بخشی از مقاله
چکیده:
گزارش عملکرد یک لیزر تک مد طولی عرضی ضربانی فشار جوي گازکربنیک به روش تثبیت مد تزریقی آورده شده است.
چیدمان بکار رفته همراه با مشخصات نوري و هندسی آن شرح داده شده است. ضربان لیزر در حالتهاي رانش آزاد و با تثبیت مد طولی تزریقی نشان داده شده است. با وجود سادگی نسبی آرایش بکار رفته، ضربان لیزري ثبت شده داراي کلیه ویژگی هاي اصلی تثبیت مد طولی تزریقی می باشد.
-1 مقدمه
لیزرهاي عرضی ضربانی فشار جوي گازکربنیک با پهناي بینابی باریک شده براي بسیاري از کاربردها ، همچون رادار اپتیکی، لیدار، فوتوشیمی انتخابی ،فیزیک پلاسما و دمش نوري مورد نیاز است.[1] متاسفانه لیزرهاي عرضی ضربانی فشار جوي با کارایی زیاد در حالت رانش آزاد داراي همدوسی زمانی ضعیفی هستند. در عملکرد رانش آزاد لیزرهاي فروسرخ مانند CO2 و Nd:YAG گسیل چند مد طولی تصادفی حاصل می شود. در لیزرهاي با طول موج کوتاهتر مانند لیزرهاي بخار مس،اگزایمر و لیزرهاي رزینهاي پهناي بینابی افزایش یافته و کیفیت بینابی کاهش می یابد.
"قفل شدگی تزریقی" یکی از تکنیک ها براي برقرار کردن پهناي باند باریک و بهبود کیفیت در لیزرهاي ضربانی می باشد. این تکنیک در لیزرهاي ضربانی توان بالا از طریق تزریق موج همدوس خارجی با توان کم به داخل تشدیدگر صورت می پذیرد و به بهبود مشخصات بینابی لیزرضربانی میانجامد. قفل شدگی تزریقی در گستره وسیعی از طول موجها از فروسرخ میانی تا فرابنفش خلا انجام پذیرفته است
اولین تجزیه و تحلیل لیزر تک مد طولی تزریقی توسط Lachambre و همکارانش انجام گرفته که تجزیه و تحلیل آنها براساس تخمین مدل انتشار میدان بصورت تک معادله دیفرانسیل بیان شده است. کارآنها شامل معرفی وضعیت هاي گوناگون با بررسی حوزه بسامدي به ازاي امواج تزریقی ضعیف و قوي بود.[2] رفتار دو مدي قفل شده نیز با این تکنیک مشاهده شده است
تجزیه و تحلیلنسبتاً کامل بر اساس نظریه نیمه کلاسیکی با حل معادله انتشار براي میدان واداشته-تزریق در داخل تشدیدگر در [1] و حل معادله کلاسیکی حاکم بر محیط با تقریب معادلات آهنگ نیز انجام شده است
بطور کیفی در فرآیند تزریق موج خارجی به لیزر TEA CO2
دو پدیده مهم اتفاق میافتد: اول، رقابت بین میدان نوفه زمینه و موج تزریقی؛ دوم، جابجایی و تمایل بسامد میدان حاصل به سمت مد طولی تشدیدگر ضربانی. در مدت شکل گیري بهره، میدان نوفه زمینه، در بسامد مد طولی تشدیدگر ضربانی، و میدان تزریقی خارجی در فرکانس نوسانگر مبنا - لیزر - cw CO2، بطور همزمان در مشدد ضربانی رفتو برگشت میکنند. رقابت بین این دو میدان نوسانی در محیط فعال بهره آن را قبل از اینکه به رژیم اشباع وارد شود، کاهش میدهد.
