پژوهش – بررسی پراکندگی بریلوئین و کاربرد آن در تولید لیزر فیبری بریلوئین- قسمت ۶

فرآوری اطلاعات نوری و ضبط آن‌ها
فرآوری مواد
تمام نگاری (هولوگرافی)
اندازه‌گیری (سرعت سنجی)
بازرسی
آزمایشگاهی و پژوهشی: اندازه گیری، سنتز مواد و …
لایه نشانی به روش لیزر پالسی
پس از اینکه لیزر دی‌اکسید کربن در سال ۱۹۶۴ اختراع شد کاربرد لیزر به واسطه دقت بالا و خطای ناچیز آن در زمینه‌های پزشکی افزایش یافت و برای جراحان ممکن شد تا بجای چاقوهای جراحی از فوتون استفاده کنند. امروزه لیزر می‌تواند وارد بدن شود و اعمال جراحی را نیز انجام دهد.
دیسک های تصویری و صوتی و لوح های فشرده یک دیسک ویدئو حامل یک برنامه ویدئویی ضبط شده است که می توان آن را بر روی دستگاه تلویزیون معمولی نمایش داد. سازندگان دیسک ویدئویی اطلاعات را با استفاده از یک سابنده روی آن ضبط می کنند که این اطلاعات به وسیله لیزر خوانده می شود. یک روش معمول ضبط شامل برش های شیاری با طول ها و فاصله های مختلف است عمق این شیارها ۴/۱ طول موج لیزری است که از آن در فرایند خواندن استفاده می شود. در موقع خواندن باریکه لیزر طوری کانونی می شود که فقط بر روی یک شیار بیفتد. هنگامی که شیار در مسیر لکه باریکه لیزر واقغ شود بازتاب به خاطر تداخل ویرانگر بین نور بازتابیده از دیوارهای شیار و به آن کاهش پیدا می کند. به عکس نبودن شیار باعث یک بازتاب قوی می شود. بدین طریق می توان اطلاعات تلویزیونی را به صورت رقمی ضبط کرد.
در ژانویه ۲۰۱۳ فیزیکدانان ذرات یک گاز کوانتومی بر پایه پتاسیم ساختند. این گاز هنگامی که تحت تأثیر لیزر و میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد به دماهای منفی می‌رسد. در این دمای ترمودینامیکی، ماده شروع به بروز دادن خواص ناشناخته پیشین می‌کند.

آخرین فناوری‌ها

شرکت نظامی راین متال آلمان با موفقیت یک لیزر پر قدرت نظامی را طراحی و تولید کرد. این لیزر می‌تواند هواپیماهای پهپاد را در میانه پروازشان تخریب کند. این نوع لیزر تخریبی از فاصله یک مایلی (۱۶۰۰ متر) قادر است بدنه فولادی پهباد را شکافته و به داخل هواپیما نفوذ کند. این ویژگی تخریبی حتی در آب و هوای نامساعد هم دچار اختلال نمی‌گردد. این شرکت قصد دارد با گسترش تحقیقات خود کارایی این لیزر را در جهت تخریب دیگر وسایل نقلیه نظامی در میادین جنگی افزایش دهد.

