انتخاب صفحه

فهرست مطالب
فصل اول: مقدمه

1-1 مقدمه و تاریخچه
اثرات گرمایی در لیزرهای حالت جامد غیرقابل اغماض هستند، به ویژه هنگامی که دمش با توان بالا صورت می‌گیرد، بنابراین در سال‌های اخیر، پژوهش‌ها و تحقیقات فراوانی می‌توان یافت که به بررسی اثرات ناشی از تولید گرما در لیزرهای حالت جامد پرداخته‌اند ]1-3[. تخمین گرمای تولید شده در ماده فعال لیزری، می‌تواند در طراحی لیزر به ویژه در مشخص‌کردن اندازه بلور، بازده و توان خروجی، نوع سیستم خنک کننده لیزر اهمیت داشته باشد. عوامل تولید گرما در بلور لیزری را می‌توان در انتقال بالاسوی انرژی ]4[، فرو افت‌های غیرتابشی و نقص‌های کوانتومی ]5[، فروافت تراکمی ]6[، گرمای همراه فرآیندهای فلورسانس و گسیل القایی]6[ برشمرد که البته سهم هر کدام از این عوامل در تولید گرما، متفاوت است و گاهی اوقات می‌توان در بعضی مواد مختلف از برخی از این عوامل ذکر شده صرفنظر کرد.
در لیزرهای حالت جامد، تمرکز انرژِی دمش در منطقه‌ی کوچکی حول محور طولی بلور، منجر به تولید گرما شده و در نتیجه منجر به توزیع غیریکنواخت دما در میله لیزری می‌شود. گرمای تولید‌شده در این منطقه، برای رسیدن به تعادل گرمایی، از طریق رسانش به سمت مرزهای خنک‌تر حرکت کرده و از آنجا از طریق فرآیند همرفت و تا حدودی تابش به محیط پیرامون منتقل می‌شود. این فرآیند باعث ایجاد شیب دمایی در میله لیزری شده که خود زمینه‌ساز بروز اثرات منفی بر خروجی لیزر می‌شود. توزیع غیریکنواخت دما در بلور لیزری، باعث به وجود آمدن اثرات ناخوشایند نظیر پاشندگی گرمایی ناشی از تغییر ضریب شکست، انحنای سطوح بلور (اثر انتها)، تنش و کرنش گرمایی می‌شود. پاشندگی گرمایی و اثر انتها باعث القای اختلاف فاز بین پرتوهای عبوری روی محور بلور و پرتوهای عبوری از سایر فواصل می‌شوند، لذا در محیط‌های بلوری، این اثرات به مانند عدسی محدب رفتار می‌کنند. شکل این عدسی گرمایی القایی کاملاً به نیمرخ دمش بستگی دارد. از دیگر اثرات گرمایی، می‌توان به ایجاد دوشکستی القایی در بلور‌های لیزری همسانگرد اشاره کرد که در اثر وجود تنش و کرنش گرمایی در آن به وجود می‌آید. اصطلاح دوشکستی به این دلیل به کار می‌رود که نور در ابتدا مولفه‌ی میدان در راستای انتشار ندارد اما در حین عبور از محیط، بردار قطبش خطی اولیه آن به دو بردار عمود برهم تجزیه می‌شود. به علت القای دوشکستی، واقطبیدگی در بلور همسانگرد رخ می‌دهد که به صورت نسبت انرژی صرف شده برای تولید مولفه عمود بر قطبش اولیه به کل انرژی نور قطبیده خطی اولیه تعریف می‌شود. کنترل اعوجاج جبهه موج و واقطبیدگی