بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله، طراحی و ساخت لیزر فیبری 5 کیلو وات گزارش شدهاست. برای ساخت این لیزر، 5 لیزر فیبری با توانی بیش از 1 کیلو وات با طولموج 1080 نانومتر به روش آرایهای با هم ترکیب شدهاند. برای ترکیب پرتوهای لیزری، از منشورهای راست گوشه استفاده شدهاست. با طراحی و ساخت یک شاسی و جابجاگرهایی با 5 درجه آزادی جهت نگه داشتن منشورها و تنظیم اپتیکی باریکههای لیزری، پرتوها به فیبری با مغزی 200 میکرون و گشودگی عددی 0/22 تزویج شدهاند. کیفیت پرتو نهایی در راستاهای x و y به ترتیب 19/2 و 26/4 اندازهگیری گردید و بازده توانی ترکیب حدود 97 درصد است.
-1 مقدمه
با توجه به پیشرفتهای اخیر در عرصه طراحی و ساخت فیبرهای نوری و لیزرهای دیودی، امکان ساخت فیبرهایی با ناحیه مدی بزرگ و لیزرهای دیودی با درخشندگی بالا حاصل شده است. این امر سبب شده تا لیزرهای فیبری هم از جهت توان و هم از نظر کیفیت پرتو، متحول شوند. این لیزرها به دلیل داشتن برتریهای خاص، در رتبهی اول لیزرهای صنعتی قرار گرفتهاند. از جمله مزیتهای لیزرهای فیبری میتوان به قابلیت دستیابی به توانهای بالا، کیفیت پرتو عالی، کمحجم بودن، طولعمر طولانی، پایداری مناسب، هزینه پایین تعمیر و نگهداری، بازده اپتیکی بالا، خنکسازی آسان و بکارگیری سادهتر در مقایسه با سایر لیزرهای صنعتی اشاره نمود.
با توجه به محدودیتی که در ساخت ماژولهای لیزری فیبری پرتوان وجود دارد، ابتدا باید ماژولهایی با حداکثر توان ممکن ساخته و سپس آنها را با یکدیگر ترکیب نمود. از جمله محدودیتهای یاد شده، میتوان به نوع رفتار قسمتهای مختلف اجزا تشکیلدهنده لیزر همچون ماده فعال، ترکیبکنندهها و آینههای فیبری در توانهای بالا اشاره نمود. توجه به اثرات غیرخطی و حرارتی هنگام ساخت لیزر از اهمیت زیادی برخوردار است. در حالت کلی پرتوهای لیزری میتوانند با چهار روش همدوس[1]، طیفی[2]، قطبشی[3] و آرایهای[4] با یکدیگر ترکیب شوند.
در این کار از روش ترکیب آرایهای با توجه به عدم نیاز به المانهای کنترلی و قابلیت صنعتیسازی استفاده شده است. طرحوارهای از این روش در شکل 1 آورده شدهاست. بنابراین در این روش، درخشندگی پرتو نهایی کمتر و در بهترین حالت برابر با درخشندگی تکالمان خواهد بود. در این مقاله با ترکیب پنج لیزر فیبری با توانی بیش از 1 کیلو وات، با روش ترکیب آرایهایی و در نهایت با تزویج پرتو حاصله درون یک فیبر نوری، امکان دستیابی به یک پرتو با توان 5 کیلوات فراهم شدهاست.
-2 شبیهسازی ترکیب پرتوها
لیزرهای فیبری مورد استفاده برای ترکیب، دارای فیبرهای خروجی با مغزی-غلاف 20/400 میکرون و گشودگی عددی 0/06 هستند. قسمت انتهایی این فیبرها به یک کانکتور-کالیماتور ساخت شرکت Optoskand متصل شده است. لنز موجود در این کالیماتور دارای فاصله کانونی 50mm با پوشش ضدبازتاب در ناحیهی IR میباشد. این لنز سبب میشود تا پرتو خروجی از آن دارای اندازه لکه 6mm و واگرایی 0/4mrad باشد.
از مشخصات بسیار مهم در ترکیب آرایهای، ضریب پرشدگی پرتوهای کنار هم چیدهشده میباشد. این مشخصه به صورت نسبت قطر یک لکه - d - به فاصله بین مراکز لکهها - D - تعریف میشود و مشخصکننده اندازهی نهایی لکههای کنار هم چیدهشده بر روی لنز تزویجگر میباشد. برای رسیدن به ضریب پرشدگی بزرگتر و اندازه لکهی کوچکتر بر روی لنز تزویجگر از منشورهای راستگوشه استفاده شدهاست. پرتو خروجی هر لیزر توسط منشور90 درجه تغییر جهت داده و در راستای تزویجگر قرار میگیرد. برای نصب منشورها و اعمال تغییر جهت ذکر شده، جابجاگرهایی با 5 درجه آزادی طراحی و ساخته شد.