۳-۴- تولید لیزرهای فیبری بریلوئین

با استفاده از طرح‌های تغذیه معکوس نظیر کاواک‌های خطی و حلقوی، توان آستانه پراکندگی برانگیخته بریلوئین به نحو چشمگیری کاهش می یابد. در واقع با قرار دادن فیبر نوری درون یک حفره بمنظور تولید نوسانات لیزر فیبری بریلوئین، توان آستانه بطور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد و علاوه بر آن پهنای استوکس بریلوئین بطور قابل توجه ای باریکتر از پهنای پمپ شده و به چندین هرتز کاهش می یابد (Smith, Zarinetchi and Ezekiel 1991, 393–۳۹۵; Shirazi et al 2007, 30-32). اگر بهره در فرآیند تقویت استوکس بریلوئین بیش از اتلاف کاواک باشد، نوسان استوکس بریلوئین درون کاواک پدید می‌آید که به نوبه خود سبب تولید لیزرهای فیبری بریلوئین می‌شود. پیکربندی کلی کاواک‌های خطی و حلقوی که برای خلق لیزرهای فیبری بریلوئین میتوان استفاده کرد در شکل‌های (۳-۲) (a) و (۳-۲) (b) آمده‌اند. در کاواک‌ خطی نشان داده شده در شکل (۳-۲) (a)، فرض بر آنست که دو لیزر فیبری بریلوئین با همان طول موج در جهت مخالف هم درون کاواک در حال انتشار یا رفت و برگشت اند در صورتی که در کاواکهای حلقوی بدلیل یکسویه بودن جهت انتشار تنها لیزر فیبری پمپ بریلوئین انتشار می یابد. ۱R و ۲R در شکل (۳-۲) (a) ضرایب بازتابش در طول موج لیزر فیبری بریلوئین برای دو آینه سمت چپ و راست به ترتیب می‌باشند. در این شکل فرض بر آن است که هر دو آینه در طول موج پمپ شفاف‌اند بنابراین پمپ تنها یکبار از درون فیبر می‌گذرد. از این رو پرتو پمپ بفرض بطرف راست منتشر می‌شود در حالی که موج ایستاده نور لیزر که از بر هم نهی پرتوهای لیزر منتشر شده به راست و چپ درون فیبر ایجاد می‌شود، وجود دارد.  توان پرتو پمپ است که به درون فیبر منتشر می‌شود.  ضرایب عبوراند که در مورد همه عناصر درون کاواک نظیر عناصر تنظیم کننده فیبر به آینه‌ها به همراه اتلاف ناشی از هر عنصر در نظر گرفته می شودوبنابراین لیزر خروجی  چنین تعیین می‌شود:
(۳-۱۹)   توان خروجی پرتوی است که از انتهای فیبر بیرون می‌آید. همچنانکه در شکل (۳-۳) پیداست، با کاربرد انتشارگرهای نوری و تطبیق دهندهای نوری هیچ نیازی برای استفاده از آینه ها برای تولید لیزر فیبری بریلوئین در فیبر نوری نیست.
لیزرهای فیبری بریلوئین در عمل نسبتاً بسادگی قابل دسترس‌ اند و با پمپ بریلوئین با توان چند میلی‌وات می‌توان آنها را ایجاد نمود به این دلیل که بهره بریلوئین آنچنان بالاست که با وجود طول طویل فیبر تک مد گردش پرتو لیزر را درون کاواک باعث می‌شود. برای کاواک حلقوی نشان داده شده در شکل (۳-۳)، شرایط مرزی برای شدت استوکس بریلوئین بصورت زیر است:
(۳-۲۰)  که  طول کاواک حلقوی و  مساوی با کسر شدت استوکس بریلوئین تزریق شده به داخل کاواک حلقوی بعد از هر دورگردش می باشد.
شرایط مرزی دیگری برای شدت توان پمپ در فیبر وجود دارد:
(۳-۲۱)   شدت پمپ تزریق شده به سیستم نوری و μنقش ضریب بدون بعد پمپ است. در این مورد با بکارگیری شرط مرزی معادله(۳-۲۰)، شرط آستانه پراکندگی برانگیخته بریلوئین درتقریب پمپ ثابت چنین خواهد بود:
(۳-۲۲)

شکل (۳-۲): طرح پیکربندی کاواک خطی (a) و کاواک حلقوی (b) را نشان می دهد.

شکل(۳-۳): یک کاواک حلقوی برای تولید لیزر فیبری بریلوئین را نمایش می دهد.