ناشی از دوشکستی شدن، موضوعاتی هستند که ذهن طراحان لیزر را به خود مشغول ساخته‌اند، به این دلیل که عدم شناخت و جبران آن‌ها باعث کاهش کیفیت پرتو خروجی لیزر می‌شود]7,8[. از طرفی میزان اعوجاج گرمایی و دوشکستی‌شدن، به میزان گرمای تولید شده بر واحد حجم و خصوصیات گرمایی-اپتیکی بلور لیزری بستگی دارد. انبساط‌های غیر یکنواخت ماده لیزری ناشی از وجود توزیع غیریکنواخت دما، باعث تغییر در خواص مکانیکی و گرمایی بلور نظیر ظرفیت گرمایی ویژه، رسانندگی ویژه، سختی و حد شکست آن می‌شود. بنابراین وجود اثرات گرمایی در ماده فعال لیزری، تغییر خواص نوری و اپتیکی بلور، ناپایداری کاواک لیزر، کاهش کیفیت پرتو و اعوجاج جبهه موج را در پی دارد]9-11[. بنابراین بررسی اثرات گرمایی در لیزرهای حالت جامد پرتوان دارای اهمیت فراوانی است و باید با ارائه پیکربندی و طراحی مناسب، اثرات گرمایی در این لیزرها کاهش داده شود.
اخیراً روش‌هایی برای کاهش اثرات گرمایی ارائه شده است که می‌توان به تغییر طول موج دمش]12[، توزیع مناسب چگالی یون‌های فعال در بلور]13[، ساخت لیزرهای تیغه‌ای با دمش از کنار]14[، ساخت لیزرهای میله‌ای دمش از کنار با منعکس کننده‌هایی جهت پخش و توزیع یکنواخت گرما]15[ و ساخت لیزرهای دیسک نازک خنک‌شونده با صفحه ]16[ اشاره کرد. عیب این سیستم‌ها، پیچیدگی زیاد و انعطاف پذیر نبودن طراحی آن‌ها است. بنابراین به نظر می‌رسد که سیستم‌های متعارف دمش از انتها با مشددهای ساده هنوز به خاطر بازده بالا و کار در بازه وسیعی از طول‌موج‌ها، نسبت به سایر طراحی‌ها ترجیح داده می‌شوند. لذا این موضوع، اهمیت بررسی اثرات گرمایی را در این سیستم‌ها دوچندان می‌کند.
از طرفی با توجه به اهمیت تولید گرما و تأثیر آن بر خصوصیات اپتومکانیکی ماده فعال، اثرات گرمایی کاربردهای مهمی نظیر اندازه‌گیری خصوصیات گرمایی و اپتیکی مایعات، کریستال‌های مایع و شیشه‌ها دارد. برای اندازه‌گیری خصوصیات گرمایی-اپتیکی، پرتو لیزر از نمونه عبور داده می‌شود و باعث القای یک عدسی گرمایی متغیر با زمان می‌شود. با اندازه‌گیری تغییرات شدت بر حسب زمان و مقایسه آن با مدل نظری، می‌توان کمیت‌هایی مانند ضریب پخش گرمایی، رسانندگی گرمایی، بازده کوانتومی فرآیند فلورسانس و تغییرات غیرخطی ضریب شکست را اندازه‌گیری کرد. همچنین اثرات گرمایی در تقویت‌کننده‌ها و کاهش دهنده‌های فیبری، توان سیگنال را محدود می‌کند. بنابراین تمام موارد ذکر شده در بالا، معرف اهمیت بررسی، مدل‌سازی و اندازه‌گیری اثرات گرمایی برای کاهش، بهینه‌سازی و استفاده مفید این اثر در سیستم‌های اپتیکی و لیزری است.

