بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله هندسه دمش از لبه براي لیزر حالت جامد دیسکی مورد بررسی قرار گرفته است. این طرح شامل یک محیط فعال - - Yb:YAG دیسکی شکل است که ماده غیر آلاییده YAG به محیط فعال پیوند خورده تا نور دمش را هدایت کند. سطح بالاي ناحیه غیر آلاییده بشکل کاو-کروي است تا توان دمش را به محیط فعال لیزر به ضخامت 200 μهدایت کند. نتایج حاصل از شبیهسازيها نشان میدهد که نور غیر همگن و نامتقارن لیزر دیودها تقریبا بطور یکنواخت و همگن در داخل محیط فعال توزیع شده و بدنبال آن پروفایل جذب نیز تقریبا همگن است.
-1 مقدمه
نوعا لیزرهاي حالت جامد دیود پمپ پخش حرارتی یکنواختی ندارند چرا که نور دمش از لیزرهاي دیودي ناهمگن و نامتقارن است.[1] گرادیان دما باعث انتشار گرما از داخل محیط فعال به طرف گرماگیر شده و این منجر به گرادیان در ضریب شکست، اثرات عدسی گرمایی، اثرات دوشکستی و تنشهاي مکانیکی میشود.
ساختاري که براي افزایش مزایاي ماده Yb:YAG و در ضمن کاهش مشکلات وابسته به آن پیشنهاد شده است، دیسک نازك است4]و3و[2 که بیش از 1 KW توان خروجی - - cw با بازده اپتیکی 48٪ گزارش شده است.[2]
این ساختار داراي دو مزیت عمده است: نسبت بزرگ سطح خنکسازي به حجم دمش و جهت شارش گرما به موازات محور اپتیکی کاواك لیزر است که این باعث گرادیان دمایی محوري خالص شده و اثرات عدسی گرمایی به پایین ترین سطح ممکن می رسد.
شاید اشکال بزرگ لیزر دیسک-نازك پیچیدگی سامانهي اپتیکی مورد نیاز براي رسیدن به دمش چند عبوري باشد تا جذب مناسب وقتی که ضخامت محیط فعال در حد چند میکرون است اتفاق بیفتد. روش دیگر دمش از لبه دیسک است اما این روش نیز مشکلات خاص خود را دارد و آن تمرکز نور لیزر دیود توان بالا در عرض کم دیسک می باشد.
براي اینکار طرحهاي مختلفی پیشنهاد شده است که از جمله روشهاي جدید آن ساختارهاي داکت توپر و توخالی است. استفاده از محیط بهره مرکب - کامپوزیت - امکان دمش از لبه دیسک نازك را فراهم می سازد. بیش از 90W توان خروجی - cw - از یک کامپوزیت %10 Yb:YAG/YAG میکروچیپ با ضخامت 400 μ و دمش از لبه گزارش شده است.
در این کار طرح دمش از لبه دیسک-نازك مورد بررسی قرار گرفته است : یک ساختار مرکب شامل محیط فعال دیسکی شکل - Yb:YAG - به شعاع 4mm که با یک ماده شفاف غیر آلاییده - YAG - احاطه شده است. در واقع به شکل یک عدسی کاو-تخت است که از ماده مرکب ساخته شده است.
با این کارپیچیدگی هندسه دمش از روبهرو در دیسک نازك حذف میشود. تفاوت کار حاضر با کارهاي قبلی[6] که روي میکروچیپ انجام شده در این است که محیط فعال لیزر دیسک-نازك در این طرح بزرگ - چند میلیمتر - است.
-2 ساختار مرکب عدسیگونه
ساختار پیشنهاد شده یک ساختار مرکب است که از دو قسمت اصلی تشکیل شده است: الف - محیط فعال استوانهاي شکل - دیسک-نازك - ، ب - ماده شفاف و غیر آلاییده YAG که محیط فعال را احاطه کرده است مجموعه این دو، یک عدسی کاو-تخت را تشکیل میدهد شکل - . - 1 بخش شفاف و غیرآلاییده سه مزیت مهم را در این نوع طراحی فراهم می- کند:
-1 با توجه به عرض کم دیسک که عمدتا از مرتبه صدم میکرون است با استفاده از این روش عرض ورودي بیشتري براي نور دمش فراهم می شود
-2 نوسانات پارازیتی ناخواسته - ASE - در راستاي عرضی دیسک بسیار کمتر میشود
-3 با توجه به فوکوس بالاي نوردمش در لبه دیسک، شرایط لازم را براي خنک کنندگی مناسب از این لبه فراهم می سازد.