لیزرهای فیبری بریلوئین در حفره های خطی یا فابری- پرو چندین ویژگی دارند که آنها را بطور کیفی از لیزر های فیبری بریلوئین تولیدشده درون حفره های حلقوی متفاوت می کنند. این تفاوت به دلیل حضور همزمان مولفه های پمپ بریلوئین و استوکس درانتشار رو به جلو و عقب درون حفره (کاواک) می باشد. بنابراین امواج استوکس با مراتب بالا که در اثر فرآیند آبشاری پراکندگی برانگیخته بریلوئین تولید می شوند، بسهولت در کاواک خطی نسبت به یک کاواک حلقوی با شرایط مشابه نمایان می شوند. در فرآیند آبشاری پراکندگی برانگیخته بریلوئین، هر کدام از مولفه های استوکس، پمپی برای تولید استوکس مرتبه بعدی خواهدبود بشرط آنکه توانش به اندازه کافی بزرگ باشد تا شرط توان آستانه بریلوئین را برآورده سازد. در همین زمان امواج آنتی استوکس در طی فرآیند فیزیکی دیگری بنام ترکیب چهار موج بین پمپ و امواج استوکس در حال انتشارایجاد میشوند.

۳-۵- تولید لیزرهای فیبری بریلوئین چند طول موجی

لیزرهای فیبری بریلوئین توجه وسیعی را به دلیل آستانه کم و بهره بالا در انتقال توان پمپ به لیزر به خود جذب کرده‌اند. بین تمامی کاربردهای لیزرهای فیبری بریلوئین، لیزرهای فیبری بریلوئین چند طول موجی که به نام لیزرهای فیبری بریلوئین آبشاری هم شناخته می‌شوند از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند که بعنوان مثال در دستگاه‌های انتقال اطلاعات بوسیله فیبر نوری کاربردهای وسیعی دارند (Smith, Zarinetchi and Ezekiel 1991, 393–۳۹۵; Stokes, Chodorow and Shaw 1982, 509-511; Hill, Kawasaki and Johnson 1976, 608-609).
در گذشته، منابع لیزر نیمه هادی مجزایی برای ایجاد هر کانال بکار می‌رفت و لازمه هر کدام یک کنترل مجزا بود (Nosu et al 1993, 764-776).
مزیت لیزرهای فیبری بریلوئین چند طول موجی آن است که آنها را می‌توان خود به خود از جابجائی فرکانسی بریلوئین که از طریق مشخصه و ویژگی‌های فیبر تعیین می‌شود، ایجاد کرد. رفتار دینامیکی و پایایی اینگونه لیزرها بطرق مختلف بررسی شده است (Ogusu 2002, 947-949; Randoux et al 1995, 2327-2334; Shirazi 2008, 3 ). لیزرهای فیبری بریلوئین به کمک تقویت کننده فیبر آلاییده با اربیم و تقویت کننده رآمان هم ایجاد می‌شوند که در دو فصل بعد به آنها می‌پردازیم.
در بخش بعد به تولید لیزرهای فیبری بریلوئین چند طول موجی بدون استفاده از هیچگونه تقویت کننده اپتیکی خارجی دیگری خواهیم پرداخت.

۳-۵-۱ تولید لیزر فیبری بریلوئین چند طول موجی در کاواکهای حلقوی

در این بخش با استفاده از عناصر و قطعات ساده‌ای نظیر یک فیبرتک مد بطول ۲۵ کیلومتر که بعنوان محیط بهره بریلوئین بکار می‌رود، همچنین تطبیق دهنده‌های فیبر و گرداننده‌های اپتیکی، پس خوراند لازم برای تولید لیزر فیبری بریلوئین چند طول موجی تولید می‌شود. عملکرد چند طول موجی حاصل بصورت استوکسهای زوج و فرد در جهت‌های مستقیم و معکوس با جدایی فرکانسی ۲۰ گیگا هرتز بدست می‌آید. با ترکیب دو موج حاصل در جهت‌های مستقیم و معکوس، یک لیزر فیبری چند طول موجی که جدائی فرکانسی خطوط آن ۱۰ گیگاهرتز از هم باشند بدست می‌‌آید.
در شکل(۳-۴) پیکربندی پیشنهادی برای تولید لیزر فیبری بریلوئین چند طول موجی نشان داده شده است. عناصر این کاواک، یک تطبیق دهنده -dB3 (2×۲)۱C، تطبیق دهنده دیگر dB-3 (2×۱)۲C و همچنین گرداننده اپتیکی چهار پایه‌ای (OC) و فیبر تک مد SMF بطول ۲۵ کیلومتر است.