1-1 مقدمه و تاریخچه ………………………………………………………………….2
1-2 آنچه در رساله خواهد آمد ……………………………………………………….6

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل دوم: تأثیر گرما بر عملکرد لیزرهای حالت جامد

تولید گرما در لیزرهای حالت جامد پرتوان، اثرات مهمی بر عملکرد لیزر دارد، لذا باید در طراحی و ساخت این گونه لیزرها، نقش و تأثیر گرما به صورت صحیح در نظر گرفته شود. مهمترین عامل در طراحی یک کاواک لیزری، توجه به میزان بازده انتقال انرژی از منبع دمش به محیط فعال لیزر است. در کاواک لیزری باید جفت‌شدگی خوبی میان تابش منبع دمش و محیط فعال لیزری وجود داشته باشد. این جفت‌شدگی، باعث توزیع یکنواخت انرژی در میله لیزر شده و به تبع آن شیب دمایی یکنواختی در آن به وجود می‌آید. از طرفی توزیع غیریکنواخت و نامنظم دما در میله لیزر، باعث بروز اعوجاج در پرتو خروجی لیزر خواهد شد.
برای دمش کاواک‌های لیزری، طراحی‌های مختلفی نظیر دمش انتهایی و دمش جانبی وجود دارد که هرکدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. با توجه به نوع و کاربرد لیزر، می‌توان از دمش با لیزر نیم‌رسانا یا دمش با چشمه غیرهمدوس (لامپ درخشی) استفاده کرد. دمش میله لیزر با لامپ درخشی معایب بسیاری از جمله اثرات گرمایی بالا و بازده لیزری بسیار پایین دارد. در حالی که در دمش با لیزر نیم‌رسانا این بازدهی بسیار بهتر، اثرات گرمایی کمتر و به تبع آن کیفیت لکه لیزری نیز بهتر از دمش میله لیزر با لامپ درخشی است.
2-2 اصول اساسی انتقال گرما
انتقال گرما علمی است که انتقال انرژی به واسطه وجود اختلاف دما بین دو جسم را توضیح می‌دهد. با توجه به مفاهیم ترمودینامیک، این انرژی انتقال یافته، گرما تعریف می‌شود. علم انتقال گرما نه تنها چگونگی انتقال را تشریح می‌کند بلکه نرخ این تبادل تحت شرایط خاص را نیز پیش‌بینی می‌کند. سه طریق رسانش، همرفت و تابش برای انتقال گرما معرفی می‌شود که سازوکار این سه روش مذکور در ادامه تشریح می‌گردد.
2-2-1 انتقال گرما از طریق رسانش هنگامی‌که در جسمی اختلاف دما وجود داشته باشد، انتقال گرما از ناحیه‌ی دارای دمای بالا به ناحیه‌ی دارای دمای پایین‌تر صورت می‌گیرد. در این حالت می‌گوییم گرما از طریق رسانش انتقال یافته است. نرخ انتقال گرما در واحد سطح متناسب با گرادیان دما می‌باشد:
q/A∝∂T/∂x (2-1)
با استفاده از ضریب تناسب K که موسوم به ضریب رسانندگی گرمایی است، رابطه فوق به‌صورت زیر بیان می‌شود]22[:
q=-KA ∂T/∂x (2-2)
به طوری که در رابطه فوق q نرخ انتقال گرما، A سطح مقطع شارش و ∂T/∂x گرادیان دمایی در جهت جریان گرما می‌باشد. رابطه (2-2) قانون فوریه در هدایت گرما نام دارد و علامت منفی به این دلیل در این رابطه قرار می‌گیرد که اصل دوم ترمودینامیک برقرار شود. مطابق این اصل جهت جریان گرما به طرف دمای پایین‌تر است. معادله انتقال گرما در مختصات دکارتی با استفاده از رابطه (2-2) و در نظرگرفتن رسانش گرمایی ورودی و خروجی به واحد حجم یک عنصر دیفرانسیلی، به صورت زیر می‌باشد]22[:
∂/∂x (K ∂T/∂x)+∂/∂y (K ∂T/∂y)+∂/∂z (K ∂T/∂z)+S=ρc ∂T/∂t (2-3)
در رابطه فوق S چگالی چشمه گرمایی یا انرژی تولید شده در واحد حجم، ρ چگالی جرمی، c ظرفیت گرمایی ویژه ماده و T دمای درون محیط بر حسب کلوین است و می‌تواند تابع مکان و زمان نیز باشد. ضریب رسانندگی گرمایی K می‌تواند تابع دما، مکان و زمان باشد. برای مواد همسانگرد گرمایی، K یک اسکالر است اما در مواد ناهمسانگرد گرمایی، یک تانسور مرتبه دوم است. با فرض انتشار گرما در یک محیط همگن و همسانگرد گرمایی، معادله انتقال گرما به صورت زیر در می‌آید]22[:
(2-4) (∂^2 T)/(∂x^2 )+(∂^2 T)/(∂y^2 )+(∂^2 T)/(∂z^2 )+S/K=1/α ∂T/∂t
در رابطه فوق α=K/ρC ضریب پخش گرمایی ماده نامیده می‌شود. هرچه مقدار α بیشتر باشد، نفوذ و پخش گرما در جسم سریع‌تر خواهد بود. مقدار زیاد α می‌تواند ناشی از زیاد‌ بودن مقدار ضریب هدایت گرمایی که خود بیانگر نرخ سریع انتقال گرما است، بوده یا می‌تواند به دلیل کم بودن مقدار ظرفیت گرمایی ویژه ماده ‌باشد. از آنجا که در میله لیزر تقارن استوانه‌ای وجود دارد، لازم است معادله انتقال گرما در چارچوب مختصات استوانه‌ای، به صورت زیر بیان ‌شود]22[:
شیوه دیگری از انتقال گرما که در سیالات اتفاق می‌افتد، انتقال گرما از طریق جریان همرفت است. این شکل انتقال گرما به دو روش انجام می‌پذیرد، که عبارتند از انتقال گرما از طریق جریان همرفت آزاد و اجباری. خنک‌شدن یک جسم داغ در مجاورت هوا را می‌توان مثالی از انتقال گرما از طریق جریان همرفت آزاد نام برد. همچنین در سامانه‌هایی که خنک‌سازی آن‌ها از طریق آب یا هر سیال دیگر انجام می‌شود را می‌توان نمونه‌ای از انتقال گرما از طریق جریان همرفت اجباری در نظر گرفت.
با توجه به اهمیت جریان همرفت اجباری، تنها به بررسی این حالت پرداخته و از بحث در مورد جریان همرفت آزاد صرفنظر می‌کنیم. برای این منظور صفحه فلزی داغ شکل (2-1) را در نظر می‌گیریم. در این شکل مشاهده می‌شود که از تماس یک سیال با صفحه فلزی به منظور خنک‌سازی و کاهش دمای آن استفاده شده است. در این شکل دمای سیال Tc و دمای صفحه فلزی Tw می‌باشد.

