بخشی از مقاله
چکیده -
در لیزر دیسک MOPA پرتو اولیهای از داخل دیسک فعال دمش شده، عبور داده میشود تا توان آن تقویت گردد. به دلیل نازک بودن دیسک، لازم است که پرتو اولیه جهت تقویت مناسب، چندین بار بر روی آن بتابد. این کار نیازمند طراحی یک سامانه اپتیکی است. مهمترین قید در طراحی این سامانه این است که قطر لکه در هر بار تابش بر روی دیسک ثابت بماند.
در این مقاله طراحی و تحلیل یک سامانه هشت بار عبوری ارائهشده است. با استخراج ملاحظات اپتیکی و مکانیکی و نوشتن برنامه حل عددی، مشخصات دقیق این سامانه به دست آمد. بهمنظور تحلیل و بررسی سامانه طراحیشده، شبیهسازیهایی با نرم افزار Zemax و Oslo انجام شد. بررسی ابیراهی آستیگماتیسم و قطر لکه بر روی اجزاء اپتیکی و نیز بررسی مشخصات پرتو در صورت تغییر شعاع انحنای دیسک نشان داد که سامانه طراحیشده مشخصات لازم برای یک سامانه تقویت را داراست.
-1 مقدمه
یکی از ویژگیهای منحصربهفرد لیزرها که باعث کاربرد روزافزون آنها شده است توان خروجی بالا با وجود داشتن قطر لکه کوچک است. به همین دلیل یکی از جهتگیریهای اصلی در توسعه لیزرها، افزایش توان خروجی لیزرها همزمان با بهبود کیفیت پرتو آن است.[1] لیزر دیسک به دلیل نازک بودن ماده فعال آن، برای دستیابی به این هدف طراحی و ساخته شد[2]، ازاینرو روشهای مختلفی برای استحصال توان بالای خروجی توسط این لیزر پیشبینی و موردبررسی قرار گرفت.
یکی از جدیدترین این شیوهها استفاده از روش تقویتکننده نوسان کننده اصلی - Master Oscillator - Power Amplifier یا بهاختصار MOPA است. هدف از طراحی این روش، تولید لیزری با توان بالا و کیفیت پرتو بسیار خوب است. در روش دیسک MOPA، تقویتکننده، یک لیزر دیسک دمش شده است که پرتو لیزر اولیه از آن عبور میکند .
ازآنجاکه ماده فعال دیسکی دمش شده، بسیار نازک است، پرتو لیزر اولیه با یکبار عبور از آن نمیتواند تمام وارونی جمعیت آن را تخلیه کند [4] و بازدهی تقویت بسیار اندک خواهد بود، به همین دلیل لازم است تا باریکه لیزر اولیه را چندین بار از داخل دیسک دمش شده عبور داده شود. برای همین منظور باید در لیزر دیسک MOPA از یک سامانه اپتیکی چندبار عبور استفاده کرد تا پرتو لیزر اولیه را چندین بار از داخل دیسک دمش شده عبور دهد.
-2 طراحی سامانه چند بار عبوری تقویت
برای ساخت یک سامانه چند بار عبوری باید ساختار اپتیکی طراحی کرد که باریکه لیزر اولیه را چندین بار از داخل دیسک عبور دهد.
-1-2 ملاحظات طراحی سامانه چند بار عبوری تقویت
اولین مسئله در طراحی سامانه چندبار عبوری، استخراج ملاحظات کارکردی سامانه هستاولاً: این سامانه، باید در هر بار بازتاباندن پرتو لیزر اولیه بر روی دیسک دمش شده، لکهای ثابت و برابر با قطر دمش را ایجاد کندثانیاً.، باید دارای ساختار و شکل هندسی منظم و قابل ساختی به لحاظ مکانیکی باشد. شکل 1 یک سامانه چندبار عبوری با ساختاری منظم را نشان میدهد که دیسک دمش شده در محور آن قرار دارد.
همانطور که این شکل نشان میدهد پرتو لیزر اولیه ورودی - فلش خطچین کوتاه - پس از برخورد به دیسک و عبور از دو آینه روبرویی و یک آینه کناریمجدداً به دیسک برخورد میکند و پس از عبور از داخل دیسک مجدد از آن بازتاب شده باز وارد سامانه می گردد و این باربا طی مسیر دیگری مجدداً بر روی دیسک میتابد. ردیابی کامل پرتو برای یک سامانه 8 بار عبوری در تصویر پایینی شکل1 نشان دادهشده است. این تصویر از پشت حلقه مقابل دیسک ترسیمشده است و حلقه نازک مرکزی که بر روی آن چهارآینه قرارگرفته حلقه اول است که دیسک دمش شده در مرکز آن است.