در روش ترکیب آرایهای، باریکههای متعددی از لیزرهای فیبری پرتوان توسط آرایهای از لنزها، موازیشده و با استفاده از لنز تزویجگر در فیبر انتقالدهنده تزویج میشوند. توان و اندازهی پرتو ترکیب شده متناسب با تعداد المانها بوده و واگرایی آن، به اندازهی واگرایی یک المان منفرد میباشد. هر کدام از منشورها در صفحه عمود بر راستای تزویجگر نسبت به هم دارای جابجایی عرضی و افقی هستند و در امتداد راستای تزویجگر، در فاصلههای طولی منظمی، نسبت به یکدیگر قرار گرفتهاند. مقدار این جابجاییهای عرضی و افقی به اندازه لکهی هر یک از لیزرها و ابعاد منشورهای استفاده شده و فاصله طولی منشورها به ابعاد کالیماتور خروجی لیزرها و مانتهای نگهدارنده منشورها بستگی دارد.
ابعاد منشورها 7/5×7/5 میلیمتر و فاصلهی عرضی بین آنها 8/5 میلیمتر است. نتیجه این ترکیب، پرتویی با ضریب پرشدگی 66 درصد و اندازه لکهی 24 میلیمتری بر روی لنز تزویجگر است - شکل . - 3 شکل :3 الف- چیدمان منشورها، بر روی شاسی، ب- فاصلهی بین منشورها و لکهها، در نمای عرضی، .d=6mm ,D=8.5mm شبیهسازی ترکیب این لکهها و تزویج آنها به فیبر توسط نرم افزار Zemax صورت گرفتهاست. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که استفاده از لنزی با فاصله کانونی 200mm و قطر دهانه 2 اینچ، اندازه لکهای برابر با 170m در محل کانون ایجاد میکند - شکل. - 4 این اندازه لکه، قابلیت تزویج نور به فیبرهای با مغزی 200m و بالاتر را فراهم میکند. در چیدمان آزمایشگاهی و همچنین در چیدمان صنعتی شده آن، تزویج به فیبر با مغزی 200m صورت گرفتهاست.
-3 نتایج تجربی
پس از آمادهسازی شاسی و تجهیزات مورد نیاز ترکیب آرایهای، کالیماتور لیزرهای مورد استفاده برای ترکیب و نگهدارندههای منشور بر روی شاسی ترکیب نصب گردید. منشورها با استفاده از چسب اپتیکی مخصوص بر روی نگهدارندهها نصب شد. پرتوهای لیزری پرتوان با استفاده از این منشورها، تغییر مسیر 90 درجهای داده و به صورت موازی با یکدیگر و در فاصله عرضی یکسان نسبت به هم، وارد تزویجگر میشوند .
در تزویج پرتوها، بازدهی ترکیب با توازی پرتوهای ورودی و فاصله بین آنها رابطه مستقیم دارد. از اینرو تنظیمات اپتیکی اولیه با استفاده از نگهدارندههای منشور، در توان پایین انجام گردید و پروفایل پرتوها در محل ورودی لنز تزویجگر همانند شکل-4الف مشاهده شد. با توجه به ابعاد منشورها و چگالی توان بالا، تست حرارتی هریک از منشورها در توان یک کیلوات انجام شد. حداکثر دمای مشاهده شده برای منشورها، 34 درجهی سانتیگراد اندازهگیری شد.
میزان اتلاف در بازتاب از منشورها کمتر از 0/3 درصد محاسبه گردید. پس از نصب تزویجگر، همراستاسازی محور اصلی آن با پرتوهای ورودی انجام گردید - شکل. - 6 در ادامه فیبری با قطر مغزی 200m و زاویهی پذیرش 0/22 به تزویجگر متصل گردید. نمایی از سیستم ترکیب نهایی در شکل 7 آورده شدهاست. پس از بهینهسازی بازدهی ترکیب با استفاده از پیچهای تنظیم تزویجگر در توان پایین، بازدهی ترکیب در توانهای مختلف اندازهگیری شد. برای ترکیب نهایی در توان خروجی 5 کیلووات از فیبر انتقال 200m ، بازدهی 97 درصد به دست آمد.