شکل 2-1: انتقال گرما از یک صفحه فلزی داغ از طریق همرفت
برای بیان فرآیند همرفت، از قانون سرمایش نیوتن به صورت زیر استفاده می‌شود]22[:
q=hA(T_w-T_c) (2-7)
در این رابطه، h ضریب انتقال گرمای سطحی است و آهنگ انتقال گرما به اختلاف دمای بین جداره و سیال و سطح تماس A ارتباط دارد. برای حالتی که انتقال گرما به صورت همرفت صورت می‌گیرد می‌توان شرایط فیزیکی مختلفی را در نظر گرفت. به عنوان مثال برای شرایطی که سیستم خنک‌کننده، هوای معمولی یا جریانات ضعیف مایع اطراف میله لیزر است مقدار h متناهی است ولی برای یک سیستم خنک‌کننده کامل، مقدار h بسیار بزرگ خواهد بود.
2-2-3 انتقال گرما از طریق تابش
بر خلاف فرآیندهای رسانش و همرفت که انتقال انرژی از طریق ماده‌ای واسطه صورت می‌پذیرد، گرما می‌تواند از ناحیه‌ای که در آن خلأ کامل وجود دارد نیز عبور نماید، ساز و کار این حالت، تابش الکترومغناطیسی است. اما بحث ما به آن نوع از تابش الکترومغناطیسی محدود می‌شود که در نتیجه اختلاف دما صورت می‌گیرد و موسوم به تابش حرارتی است. بنا بر رابطه‌ی زیر، الزامات ترمودینامیکی نشان می‌دهد که یک تابش‌کننده یا یک جسم سیاه، انرژی را با نرخی متناسب با توان چهارم دمای مطلق جسم و نیز متناسب با سطح آن منتشر می‌سازد ]22[:

سامانه‌های خنک‌کننده با سیال در حالت دمش طولی

سامانه‌های خنک‌کننده با سیال در حالت دمش طولی

2-1 مقدمه ………………………………………………………………………………9
2-2 اصول اساسی انتقال گرما………………………………………………………..10
2-2-1 انتقال گرما از طریق رسانش …………………………………………………10
2-2-2 انتقال گرما از طریق همرفت………………………………………………….12
2-2-3 انتقال گرما از طریق تابش……………………………………………………..13
2-3 گرما در میله‌های لیزری…………………………………………………………..14
2-3-1 ایجاد گرما در اثر دمش…………………………………………………………..14
2-3-2 عدسی گرمایی………………………………………………………………….17
2-3-3 انتقال گرما در سامانه لیزری خنک‌کننده با سیال…………………………..18
2-4 تأثیر گرما بر عملکرد لیزر حالت جامد با دمش از انتها………………………….20
2-4-1 توزیع دما در میله لیزری با دمش از انتها………………………………………20
2-4-2 فاصله‌ی کانونی عدسی گرمایی القایی در میله لیزری با دمش از انتها….23
2-5 تأثیر گرما بر عملکرد لیزر حالت جامد با دمش از پهلو………………………….25
2-5-1 توزیع دما در میله لیزری دمش از پهلو…………………………………………25
2-5-2 فاصله‌ی کانونی عدسی گرمایی القایی در میله لیزری با دمش از پهلو……26

فصل سوم: مدل گرمایی پرتوهای کسینوس-گاوس و سهموی-گاوس، مقایسه تأثیر گرما بر تولید پرتوهای هلمهولتز-گاوس

در لیزرهای حالت جامد پرتوان، باید به اهمیت و نقش گرمای تولید شده در کاواک، توجه ویژه‌ای شود، زیرا در این لیزرها، بخش عمده ای از انژری دمش در بلور از بین می‌رود و تبدیل به گرما می‌شود. تولید گرما در مواد لیزری حالت جامد، اثرات مهمی بر عملکرد لیزرها دارد و تخمین مقدار گرمای تولیدشده در میله لیزری در مشخص‌کردن اندازه بلور، توان خروجی، بازده لیزر و نوع سیستم خنک‌کننده لیزر کاربرد و اهمیت دارد. بنابراین بررسی اثرات گرمایی در سیستم‌های اپتیکی و لیزری بسیار حائز اهمیت است]29[. علی‌رغم مزیت‌هایی که لیزرهای حالت جامد با دمش انتها دارند]30[، تمرکز پرتو دمش در یک طرف بلور لیزر، منجر به جذب انرژی بالایی می‌شود و در نتیجه بلور لیزری تحت تأثیر گرمای تولید شده قرار گرفته و باعث ایجاد تنش گرمایی و در نتیجه ایجاد عدسی گرمایی در آن می‌شود. بنابراین اعوجاج، کاهش کیفیت پرتو به خاطر عدسی-گونه شدن و افت واقطبیدگی ناشی از دو شکستی القا شده توسط تنش، از جدی‌ترین مسائل اثرات گرمایی است]31,32[. تنش ناشی از اثرات حرارتی حتی می تواند به شکست بلور لیزر منجر شود. به طور کلی پرتوهای خاص خانواده هلمهولتز-گاوس به چهار دسته پرتو بسل-گاوس ، ماتیو-گاوس ، کسینوس-گاوس ، سهموی-گاوس طبقه‌بندی می‌شوند. پرتوهای هلمهولتز-گاوس به میدان‌های پیرامحوری که توزیع عرضی آن‌ها شامل یک پرتو ایده‌آل ناپراشیده و یک تابع گاوسی است، اطلاق می‌شوند. چندین جواب ناپراشیده برای معادله موج گزارش شده است که می‌توان به پرتوهای کسینوسی در مختصات دکارتی، پرتوهای ماتیو در مختصات استوانه‌ای بیضوی، پرتوهای بسل در مختصات استوانه‌ای دوار و پرتوهای سهموی در مختصات استوانه‌ای سهموی اشاره کرد]29[،]32-34[. به دلیل اینکه این پرتوها در هنگام انتشار در خلأ، توزیع شدت عرضی آن‌ها بدون تغییر باقی می‌ماند آن‌ها را پرتوهای ناپراشیده می‌نامند. این پرتوهای خاص دارای ویژگی‌ها و کاربردهای فراوانی هستند که می‌توان به اصلاح ضریب شکست گازها]35,36[، هدایت و تمرکز ذرات باردار]37,38[، توموگرافی همدوس اپتیکی ]39[، دستکاری به شکل اپتیکی ذرات زنده و غیرزنده]40-42[ و بررسی سطوح بازتاب کننده با کمک تداخل سنجی ]43[ اشاره نمود، همچنین این پرتوها در اپتیک غیرخطی نیز کاربرد دارند]44-46[. خصوصیات انتشاری پرتوهای خانواده هلمهولتز-گاوس از جمله پرتوهای بسل-گاوس، کسینوس-گاوس و ماتیو-گاوس در فضای آزاد و در سیستم‌های اپتیکی پیرامحوری که با ماتریس‌های انتقالABCD مشخص می‌شوند، به‌طور جامع مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است]33[، ]47-50[.
در این فصل، ابتدا پرتوهای خانواده هلمهولتز-گاوس معرفی می‌شوند، سپس تأثیر گرما بر تولید پرتوهای خاص کسینوس-گاوس و سهموی-گاوس بررسی می‌شود، لذا از یک مدل گرمایی که یک محیط با ضریب شکست متغیر را توصیف می‌کند، استفاده می‌شود و در پایان، به بررسی و مقایسه میزان تأثیر گرما بر تولید چهار پرتو خاص خانواده هلمهولتز-گاوس پرداخته می‌شود.
پرتوهای هلمهولتز-گاوس
میدان مختلط یک پرتو خاص مربوط به خانواده هلمهولتز-گاوسH_1 (r ⃗_1;k_1 )، در صفحه ورودیZ=Z1 مربوط به یک سیستم اپتیکی پیرامحوری با ماتریس انتقال ABCD را می‌توان به‌صورت زیر تعریف کرد]30[:

