب 1.2dB/m و قطعه 5 درپوش انتهایی لیزر می باشد که توسط امکانات موجود در آزمایشگاه تولید شده است. قطر پیچه فیبر محیط فعال به منظور تکمد پرتو خروجی 10 سانتی متر قرار داده شد.
