بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، طراحی و ساخت یک لیزر دمش دیودی Er-Yb:Glass کلیدزنیQ شده با بلور Co2+:MgAl2O4 گزارش شده است. برای طراحی این لیزر از نرمافزار LASCAD استفاده شده است و براساس طراحی صورت گرفته یک چیدمان آزمایشگاهی برپاشده است. در نهایت، پالسهای لیزر با پهنای پالس 30 نانوثانیه و انرژی 15 میلی ژول در توان پمپ ورودی حدود 2وات به صورت تجربی بهدست آمده است.
-1 مقدمه
یکی از روشهای تولید تابش چشم -ایمن استفاده از شیشه آلاییده شده با یونهای اربیم و ایتربیم بهعنوان ماده فعال لیزر است .[1] لیزر حالت جامد Er-Yb:Glass با طولموج 1540 نانومتر امروزه بهدلیل چشم-ایمن بودن و کاربردهای مختلف در صنایع نظامی مورد توجه قرار گرفته است.
در سال 1965، اسنیتزر با ایجاد یک تغییر ساده در اصول اولیه دمش و استفاده از یونهای ایتربیم بهعنوان آلاینده موفق به لیزدهی از یک شیشه سیلیکا در دمای اتاق شد .[2] بهعلت نرخ تکرار بالا در دمشهای لامپی، در سال 1992 اولین لیزر اربیم با دمش دیودی توسط هاتچنسون گزارش شد [3] و برای اولین بار در سال 1999 از لیزرهای اربیم کلیدزنی شده غیرفعال در فاصلهیابی استفاده شد
در این مقاله برای اولین بار در ایران از بلور Co2+:MgAl2O4 بهعنوان کلید زن Q در یک لیزر Er-Yb:Glass دمش دیودی استفاده شده است. به منظور ساخت این لیزر، ابتدا در محیط نرمافزار LASCAD شبیهسازی مورد نیاز انجام شده، سپس چیدمان آزمایشگاهی آن برپا گردیده و لیزر تولید شده بررسی شده است.
-2 لیزر Er-Yb:Glass
لیزر حالت جامد Er-Yb:Glass یک لیزر شبه سه ترازی است. به دلیل جذب ضعیف تابش پمپ توسط یونهای اربیم، اضافه کردن یک یون نادر خاکی بهمنظور رسیدن به یک بهره رضایتبخش ضروری است .[5] بههمین علت علاوه بر یون اربیم، یون ایتربیم را در شیشه فسفاته اضافه میشود. درصد دوپشدگی اربیم و ایتربیم بهترتیب 2/6×10 16 ions/mm3 و 2/1×1018 ions/mm3 هستند. در جدول1 بخشی از اطلاعات مربوط به ماده فعال مورد نظر نمایش داده شده است.
جدول:1 اطلاعات مربوط به بلور Er-Yb:Glass
سیستم دمش در این نوع لیزرها به دو روش لامپی و دیودی انجام میشود. استفاده از لیزر دیودها برای دمش لیزرهای اربیوم اساسا باعث تقلیل اثرات گرمایی در مقایسه با دمش لامپی میشود. افزایش بازده لیزر، افزایش توان متوسط خروجی و طراحی سیستمی فشردهتر، از دیگر مزایای دمش دیودی نسبت به دمش لامپی است
-3 شبیهسازی لیزر
در این شبیهسازی یک ماده فعال میلهای با طول 30 میلیمتر و شعاع 2/2 میلیمتر از یک طرف در معرض دمش عرضی لیزر دیود 940 نانومتر با توان میانگین پمپ حدود 2 وات قرار گرفته است.
ادوات اپتیکی موجود در کاواک لیزر بهنحوی که در شکل1 نمایش داده شده است در کنار هم قرار گرفته اند.
شکل :1 چیدمان ادوات اپتیکی در کاواک لیزر، - 1 - آینه پشتی، - 2 - میله لیزری، : - 3 - لیزر دیود سه بار، - 4 - بلور جاذب اشباعپذیر، - 5 - آینه خروجی در این شبیهسازی طول کاواک لیزر با احتساب طول ادوات اپتیکی موجود در کاواک حدود 150 میلیمتر در نظر گرفته شد. در این شبیهسازی از یک بلور مکعبی بهعنوان کلیدزن Q به ضخامت 1/03 استفاده شد. بر اساس طراحی صورت گرفته، شعاع انحنای آینه پشتی و جلویی لیزر بهترتیب برابر با بینهایت و 1500 میلیمتر در نظر گرفته شد.
در لیزرهایی با کلیدزنی غیرفعال بهدلیل کم بودن آستانه تحمل انرژی بر واحد سطح بلورهای جاذب اشباعپذیر، استفاده از آینههایی با شعاع انحنا کمتر و ضریب بازتابندگی بیشتر مطلوبتر است. در این شبیهسازی پس از وارد کردن تمام دادهها در نرمافزار LASCAD و انجام محاسبات مربوط به عدسی حرارتی درون ماده فعال پایداری مشدد بررسی شد. پس از حاصل شدن اطمینان از پایداری مشدد محاسبات دینامیکی به کمک نرمافزار انجام گردید. در جدول2 نتایج مهم حاصل از شبیهسازی لیزر مورد نظر با نرمافزار LASCAD نمایش داده شده است.
جدول:2 نتایج حاصل از شبیهسازی برای یک لیزر Er-Yb:Glass
نکته حائز اهمیت در بلورهای جاذب اشباعپذیر میزان درصد عبور اولیه است که با ضخامت بلور رابطه عکس دارد. در این شبیهسازی درصد عبور اولیه 90 در نظر گرفته شده است.
-4 چیدمان آزمایشگاهی
شکل:2 نمایی از چیدمان آزمایشگاهی لیزر Er-Yb:Glass دمش دیودی از پهلو با استفاده از کلیدزنQ غیرفعال
پس از برپایی چیدمان ابتدا عملکرد لیزر را بدون قرار دادن بلور کلیدزنQ بررسی کردیم و سعی شد در این حالت به بیشینه توان میانگین خروجی مقدار توان خروجی لیزر دست یابیم. در این حالت بیشینه خروجی لیزر گرفته شده حدود 70 میلیوات بود. یکی از پارامترهای مهم در عملکرد لیزرهای پالسی، پهنای پالس پمپ است. در شکل3 نمودار توان خروجی لیزر بر حسب پهنای پالس پمپ برای سه جریان متفاوت پمپ - جریان اعمال شده به دیود لیزر - رسم شده است.
شکل:3 نمودار توان خروجی لیزر بدون بلور کلیدزن بر حسب پهنای پالس پمپ
بر اساس شبیه سازی انجام شده چیدمان آزمایشگاهی برپا گردید . شکل2 نمایی از این چیدمان را نمایش میدهد. برای تنظیم بهتر چیدمان لیزر از نگهدارندههای قابل تنظیم برای آینهها و کلید زن Q استفاده شد. همچنین به منظور ایمنی و مراقبت از چشم در این آزمایش باید حتما از عینک مخصوص استفاده شود. لیزر Er-Yb:Glass پس از اطمینان حاصل شدن از عملکرد بهینه لیزر در این شرایط بلور کلیدزنQ را به چیدمان افزودیم. همان طور که در بخش شبیهسازی بیان کردیم توان میانگین دمش پمپ حدود 2 وات تنظیم شده است، بدیهی است که با افزایش توان پمپ میتوان به پالسی با پهنای کمتر، انرژی بیشتر، واگرایی کمتر و فاکتور کیفیت مناسبتر دست یافت.