در حالت کلی، میدان تزریقی شدیدتر از سطح میدان ناشی از گسیل خودبخودي است. با این حال بهرة کمتري به دلیل جابجایی فاز میدان در هر رفت و برگشت درون مشدد ضربانی تجربه می کند. بسته به زاویه ناتنظیمی و چگالی توان تزریقی، بهره لیزر ممکن است درابتدا به اشباع برسد بعلاوه تحول زمانی میدان نوسانی درون مشدد ضربانی بصورت برداري با اضافه شدن میدان تزریقی با دامنه هاي فاز ثابت پدید می آید. بنابراین منجر به تغییرات زمانی فاز ، معادل با مدولاسیون بسامد می شود. در نتیجه بسامد میدان حاصل به نزدیکترین مد طولی مشدد ضربانی متمایل می شود. مقدار این تمایل با زمان تغییر می کند و به بهره لحظهاي ، چگالی توان تزریقی و زاویه ناتنظیمی اولیه بستگی دارد.
در قفل شدگی تزریقی سه رژیم کار مطرح شده است،
• ناحیه نوسان خودبخودي در زاویه ناتنظیمی بزرگ یا چگالی توان تزریقی پایین،
• ناحیه انتخاب مدي در زاویه ناتنظیمی متوسط و چگالی توان تزریقی متوسط،
• ناحیه قفل شدگی بسامدي متناظر با زاویه ناتنظیمی کوچک و چگالی توان تزریقی بالا.
براي حالت - - 1، تزریق موج خارجی تاثیر کمی روي تحول لیزر ضربانی می گذارد و ضربان خروجی بطور عمده شبیه حالت بدون تزریق است.
درحالت - - 2، قله گسیل لیزر زودتر از حالت رانش آزاد آشکار می شود. این بخاطر پر شدتبودن موج تزریقی نسبت به نوفه خودبخودي است که باعث زودتر اشباع شدن بهره شده و اثرات کاهنده روي وارونی دارد کهنهایتاً منجر به کاهش قله توان ضربان خروجی می شود و پهناي زمانی ضربان لیزر را افزایش می دهد. در ادامه شکلگیري پالس مشاهده می شود که میدان مشدد به سمت نزدیکترین مد طولی مشدد ضربانی متمایل می شود.
در حالت - 3 - ، بسامد میدان لیزر ضربانی بطور کامل توسط موج تزریقی کنترل می شود. در این حالت تابش تزریقی خیلی زود اثرات کاهنده روي بهره ایجاد می کند. در این حالت ظهور ضربان لیزري خیلی سریع تر است و وارونی جمعیت تنها تا مقدارخیلی کوچکی بالاتر از حالت آستانه افزایش می یابد اما در ادامه بیشتر زیر آستانه خواهد بود.[5] این حالت شبیه به حالت تزریق به لیزر پیوسته داراي خروجی در بسامد مد نوسانی طولی لیزر تزریق کننده است.
-2 روش آزمایش
چیدمان تجربی بکار رفته مطابق شکل - - 1 است. M1 تا M6
آینه هاي تخت با پوشش طلا،M7 وM8 آینه هاي مقعر با پوشش طلا - با شعاع انحنا 10و5متر - ، آینه هاي M9 و M10
آینه هاي تخت از جنس بلور ژرمانیوم - با ضریب بازتابش 50% و% - 90 بوده اند.W1 وW2دریچه هاي ZnSe با ضریب عبور 95%، W3 دریچه NaCl در زاویه بروستر بوده است. مقسم نور - B.S - نیز یک بلور ZnSe طبیعی در زاویه
45درجه بوده است. P1 وP2 توان سنج هاي یکسان با دقت 0/1وات ساخت پژوهشکده لیزر بوده اند که با یک توان سنج LAB MASTER ULTIMAساخت Coherent کالیبره شده بودند و براي اندازه گیري توان پیوسته تزریقی به مشدد لیزر ضربانی بکار گرفته شده اند.D، آشکارساز فوتون دراگ با شماره 7455 ساخت Rofin بوده است.نوسان نماي بکار رفته یک DSO به شماره 3252ساخت Tektronix با نرخ نمونه برداري 5GS/s بوده است.