-2-2 طراحی سامانه اپتیکی
پس از طراحی ساختار کلی سامانه اپتیکی باید فاصله دو حلقه آینهها از همدیگر و شعاع حلقهها و شعاع انحنای آینهها، قطر دهانه آینهها بهدقت مشخص شود. اما برای به دست آوردن این پارامترها باید به چند نکته توجه کرد.
اول اینکه بهتر است فاصله حلقه دوم از حلقه اول - که دور دیسک قرار دارد - تا حد امکان کوچک باشد تا ابیراهی آستیگماتیسم به حداقل برسد. از طرفی دیگر باید بتوان آینهها را روی حلقهها جای داد. رسم دقیق حلقهها و نگهدارنده آینهها نشان میدهد که فاصله حلقههای باید بین 1 تا 2 متر باشد.
شکل :1 سامانه 8 بار عبوری با دو حلقه از آینهها که دیسک دمش شده مورداستفاده برای تقویت در مرکز حلقه اول قرار دارد.
دوم اینکه یکی از آینههای این سامانه هشت بار عبوری، دیسک میباشد ازاینروباید شعاع انحنای دیسک را حتماً به دست آورد. در این گزارش، شعاع انحنای دیسک Rd=4.5m است.
سوم اینکه باید اندازه لکه دمش بر روی آینهها بزرگتر از قطر دهانه آینهها نباشد یا بیشازاندازه کوچک نباشد.
پس از در نظر گرفتن قیدهای مکانیکی و اپتیکی، یک برنامه عددی بر اساس فرمولهای انتشار پرتو گاوسی نوشته شد[6] تا با جایگذاری فواصل مختلف بین حلقهها و شعاع انحنای آینهها، سامانهای را به دست آورد که در آن اولاًقطر لکه روی دیسک همیشه ثابت باشد و ثانیاً قطر لکه روی آینهها محدود باشد. چندین جواب برای این مسئله به دست آمد که با توجه به ملاحظات برشمرده شده، یکی از جوابها برای بررسی انتخاب شد.
-3 شبیهسازی با نرمافزار اپتیکی
در این بخش گزارش شبیهسازی جواب برگزیده طراحی سامانه هشت بار عبوری ارائه میشود. این شبیهسازی با استفاده از نرمافزارهای Zemax و Oslo انجامشده است. پس از انجام طراحی سامانه در برنامه Zemax، یک منبع نوری گاوسی از سامانه، عبور دادهشده و مشخصات لکه روی اجزاء اپتیکی موردبررسی قرارگرفته شد. همچنین برای اجتناب از بروز مشکلات ساخت و نیز افزودن لیزر اولیه به سامانه تقویت ابتدا ملاحظات و محدودیتهای مکانیکی همچون محل استقرار سامانه دمش ، فاصله بین اجزاء، زوایای آینهها به کمک نقشههای موجود نرمافزار بررسی و تحلیلشده است.
این نقشه شامل یک دیسک با شعاع انحنای 4500 میلیمتر، هشت آینه با شعاع انحنای 1500 میلیمتر و چهارآینه با شعاع انحنای 900 میلیمتر است. این نقشه دارای چیدمان سه صفحهای نسبت به محور اپتیکی دیسک میباشد که در صفحه اول - صفر محور اپتیکی - آینههایی با شعاع انحنای 900 میلیمتر - آینههای بنفشرنگ شکل - 2 و صفحه دوم در نقطه 6.1 میلی متری محور اپتیکی شامل دیسک - آینه نارنجیرنگ - و در صفحه سوم در نقطه 1500 میلیمتری آینههای با شعاع انحنای 1500 میلیمتری قرار دارد. که آینهها در دو صفحه اول و سوم روی دایرهای با شعاع 135 میلی متری با مرکزیت محور اپتیکی قرارگرفته است.
شکل :2 طراحی سیستم چند عبوری MOPA در نرم افزار Solid Works از دو دیدگاه الف - دید فضایی ب - دید از روبهروی دیسک.
-4 نتایج شبیهسازی
مشخصات پرتو گاوسی ورودی به صورت زیر میباشد. این پرتو که بهعنوان پرتو لیزر اولیه میباشد دارای کیفیت M2=1 میباشد.
در اولین بررسی، انتشار پرتو گاوسی با مشخصات بالا را بهصورت پیرامحوری در نرمافزار Oslo موردبررسی قراردادیم همانطور که در شکل زیر برای دو حل مختلف - رنگ سبز و آبی یا و - نشان میدهد شعاع اندازه لکه لیزر روی آینه اول 8 میلیمتر وتقریباً همین شعاع روی آینه دوم یا دیسک هم حفظ میشود و در روی آینه سوم این شعاع به حدود 2.7 میلیمتر کاهش مییابد و در روی آینه چهارم دوباره این اندازه به حدود 7.5 میلیمتر افزایش مییابد و این ترتیب روی آینههای بعدی هم تکرار میشود
