لیزرهای اسلب
تعریف: لیزرهای حجیم حالت جامدی که محیط فعال آنها به شکل یک تیغة باریک است.
لیزرهای اسلب

تعریف: لیزرهای حجیم حالت جامدی که محیط فعال آنها به شکل یک تیغة باریک است.
لیزرهای اسلب نمایانگر یک دسته از لیزرهای حجیم حالت جامد پر توان هستند که محیط فعال (بلور لیزری) آنها به شکل یک تیغة باریک است. معمولاً یک لیزر اسلب، در یک بعد نسبت به اندازه دو بعد دیگرش نازکتر است. اگر چه بعضی از لیزرهایی که این نسبت نازک بودن در یک بعد را دارا نیستند، فقط به دلیل اینکه سطح مقطع آنها به جای دایره ای شکل مستطیلی است لیزر اسلب نامیده می شوند. این لیزرها همچنین در حد میزان توان نیز تفاوت چندانی با لیزرهای میله ‌ای ندارند.
لیزرهای اسلب برای عملکرد در توان بالا، اغلب از بلورهای لیزری با ابعاد نسبتاً بزرگ استفاده می کنند. نکته مهم این است که جنس مواد بلور لیزری آنها با لیزرهای Nd:YAG، Yb:YAG یا الکساندریت متفاوت است.
همچنین لیزرهای دی اکسید کربن با هندسه باریک شکل وجود دارند که مخلوط دی اکسید کربن یک محیط عریض را بین دو صفحه الکترود فلزی تشکیل می دهد. نور لیزر می تواند توسط یک مشدد لیزری هیبریدی که یک مشدد ناپایدار در راستای افقی و یک مشدد موجبر در راستای عمودی است، استخراج شود.
 
دمش سطحی در مقایسه با دمش لبه ای
اگر فقط لیزرهای باریک معمولی با نسبت طول به عرض زیاد در نظر گرفته شوند، بطور اساسی دو هندسه دمش متفاوت وجود دارد که در شکل 1 نشان داده شده است.


شکل 1- مقایسه هندسه دمش لیزرهای باریک. دمش سطحی (سمت چپ) معمولاً برای لیزرهایی که با لامپ پمپ می شوند استفاده می شود، که در آن هم دمش (فلش های قرمز) هم استخراج گرما (فلش های نارنجی) از طریق وجه های بزرگ انجام می شود. هندسه دمش لبه ای (سمت راست) برای دمش دیودها مناسب تر است. در هر دو هندسه، پرتو لیزر مجزا از یک راه زیگ-زاگی ممکن، در راستای عمود بر سطح شکل منتشر می شود.
تا کنون هندسه های دمش سطحی سنتی بیشتر برای دمش لامپی توسعه یافته اند. در این مورد نور لامپ از بالا و پایین و از میان یک مایع خنک کننده شفاف (در شکل نشان داده نشده است) که معمولاً در تماس مستقیم با اسلب است به آن وارد می شود. با داشتن یک سطح وسیع و همزمان یک بازه زاویه ای بسیار بزرگ، این هندسه نیاز خیلی کمی به کیفیت پرتو دمش دارد. هر چند که برای دستیابی به بازده جذب دمش بالا نیازمند یک ضخامت زیاد و یا غلظت آلایش بالا است. این موضوع یک مشکل در دستیابی به توانهای خروجی بالا است و همچنین کار را برای محیط های شبه سه بعدی مشکل می سازد.
در مورد دمش دیودی، دمش لبه ای یا متقاطع مناسب تر است. همدوسی فضایی بیشتر لیزر دیودهای توان بالا (به عنوان مثال بارهای دیود یا استک های دیود) این امکان را فراهم می کند که تمام نور دمش از میان لبه نسبتاً باریک تزریق شود. دیودهای دمش بدون هیچ اپتیکی در آن میان می توانند بطور مستقیم در لبه اسلب قرار گیرند. به دلیل اینکه وجه های بزرگ لازم نیست که عبور دهنده نور باشند، روش های متعدد خنک کاری شامل خنک کاری رسانشی از طریق هیت سینک های فلزی با کانال های داخلی آب می توانند مورد استفاده قرار گیرند. در این روش، آب خنک کننده (همراه با آلودگی های ممکن) از سطح های اپتیکی دور نگه داشته می شود. علاوه بر مزایای تجربی دمش و خنک کاری در موقعیت های (مکان های) متفاوت، این هندسه امکان یک مسیر جذب طولانی در امتداد راستاهای عریض را فراهم می کند و بنابراین امکان استفاده از یک اسلب خیلی نازک را بدون تراضی بازده جذب دمش میسر می سازد. همچنین می توانیم غلظت آلایش ها را کاهش دهیم و شدت دمش را زیاد کنیم، بنابراین امکان استفاده از محیط های شبه 3 بعدی آسان تر می شود. بهینه سازی های بیشتر بازده جذب دمش می تواند توسط گذاشتن لایه های بازتابی در کناره های دمش که فقط شکاف های باریکی برای تزریق نور دمش دارند، حاصل شود.
برای دمش لبه ای نیز 2 هندسه متفاوت وجود دارد:

  • یک راه این است که اسلب در راستای عمود بر پرتو لیزر پمپ شود. این روش منجر به جداسازی کامل اپتیک برای دمش و سیگنال نوری می شود که نیازی به المان های دیکرویک نیز نخواهد بود. یکی از معایب این روش توزیع غیر ایده آل شدت دمش است (در حالت راه مستقیم پرتو نسبت به یک راه زیگ – زاگی، بیشترین شدت دمش در قسمت های بیرونی پرتو سیگنال است).
  • حالت دیگر این است که هم کل بازه عمودی اسلب پمپ شود هم فقط یک سطح آن، بطوریکه در آن دمش و پرتو سیگنال به سطوح تخت نمی رسند. دیدگاه اخیر نیازمند کیفیت پرتو دمش بالاتر است که با وجود لیزر دیودهای توان بالایی که امروزه وجود دارند مشکلی نیست. مزیت این حالت، کیفیت بهتر پرتو سیگنال است و اینکه وجوه تخت نیاز به پولیش کاری ندارند.
این طرح تقویت کننده که عملکرد بسیار خوبی را در مورد توان خروجی، کیفیت پرتو و بهره ارائه می دهد بر اساس دمش لبه ای در راستای طولی و دمش صفحه ای که در بالا ذکر شد ترکیب شده با یک راه زیگ-زاگی است که در شکل 3 نشان داده شده است.

استخراج توان
استخراج توان در لیزرهای اسلب به دلیل وجود یک عدم تقارن واضح هم در هندسه و هم در انباشت حرارتی، به نسبت لیزرهای میله ‌ای و لیزرهای دیسک نازک مشکل تر است. مخصوصاً اگر کل حجم اسلب به عنوان مثال توسط لامپ پمپ شده باشد. با فرض اینکه اسلب از طریق وجه های بزرگش خنک شده باشد یک تجمع حرارتی بسیار زیاد در راستای عمود بر این وجه ها و به مقدار ضعیف تر در دیگر راستاها وجود دارد. یک دیدگاه برای حل این مشکل، ساخت یک مشدد لیزری به حالت بیضوی است که برای تقارن هندسی شکل و تجمع حرارتی مناسب است.
یک روش برای کاهش چشمگیر تجمع حرارتی در یک راستا استفاده از اسلب با هندسه زیگ-زاگی است که در آن پرتو لیزر یک مسیر زیگ-زاگی را از میان محیط فعال طی می کند، بطوریکه اثرات تجمع شدید حرارتی در راستای "نازک" به میزان زیادی کاسته می شود. در این روش سطوح تخت برای کیفیت اپتیکی بالا نیاز به پولیش کاری دارند و باید از هر چیزی که بازتابندگی آنها را از بین می برد اجتناب کنند (به عنوان مثال تماس مستقیم با سطوح فلزی).
 



شکل 2- هندسه محیط فعال یک اسلب زیگ-زاگی. پرتو لیزر تمام بازتاب های داخلی سطوح اسلب را بجز سطوح ورود و خروج با زاویه بروستر تجربه می کند.