شکل :1 ساختار مرکب عدسیگونه، دید از کنار.
این طرح استفاده از چندین لیزر دیودي پر توان را امکانپذیر میسازد که در یک آرایش دایره اي حول محیط فعال قرار میگیرند. شکل - - 2 آرایش بکار رفته در شبیهسازي حاضر را از بالا نشان میدهد.
شکل :2 ساختار مرکب عدسیگونه دید از بالا،
نور دمش از هر لیزر دیود با دو عدسی استوانهاي به لبه ناحیه دایرهاي شکل غیر آلاییده YAG کانونی میشود و از طریق بازتاب داخلی کلی - TIR - به داخل محیط فعال هدایت میشود. بعلت طرح عدسیگونه، جهت انتشار نور دمش به دفعات زیاد داخل محیط فعال عوض می شود که بطور موثر طول جذب را افزایش میدهد. شکل - 3 - ردیابی پرتو با نرمافراز ZEMAX در ساختار مرکب عدسیگونه را نشان میدهد. بسته به مقدار آلاییدگی، قطر محیط فعال و میزان واگرایی پرتوهاي دمش، جذب خوب و یکنواخت میتواند حاصل شود.
شکل :3 ساختار - Yb:YAG/YAG انتشار پرتو داخل ساختار مرکب ومحیط فعال.
-3 محاسبات و شبیهسازي
هدف ما این بود که بتوانیم نور دمش ناهمگن لیزر دیود با واگرایی معلوم و متفاوت در دو راستا را از لبه، به داخل محیط فعال دیسک-نازك تقریبا بصورت همگن و یکنواخت انتقال دهیم. روش کلی ما استفاده از ساختار مرکب براي این کار بود. لذا پارامترهاي مختلفی باید براي این هدف در نظر گرفته شود از جمله ضخامت و شعاع محیط فعال، ضخامت و شعاع ساختار غیرآلاییدهYAG، درصد ماده فعال و بکارگیري عدسی هاي استوانه اي با فاصله کانونی مناسب براي هدایت پرتو دمش به لبه ساختار مرکب. شکل - 4 - پارامترهاي مختلف این طرح را نشان میدهد.
شکل:4 پارامترهاي هندسی مربوط به طرح مورد نظر
براي داشتن دمشی یکنواخت باید ابعاد و شعاع انحناي ماده مرکب و واگرایی پرتوهاي دمش با هم جور شوند. بنابراین با معلوم بودن تعدادي از این پارامترها میتوان دیگر پارامترها را بهینه کرد بطوریکه یک دمش یکنواخت و همگن در ناحیه محیط فعال بدست آید. در این شبیهسازیها با تحلیلهاي اولیه شعاع انحناي ماده مرکب را 116/5 mm وضخامت آن در مرکز 130 μ بدست آمد با داشتن این دو پارامتر بقیه را بهینه میکنیم.
-1-3 ردیابی پرتو
هدف این است که پرتو ورودي از لبه ماده مرکب در ناحیه محیط فعال با تعداد بازتابهاي قابل ملاحظه منتشر شود.
شکل - : - 5 روش ردیابی پرتو
اگر iامین بازتاب به سطح کروي - یا تصویرش نسبت به قسمت تخت - در نقطه - - Xi,Yi با زاویه βi برخورد کند، چون در این نقطه سطح کروي به اندازه شیب دارد
با انتخاب مناسبترین i میتوان مختصات لبه را بدست آورد.
به این ترتیب با استفاده از ردیابی پرتو و روابط حاکم برآن کدي در نرمافزار MATLAB نوشته و بهینه شد بنحوي که یک دسته پرتو از لیزر دیود با واگرایی معلوم بتواند از لبه تا مرکز عدسی به ضخامت 130 μ با تعداد بازتابهاي قابل ملاحظه در محیط فعال پیش رود شکل . - 6 - با این کد توانستیم ضخامت لبه عدسی و شعاع آن را حساب کنیم.