3-1 مقدمه……………………………………………………………………………….30
3-2 پرتوهای هلمهولتز-گاوس………………………………………………………….32
3-2-1 پرتو بسل-گاوس…………………………………………………………………33
3-2-2 پرتو ماتیو-گاوس…………………………………………………………………..35
3-2-3 پرتو کسینوس-گاوس……………………………………………………………37
3-2-4 پرتو سهموی-گاوس……………………………………………………………..37
3-3 مدل گرمایی…………………………………………………………………………39
3-4 محاسبه فاصله کانونی عدسی گرمایی و شبیه سازی توزیع شدت پرتوهای کسینوس-گاوس و سهموی-گاوس…………………………………………………..47
3-5 مقایسه تأثیر گرما بر تولید پرتوهای هلمهولتز-گاوس…………………………..66
3-6 نتیجه گیری ………………………………………………………………………….73

فصل چهارم: بررسی اثر بازدیسی نیمرخ دمش بر مدل گرمایی پرتوهای هلمهولتز-گاوس یک لیزر حالت جامد

مدل‌های مختلف گرمایی برای تبیین اثر گرما در تولید پرتوهای لیزری و مخصوصاً پرتوهای خاص داده شده است ]10[. ولی در هیچکدام از این مدل‌ها، اثر موسوم به بازدیسی نیمرخ دمش در حین عمل لیزری لحاظ نشده است. بازدیسی نیمرخ دمش، به پدیده‌ای گفته می‌شود که در آن همزمان با دمش بلور و شروع گسیل خودبخودی و گسیل القایی، نیمرخ دمش به تدریج تغییر می‌کند. این احتمال وجود دارد که نیمرخ دمش به تدریج به سمت نیمرخ پرتو خروجی که کاواک لیزر برای تولید آن طراحی شده است، تغییر می‌یابد. به‌طور کلی عمل لیزری، همراه با تغییر شکل تدریجی نیمرخ دمش به سمت نیمرخ خروجی لیزر صورت می‌گیرد، ولی تقریباً در کلیه مطالعات لیزری، تغییر تدریجی نیمرخ دمش به علت پیچیدگی‌های زیاد این پدیده بررسی نمی‌شود و تقریباً نادیده گرفته می‌شود. اما هنگامی که اثرات گرمایی در مطالعات لیزری درنظر گرفته می‌شود، به دلیل وابستگی معادلات گرما و چشمه گرمایی به نحوه دمش، دیگر نادیده گرفتن بازدیسی نیمرخ دمش در مدل‌سازی و محاسبات، نمی‌تواند امکان‌پذیر و معقول باشد.
در فصل قبل، تأثیر گرما بر تولید پرتوهای خاص خانواده هلمهولتز-گاوس بررسی و در انتها نتایج و منحنی‌های رسم شده با هم مقایسه شد. در ادامه بررسی اثرات گرمایی بر تولید پرتوهای خاص، در این فصل اثر بازدیسی نیمرخ دمش بر مدل گرمایی پرتوهای خاص کسینوس-گاوس، بسل-گاوس و ماتیو-گاوس بررسی می‌شود. لذا جهت بررسی و مطالعه تأثیر بازدیسی نیمرخ دمش، از مدل گرمایی ارائه شده در فصل قبل و پارامترهای چیدمان آزمایشگاهی هاکولا استفاده می‌شود.
4-2 مدل گرمایی و انتقال پرتو در محیط عدسی-‌گونه القایی
برای بررسی اثر بازدیسی نیمرخ دمش بر تولید پرتوهای خاص خانواده هلمهولتز-گاوس از مدل گرمایی فصل قبل استفاده می‌شود. بنابراین فرض می‌شود پرتوهای خانواده هلمهولتز-گاوس توسط یک بلور حالت جامد با ضریب شکست اولیه n_° که با نیمرخ‌ گاوسی شکل دمیده می‌شود، تولید می‌شوند ولی با گذشت زمان، نیمرخ دمش تغییر می‌کند. پرتو هنگام حرکت در بلور لیزری به دلیل اثرات گرمایی در فاصله‌ی l=z2-z1 یک محیط عدسی‌-گونه القایی را تجربه می‌کند. لذا برای بیان خصوصیات این محیط با ضریب شکست متغیر، لازم است با درنظرگرفتن اثرات گرمایی و بازدیسی نیمرخ دمش، ماتریس انتقال ABCD این محیط GRIN محاسبه شود تا بتوان پرتو لیزر را در صفحه خروجی شبیه‌سازی کرد.