فشار کل محیط لیزر پیوسته با استفاده از3 شیرسوزنی - Edwards - در مقدار 20تور با ترکیب حالت 1:1:5 - N2:CO2:He - تنظیم شده است. محفظه لیزر پیوسته از جنس Pyrex از بیرون توسط آب با دماي ثابت 15درجه سانتی گراد خنک می شد.با توجه به شرایط فوق پهن شدگی همگن - برخوردي - و ناهمگن - دوپلري - منحنی بهره لیزر پیوسته به ترتیب 94MHz و 50MHz بوده است در نتیجه پهناي غالب بینابی بهره لیزر پیوسته همگن - برخوردي - بوده است.[6] از طرف دیگر با توجه به اینکه طول مشدد پیوسته 110cm ، فاصله آزاد بینابی آن136MHz بوده که درحدود 1/5 برابر نیم پهناي بینابی منحنی بهره لیزر پیوسته است.
شکل:1 چیدمان قفل شدگی تزریقی لیزر . TEA CO 2
بنابراین می توان نتیجه گرفت که لیزر فوق با دقت خوبی تک مد طولی بوده است. همچنین به دلیل قطر کم محفظه لیزر فوق - 6mm - انتظار می رفت که مد عرضی آن TEM00 باشد و مشاهده مقطع پرتو فوق روي یک سطح آجر دیرگداز نیز این موضوع را تائید کرد. طول مشدد لیزر عرضی ضربانی 2متر ، بنابراین فاصله آزاد بینابی آن 75MHz بوده است. با توجه به اینکه پهن شدگی همگن - برخوردي - ، بهره خط لیزري درفشار جو در حدود در 4/4GHz می باشد. حداقل60 مد طولی مشدد فوق در این فاصله جا گرفته اند
محفظه لیزر عرضی ضربانی فشار جوي از جنس PersPex
به طول 60cm - فاصله پنجره ها - و الکترودهاي بکار رفته از ورق فولادي - غیر مغناطیس - بوده که حجم فعال تقریبی 200cm3 است. عملکرد لیزر ضربانی فشار جوي فوق مورد استفاده با پیش یونش ردیف جرقه و کلید تریگاترونقبلاً گزارش شدهاست.[8] براي این آزمایش کلید تریگاترون مورد استفاده در شرایط بهینه تنظیم شده است.
به جهت حفظ پایداري آرایش ، مجموعه فوق روي میزهاي مخصوص با رویه سنگین و صفحات میراکننده لرزش قرار داده شده است. علاوه بر این لیزر پیوسته روي یک مجموعه کوچک سنگین آهنی با میله هاي راهنماي فولادي - براي تنظیم فاصله آینه ها - قرار گرفته است. با توجه به ضریب انبساط طولی اجزا مجموعه فوق حتی با فرض تغییر دماي 10 درجه سانتی گراد در مدت آزمایش - که بسیار نامحتمل بوده است -
-3 نتایج تجربی و بحث
ابتدا ضربان لیزر عرضی بطور خود راه اندازي شده، بدون موج تزریقی توسط آشکارساز در حافظه نوسان نما ضبط گردید و سپس در همان شرایط، عمل تزریق موج پیوسته به درون مشدد لیزر ضربانی صورت گرفت. شکل ضربان حاصل همراه با ضربان خروجی درحالت خود راه اندازي شده - بدون تزریق - در صفحه نوسان نما ثبت گردیده در شکل2 نشان داده شده است. عامل راه انداز نوسان نما در این وضعیت نوفه ناشی از تخلیه الکتریکی بوده است که از طریق آشکارساز فوتون دراگ به نوسان نما می رسید. اما به دلیل اینکه اختلاف زمانی آن با ضربان لیزري در حدود 2 میکروثانیه بوده، که خیلی بیش از پهناي ضربان لیزري می باشدبنابراین نوفه فوق در صفحه دیده نمی شود اگرچه وجود دارد. همچنین لازم به ذکر است که پرش آماري نوفه فوق بر روي نوسان نما اندازه گیري شد و حداکثر 20ns براي آن بدست آمد.
شکل:2 شکل پالس لیزر :TEA CO2 در حالت رانش آزاد - شکل پایینی - ؛ در حالت تزریق موج پیوسته با چگالی توان2/6 w/cm2 - شکل بالایی - .