شکل(۳-۴): مجموعه پیشنهادی تجربی برای تولید لیزر چند طول موجی با جدائی GHz 10 و GHz 20(Shirazi 2008, 3)

فیبر تک مُد در کاواک ۱ توسط پمپ بریلوئین پمپ می‌شود و اولین استوکس تولید شده در جهت ساعتگرد درون کاواک ۱ حرکت می‌کند و در پایه ۲ به درون کاواک ۲ گسیل می‌شود. این امر سبب می‌شود پس خوراند مناسبی هم در کاواک ۱ ایجاد شود. استوکس اول هم در خروجی ۲ از تطبیق دهنده ۲C آشکار می‌شود. درهمین زمان اولین استوکس بعنوان پمپ برای تولید استوکس دوم که در جهت پاد ساعتگرد درون کاواک ۱ حرکت می‌کند می‌چرخد تا توان کافی را بدست آورد و قسمتی از آن از طریق پایه ۴ و کاواک ۲ در خروجی ۱ آشکار شود. این فرآیند تکرار می‌شود تا استوکس‌های زوج و فرد همچنانکه در آزمایش ذکر شد تولید شوند. از شکل (۳-۴) پیداست که استوکس‌های فرد در هر دو کاواک می‌چرخند در حالی که استوکس‌های زوج تنها در کاواک ۱ می‌چرخند و کاواک ۲ مسیر خروج آنها را فراهم می کند.
پرتو پمپ بریلوئین با فرکاس wp اولین سیگنال استوکس با فرکانس wis که به عقب منتشر می‌شود را ایجاد می‌کند بطوری که  با توجه به آنکه  فرکانس جابجایی استوکس حاصل می شود. به همین ترتیب استوکس اول دومین استوکس را همچنانکه از قبل گفته شد ایجاد می‌کند که در جهت مخالف اولین استوکس و یا در جهت پمپ بریلوئین انتشار می‌یابد. فرآیند آبشاری سبب خلق استوکس‌های بعدی می‌شود به طوری که لیزر چند طول موجی نظیر شکل (۳-۵) ایجاد می‌شود. جابجائی بین دو خط زوج یا فرد متوالی ۰۸/۰×۲ نانومتر (۲۰ مگاهرتز در ۱۵۶۰ نانومتر) است. خطوط قبل (با طول موج کمتر) از پمپ بریلوئین پاد استوکس‌ها هستند که از برهم کنش امواج استوکس‌های متفاوت با طول موج پمپ از طریق فرآیند ترکیب چهار موج بدست می‌آیند.
 

شکل(۳-۵): تولید لیزر چند طول موجی با فاصله جدائی nm 16/0 (20 گیگاهرتز) بین خطوط متوالی در جهت‌های مستقیم و معکوس را نشان می‌دهد (Shirazi 2008, 3)

با ترکیب دو خروجی ۱ و ۲ بوسیله یک تطبیق دهنده -dB3 می‌توانیم یک لیزر فیبری بریلوئین چند طول موجی ایجاد کنیم که جدایی خطوط آن از هم nm‌۰۸/۰ (GHz 10) باشد. در شکل (۳-۶) این لیزر چند طول موجی حاصل نشان داده شده است. اگر چه در توان بیشینه خطوط افت و خیزهایی دیده می‌شود اما با استفاده از یک فیلتر صاف کننده بهره نظیر یک توری پراش فیبری تناوبی در طول می‌توان بعنوان یک پیشنهاد جهت ارتقاء و صاف شدگی آن استفاده ‌کرد.
 

برای دانلود متن کامل این فایل به سایت torsa.ir مراجعه نمایید.