بخشی از مقاله
چکیده :
در این مقاله نتایج حاصل از برپایی یک لیزر توان بالا با نرخ تکرار بالا ارائه شده است. ویژگی بارز این لیزر استفاده از یک بلور مرکب گوهای شکل Nd:YVO4 به عنوان محیط بهره میباشد. در حالت عملکرد موج پیوسته، تحت 57 وات دمش در طول موج 888 nm، مقادیر 19/5 وات برای عملکرد در حالتهای TEM00 و 23/4 وات برای حالت چند مد تولید شده است. همچنین با استفاده از مکانیزم کلیدزنی-Q آکوستو -اپتیکی با فرکانس 200 kHz ، توان متوسط 19 وات و توان دمشی 57 وات به دست آمده است. فاکتور کیفیت لکه نیز برابر با 2/4 در حالت چند مد و کمتر از 1/3 در حالت TEM00 اندازهگیری شد.
-1 مقدمه
امروزه لیزرهای حالتجامد دمش دیودی با نرخ تکرار بالا کاربردهای فراوانی در حوزههای صنعت و دانش دارند.[1] عملکرد در نرخ تکرار بالا را میتوان از طریق کلید زنی Q خصوصاً روش کلید زنی Q فعال به دلیل انرژی پایدار پالس تولید کرد. در این بین کلید زنی Q آکوستو-اپتیکی بهترین روش برای تولید پالسهای با نرخ تکرار و توان قله بالا میباشد. در این بین روشهای دمش عرضی در لیزرهای دمش دیودی اکثرا توان قله پایینی دارند و کیفیت باریکه ضعیفی را از خود نشان میدهند
در مقابل سیستمهای دمش از انتها به دلیل همپوشانی بالا بین مد مرتبه اول - TEM00 - و نور دمشی، امکان تولید لیزر با کیفیت لکه عالی را فراهم میکند. اما به دلیل تمرکز بالای نور دمشی در سیستمهای دمش از انتها در یک شعاع لکه کوچک، اثرات گرمایی مانند استرس حرارتی، دو شکستی القایی1 و اثرات لنز شدگی گرمایی میتواند کارایی و بهره لیزر را کاهش دهد و همچنین باعث کاهش کیفیت پرتو لیزری و ناپایداری رزوناتور لیزری شود.[3] برای رفع این مشکل میتوان از بلورهای مرکب یا طول موج دمشی متفاوت، خصوصا 888 نانومتر برای بلور Nd:YVO4 استفاده کرد
در این مقاله ابتدا با انتخاب یک بلور وانادیت2 با شرایط خاص، امکان تولید لیزر کاملا قطبیده و همچنین کاهش قابل توجه اثرات گرمایی مورد بررسی قرار گرفته است. چیدمان آزمایشگاهی با طراحی مناسب تشدیدگر با استفاده از روش ماتریس ABCD، برپا شده است و نتایج به دست آمده ارائه شده است.
-2 تئوری
1؛-2 عملکرد قطبیده
به منظور قطبیده بودن کامل خروجی لیزر میتوان از یک بلور گوهای مانند شکل - 1 - استفاده کرد. در این حالت به دلیل آنکه ضریب شکست این بلور در طول موج 1064 نانومتر در راستاهای عادی و غیرعادی به ترتیب برابر 1/9573 و 2/1659 میباشد، مطابق شکل - 1 - ، قطبش-های و سطح مقطع گسیل القایی و جهت انتشار متفاوتی را تجربه میکنند. این امر باعث میشود که با همراستاسازی جهت آینه خروجی با پرتو مورد نظر، یک قطبش کاملا از بین برود و قطبش دیگر را به طور کامل حفظ کرد. بنابراین سیستم کاملا قطبیده عمل میکند. در این حالت اگر قطبش انتخاب شود، نسبت قطبش بزرگتر از 100:1 میشود. مطابق معادلات، کمترین زاویه به منظور برآورده کردن این شرط 1/5 درجه خواهد شد
شکل -1 شماتیک بلور Nd:YVO4
2؛-2 آنالیز حرارتی
در این مقاله از یک بلور مرکب Nd:YVO4/YVO4 با ابعاد 3×3× - 20+3 - mm و درصد آلاییدگی %0/8 استفاده شده است. معادلات مربوط به توزیع دما در یک بلور مکعبی شکل و تحت دمش توسط نور لیزر دیودی را میتوان در منابع زیادی پیدا کرد.