 
شکل 3- تصویر از بالای استخراج توان در یک لیزر اسلب با استفاده از یک مسیر پرتو چین خورده.
به جای استفاده از یک پرتو به شدت بیضوی این امکان وجود دارد که مسیر پرتو را در یک راستای دیگر پیچاند (شکل 3). توجه کنید 2 آینه ای که در این روش برای انحراف مسیر و پیچاندن پرتو استفاده می شوند نباید موازی یکدیگر باشند زیرا سبب بوجود آمدن لیز پارازیت بین این آینه ها می شود. در راستای عمودی، تابش دمش ممکن است به یک قسمت نازک محدود شود و نتیجتاً سایز مد مشدد میتواند تطبیق داده شود.
راهکاری دیگر برای استخراج توان، استفاده از یک رزوناتور لیزری ناپایدار است. بطور نمونه، لیز بین دو آینه بازتابنده رخ می دهد و بخشی از توان چرخشی از طریق یکی از آینه های خراش دار به بیرون می رود.
در اغلب مواقع، یک لیزر اسلب مناطقی در بلور لیزری خواهد داشت که در آنها توان نمی تواند استخراج شود. این موضوع بازده توان ابزار را کاهش می دهد و بدلیل اینکه در مناطق بیرونی لیزر به نسبت نواحی مرکزی اثرات اشباع بیشتر و بهره بالاتر است، ایجاد پرتو با کیفیت پراش محدود شده را مشکل می سازد.
بدلیل بهره بالا در راستای متقاطع، فرونشاندن گسیل خودبخودی تقویت شده و پارازیتها در لیزرهای اسلب توان بالا مشکل خواهد بود. به خصوص لیزرهایی که با بهره بالا مثلاً برای تقویت پالس یا ایجاد پالس توسط Q سوئیچ عمل می کنند.
اثرات حرارتی و مقیاس گذاری توان
لیزرهای اسلب برای عملکرد در توان های بالا طراحی شده اند و بنابراین دارای اثرات حرارتی شدیدی در محیط بهره هستند. پروفایل دمایی در دو راستای بلند به نسبت تخت است ولی در راستای عمودی به دلیل اینکه گرما از وجه های بالایی و پایینی خارج می شود گرادیان دمایی شدیدی وجود دارد. هندسه زیگ-زاگی سبب می شود این گرادیان شدید به نسبت زیادی تعدیل شود ولی اعوجاج اپتیکی از اثرات پسماند همه راستاها، به خصوص اثرات انتهایی ناشی می شود.
همچنین گرادیان حرارتی به تنش های مکانیکی ای که توسط حرارت القاء می شوند نیز مرتبط است. این تنشها معمولاً در قسمت های راست و چپ قوی تر هستند و حتی ممکن است باعث شکسته شدن بلور شوند. برای اینکه بتوانیم لیزری با حد شکستگی بالا در مورد دمش یا توان خروجی داشته باشیم، باید تا جای ممکن اسلب نازک ساخته شود در حالیکه طول و عرض آن افزایش می یابد. این روش برای هندسه دمش سطحی نیز منجر به بازده جذب بالا خواهد شد. اسلب هایی که از لبه پمپ می شوند در این حالت بهتر خواهند بود. انتظار می رود میزان توان لیزرهای اسلب Yb:YAG پمپ شده از لبه بتواند به چند صد کیلو وات نیز برسند.
لیزرهای موجبر اسلب
یک نوع خاص از لیزرهای اسلب لیزرهای موجبر اسلب است. در اینجا نور لیزر تمام حجم اسلب را پر نمی کند ولی در داخل یک ناحیه نازک دوپ شده که توسط مواد شفاف دوپ نشده احاطه شده است، پخش می شوند. این ناحیه دوپ شده در راستای عمودی به عنوان یک موجبر عمل می کند، در حالیکه در دیگر راستاها هدایتی وجود ندارد. چنین ساختاری در مقایسه با یک موجبر کانالی یک موجبر تخت است. دمش همچنان از بالا و پایین می تواند انجام شود. این تکنولوژی ظاهر فنی پیچیده ای دارد ولی برای چند صد وات توان خروجی با کیفیت پرتو نسبتاً بالا می تواند مناسب باشد.
رقابت معماری های گوناگون
انواع گوناگون لیزرهای اسلب با دیگر معماری های لیزر که قادر به تولید توان های بسیار بالا هستند به رقابت می پردازند. به خصوص اینکه لیزرهای دیسک نازک و لیزرهای فیبر نیز می توانند به توان های خروجی در حد کیلو وات دست پیدا کنند در حالیکه کیفیت پرتو بهتر و بازده توان بالاتری را می توانند ارائه دهند. این معماری ها مسلماً برای دمش لامپی مناسب نیستند و محدودیت های خاصی را در محیط بهره قرار می دهند. لیزرهای میله‌ ای تا چند صد وات و حتی تا چند کیلو وات، با لیزرهای اسلب به رقابت می پردازند ولی این پتانسیل را ندارند که به توان های چند ده یا چند صد کیلو وات دست یابند.
 



   |    1397/11/4