انتقال انرژی
-
تعریف: فرآیندی که در آن یونهای آلایش در ماده فعال لیزر می توانند انرژی تحریک پذیری خود را بین یکدیگر تبادل کنند.
 
انتقال انرژی بین یونهای آلایش مختلف، مخصوصا در ماده فعال حالت جامد آلایش بالا ( کریستالهای لیزر، شیشیه ها و فیبرهای آلاییده با عناصر نادر خاکی) می تواند رخ دهد. مکانیزم اصلی در این فرآیند معمولا اندرکنش تشدیدی دوقطبی-دوقطبی ( انتقال انرژی فورستر) میان یونهای نزدیک هم است تا گسیل و جذب فوتونهای فلورسانس، البته این مکانیزم اخیر بیشتر در فواصل بلندتررخ می‌دهند. با افزایش فاصله یونها، استحکام اندرکنش دوقطبی-دوقطبی سریعا ناپدید می شود، اهمیت کلی آن بیشتر به غلظت دوپینگ، اندازه سلول واحد کریستال و همچنین تمایل یونها به تشکیل کلاستر بستگی دارد.
اگر کاهش انرژی یون"دهنده" بیشتر از انرژی دریافتی یون" گیرنده" باشد، انرژی اضافه می تواند بصورت فونون خارج شود. از این به بعد با "فرآیند انتقال انرژی با کمک فونون " روبه رو هستیم.
انواع فرآیندهای دیگر انتقال انرژی نیز وجود دارد که بین مولکولها در مایع( که ممکن است شامل تبادل الکترون هم باشد) یا بین اتمها یا مولکولهای برخورد شونده در گازها رخ می‌دهد. قدرت انتقال انرژی با پارمترهای انتقال انرژی در مدلهای معادلات نرخ می تواند تعیین شود. در این مدل نرخ یک فرآیند بخصوص انتقال انرژی، بصورت تولید یک پارامتر و چگالی‌های تحریک شدن ترازهای الکترونی توصیف می شود.
اثرات انتقال‌های انرژی
شکل1: انتقال انرژی مابین یونها یک نوع مشابه
اثرات اصلی انتقال‌های انرژی در محیط فعال لیزر شامل موارد زیر است:
انرژی تحریک شدن از طریق انتقال انرژی در درون محیط فعال لیزر جابجا می‌شود این فرایند از طریق انتقال انرژی بین یونهای لیزر از یگ گونه ( مهاجرت انرژی) (شکل1) رخ می‌دهد، به عنوان مثال این حالت می‌تواند در کریستال‌های آلایش بالای ایتربیومرخ می‌دهد. چنین فرآیندهایی مستقیما انرژی انباشته شده را بهینه نمی کنند اما بر کارایی لیزر- چه بصورت منفی یا مثبت- تاثیرگذار هستند: کارایی به عنوان مثال می تواند در لیزرهای تک فرکانسی با سوزکنی فضایی( که با مهاجرت فضایی کم می شود) افزایش یابد اما در عین حال شدیداً در حالت انتقال انرژی تحریک به نقص‌های کریستال کاهش یابد که آن هم بدلیل واپاشی غیرتشعشعی در نقص‌ها است. در بقیه موارد مهاجرت انرژی،انتقال انرژی به دیگر یونها را تسهیل می کند. ( به عنوان مثال Er+3 )
شکل 2: انتقال انرژی از Yb+3 به Er+3
انتقال‌های انرژی بین یونهای انواع مختلف معمولا در لیزرها و تقویت کننده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای مثال تابش دمش به طور موثری بوسیله یونهای ایتربیومYb+3 جذب شود که در نتیجه انرژی تحریک شدن خود را به یونهای اربیوم Er+3منتقل می کنند و اینها بصورت غیر تشعشعی به تراز انرژی پایین تر می‌روند. (شکل 2). آن تراز به صورت تراز بالایی لیزر برای انتقال به تراز پایه(ground) عمل می کند. یونهای Yb+3 به عنوان یونهای حساس کننده (sensitizer)، اجازه دمش موثر بیشتر یونهای پذیرنده Er+3را می دهد. این بدلیل غلظت بیشتر آلایش مجاز و جذب مقطعی بزرگتر یونهای Yb+3 است. فیبرهای آلایشایتربیوم-اربیوم امکان ساخت لیزرهای فیبری و تقویت کننده های طول موج خیلی کوتاه 5/1 میکرومتر را می‌دهند. به طور مشابه، فیبرهای دارایآلایش Tm+3/Ho+3می توانند انتقال انرژی از یونهای تولیوم به هلمیوم را بکارگیرند. در لیزرهای حجمی،یونهای Cr3+( به عنوان مثال در Nd3+:Cr3+:GSGG ) می توانند تابش را از لامپ فلاش جذب کرده و انرژی خود را به یونهای Nd3+منتقل کنند؛ آلایش کروم می تواند لیزرهای دمش لامپی را بسیار کارامد کند.
شکل 3: واهلش متعامد دو یون
انتقال‌های انرژی می تواند به واهلش متعامد یونها منتهی شود(شکل3): یک یون تحریک شده قسمتی از انرژی خود را به یون دیگر در حالت پایه (ground) منتقل می کند، در نتیجه هر دوی آنها به یک تراز متوسط می رسند. چنین فرآیندی در لیزرهای 2 میکرومتری تولیوم آلایش مفید است. در نتیجة این فرایندها بازده کوانتومی بیش از واحد می تواند بدست آید ( بیشتر از یک یون در تراز بالایی لیزر به ازای یون تحریک شده اصلی) اما در عوض کارایی لیزر کاهش می یابد.
در موارد دیگر انتقال‌های انرژی می تواند به کاهش جمعیت تراز پایینی لیزر با طول عمر طبیعتاًزیاد کمک کند وگرنهمنجر به خودپایان‌دهیگذار لیزری(self-terminating laser transition) می‌شود.
شکل 4: تبدیل بالای مشارکتی (Auger)
انتقالهای انرژی در لیزرهای تبدیل بالا نیز می تواند مفید باشد. این لیزرها بر اساس نوعی انتقال‌های انرژی است که در آن یک یون با استفاده از انرژی یون دیگر به حالت الکترونی بالاتر وارد می شود(شکل 4)، که اصطلاحا به آن تبدیل بالای اوژه یا تبدیل بالای مشارکتی می گویند. این نوع از تبدیل بالا یک جایگزین برای تبدیل بالا از طریق جذب ثانویة فوتونهای دمش است. یکی از مزیتهای این فرآیند تنها نیاز به یک منبع دمش است. از سویی دیگر فرآیندهای انتقال انرژی ناخواسته دیگر می‌توانند به راحتی رخ دهند. فرآیند تبدیل بالای مشارکتی همچنین هنگامی که تبدیل بالا نیاز نباشد مضر است، اما در این موارد می توان با استفاده از یک محیط فعال با غلظت آلایش کم اساساً احتمال وقوع را کاهش داد.
1394/9/7