توزیع دما در حالت پایا برای این محیط عدسی-گونه، با فرض رسانندگی گرمایی ثابت K برای بلور، از حل معادله‌ی زیر بدست می‌آید]20[:
جدول‌های(4-1) فاصله کانونی عدسی گرمایی القایی را با فرض بازدیسی نیمرخ دمش برای پرتو خاص بسل-گاوس در توان دمش مختلف نشان می‌دهد. با استفاده از رابطه‌ی (4-6) فاصله کانونی عدسی گرمایی برای توان دمش مختلف محاسبه شده است. جدول (4-1) به روشنی نشان می‌دهد که برای با افزایش توان دمش تا 5وات، عدسی گرمایی القایی قوی‌تر از حالت قبل (جدول 3-1) می‌شود. به نظر می‌رسد که افزایش توان دمش در مدل گرمایی پرتوهای خاص با در نظرگرفتن بازدیسی نیمرخ دمش، باعث ایجاد شیب دمایی بیشتر در میله لیزری شده که باعث تغییر ضریب شکست میله می‌شود، در نتیجه منجر به ایحاد عدسی گرمایی قوی‌تر نسبت به حالت قبل می‌گردد، بنابراین انتظار می‌رود با افزایش توان دمش و در نظرگرفتن بازدیسی نیمرخ دمش، توزیع شدت پرتوهای خاص بسل-گاوس نسبت به حالت قبل تغییر کند.
شکل‌های(4-2) تا (4-7)، توزیع شدت و لکه لیزری مربوط به پرتو بسل-گاوس بر حسب فاصله شعاعی در فاصله 2 و 5 سانتیمتری از کمر پرتو، برای توان دمش 1، 3 و5 وات برای دو حالت با در نظرگرفتن و بدون در نظر گرفتن بازدیسی نیمرخ دمش رسم گردیده است. با مقایسه این منحنی‌ها و لکه‌ها مشاهده می‌شود که برای فاصله‌های شعاعی نزدیک و دور، بازدیسی نیمرخ دمش برای توان دمش 1وات بر مدل گرمایی پرتوهای بسل- گاوس تأثیری ندارد و منحنی‌ها و لکه‌ها رفتار مشابهی با هم دارند، زیرا در این حالت نیز رفتار عدسی-گونه محیط تغییر نمی‌کند و همچنان ضعیف (f=26 cm) بوده و قدرت تأثیرگذاری بر خروجی لیزر را ندارد. لذا می‌توان برای توان‌های دمش کم، از اثر بازدیسی نیمرخ دمش بر مدل گرمایی پرتو بسل-گاوس صرفنظر کرد. میزان گرمای تولید شده در بلور لیزری با توان دمش نسبت‌ مستقیمی دارد، لذا در ادامه با افزایش توان دمش، اثر بازدیسی نیمرخ دمش بر مدل گرمایی پرتو بسل-گاوس بررسی شده است. محاسبات و بررسی منحنی‌ها نشان می‌دهد که با افزایش توان دمش، لکه‌ها و منحنی‌های توزیع شدت پرتو بسل-گاوس برای دو حالت در نظرگرفتن و بدون در نظر گرفتن بازدیسی نیمرخ دمش، رفتاری متفاوت از یکدیگر دارند، به طوری که با بررسی منحنی توزیع شدت مربوط به حالت بازدیسی نیمرخ دمش در فاصله‌ی 5 سانتیمتری از کمر پرتو، مشاهده می‌شود که با افزایش توان دمش تا 5 وات و قوی‌تر شدن عدسی گرمایی (f=5.2 cm)نسبت به عدسی گرمایی حالت بدون بازدیسی نیمرخ دمش (f=5.6 cm)، قله مرکزی توزیع شدت به تدریج از بین می‌رود اما قله‌های کناری منحنی به شدت افزایش دامنه پیدا می‌کنند.