جهت بیان اثرات گرمایی، توزیع دما در داخل بلور در دو طول موج دمشی 808nm و 888nm با استفاده از نرم افزار کامسول و روش المان محدود بررسی شده است و نتایج در شکل - 2 - نشان داده شدهاند. در این شکل توان دمشی برابر با 25 وات و شعاع لکه دمشی 560 میکرومتر میباشد . پارامترهای مورد استفاده از منبع[3] آورده شده است. همانطور که دیده میشود، انتخاب طول موج 888nm نسبت به 808nm به دو دلیل برتری دارد:
-1 نقص کوانتومی از %24/1 برای دمش 808nm به %16/5 برای دمش 888nm کاهش مییابد[3] که باعث کاهش اثرات حرارتی محیط بهره میشود. -2 ضریب جذب کمتر در طول موج 888nm باعث توزیع دما به صورت متقارنتر در طول بلور میشود.
حداکثر دما در طول موج های دمشی 808nm و 888nm به ترتیب برابر با 460 و 325 درجه کلوین میباشد. مطابق انتظار به دلیل کاهش قابل توجه گرادیانهای دمایی عرضی و طولی در حالت دمش 888nm، فاصله کانونی عدسی گرمایی نسبت به دمش 808nm بسیار بلندتر میشود. این فاصله کانونی بلندتر باعث راحتی طراحی تشدیدگر لیزر و عملکرد پایا در حد توانهای دمشی بالا و در نتیجه بازده بالا و کیفیت لکه عالی میشود. شکل - 3 - فاصله کانونی عدسی گرمایی بلور مورد نظر تحت دمش 888nm را بر حسب توان دمشی نشان میدهد.
شکل -2الف توزیع دما در بلور Nd:YVO4 برای دمش 808 نانومتر
شکل - 4 چیدمان آزمایشگاهی لیزر مورد استفاده
از آنجا که به منظور عملکرد بهینه لیزر در مد TEM00، نسبت شعاع لیزری به شعاع دمشی باید برابر با 0/7 باشد، فاصله آینه M1 تا ابتدای بلور - l1 - برابر با 12 سانتیمتر و از انتهای بلور تا آینه - l2 - M3 برابر با 13/4 سانتیمتر انتخاب شده است. با توجه به محاسبات ABCD برای آنکه بتوان به عملکرد TEM00 رسید، یک شکاف با قطر 600 میکرومتر و در فاصله 2 سانتیمتری از انتهای بلور در داخل چیدمان قرار داده شده است. به منظور تولید پالس های کوتاه نیز یک Q-Switch آکوستو اپتیکی با فرکانس 24 مگاهرتز در چیدمان قرار داده شده است.
1؛-3 عملکرد لیزر در حالت پیوسته
شکل -2ب توزیع دما در بلور Nd:YVO4 برای دمش 888 نانومتر
شکل -3 طول عدسی گرمایی بر حسب توان دمشی لیزر دیود
-3 چیدمان تجربی
چیدمان لیزر به صورت شماتیک در شکل - 4 - نشان داده شده است. نور یک لیزر دیودی با بیشینه توان 60 وات و قطر فیبر 400 میکرومتر از طریق سیستم اپتیکی متشکل از چهار عدسی بر روی بلور وانادیت متمرکز می شود. قطر لکه دمشی بر روی محیط بهره برابر با 1120 میکرومتر است. تشدیدگر طراحی شده، یک تشدیدگر V شکل است. آینه M1 یک آینه تخت با پوشش AR در 888nm و HR در 1064nm میباشد. آینه M2 نیز یک آینه تخت با پوشش HR در 1064nm میباشد. از یک آینه تخت با 30% عبور به عنوان آینه خروجی لیزر استفاده شده است.
شکل - 5 - توان خروجی لیزر بر حسب توان جذب شده را برای دو حالت با حضور و عدم حضور شکاف نشان میدهد. همانطور که مشخص است، قرار دادن شکاف باعث افت توان در حدود 20 درصد شده است. در توان دمشی 57 وات، توان خروجی در حالت چند مدی برابر با 19/55 و در حالت TEM00 برابر با 23/46 اندازهگیری شده است، که متناظر با بازدهی در حدود 35 و 41 درصد میشود. اگرچه حضور شکاف باعث افت توان شده است اما همانطور که از شکل - 6 - میتوان دید، کیفیت لکه به میزان قابل توجهی بهبود یافته است / نتیجه این قسمت را می توان لیزر TEM00 با توان بیشینه 19/55 و کیفیت لکه 1,2 دانست.
شکل - 5 نمودار توان خروجی لیزر بر حسب توان جذب شده در محیط بهره در دوحالت چند مد و TEM00