4-1 مقدمه ………………………………………………………………………………76
4-2 مدل گرمایی و انتقال پرتو در محیط عدسی-گونه القایی…………………….77
4-3 نتایج………………………………………………………………………………..79
4-3-1 چشمه گرمایی دارای نیمرخ بسل-گاوس…………………………………….80
4-3-2 چشمه گرمایی دارای نیمرخ ماتیو-گاوس…………………………………….85
4-3-3 چشمه گرمایی دارای نیمرخ کسینوس-گاوس………………………………91
4-4 بحث………………………………………………………………………………….95
4-5 نتیجه‌گیری…………………………………………………………………………96

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل پنجم: نتیجه‌گیری

5-1 نتیجه‌گیری و پیشنهادات…………………………………………………………97
منابع…………………………………………………………………………………….100

ABSTRACT
In this thesis, the effects of induced heat and pump profile reshaping effects on the generation of Helmholtz-Gauss beams family have been investigated.
In order to perform that the temperature distribution and heat density in the laser rod have been simulated, then a thermal model for describing the thermal effects on the generation of Cosine-Gauss and Parabolic-Gauss beams have been proposed. Moreover, the effect of induced heat on the generation of Helmholtz-Gauss beams family has been compared. The results show that in high pump power regimes, thermal effects on the generation of special beams are pronounced. By increasing the pump waist, the amount of heat in the laser crystal and the temperature gradient is severely reduced, so for a large pump waist, the effect of heat on the laser output becomes negligible.
The effect of pump reshaping on the generation of thermally-affected Cosine-Gauss, Mathieu-Gauss and Bessel-Gauss beams has been also investigated. The results show that inclusion of reshaping effects in the model is strongly dependent on the pump power that is the reshaping effects can well be neglected for low pump powers whereas its effects should be taken into account when working in high pump power regimes



بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان