مشددهای ناپایدار
-

مشددهای ناپایدار

تعریف: به مشددهای نوری اطلاق می‌شود که نسبت به جابجایی‌های عرضی پرتو به صورت دینامیک ناپایدار هستند.
براساس جزئیات طراحی، یک مشدد نوری نسبت به جابجایی‌های عرضی پرتو ، پایدار یا ناپایدار است. اگر مشدد پایدار باشد، هر باریکه هندسی داخل سیستم، با وجود داشتن انحراف عرضی و زاویه‌ای اوّلیه‌ای که چندان بزرگ نباشد، بعد از تعداد زیادی رفت و برگشت داخل سیستم باقی می‌ماند. در یک مشدد ناپایدار، چنین باریکه‌ای دیر یا زود از سیستم خارج می‌شود.
خصوصیات مدهای مشدد پایدار و ناپایدار بسیار متفاوت است. مشددهای ناپایدار چندین خصوصیت ویژه دارند:

  • مدها همواره اتلاف پراشی بزرگی متحمّل می‌شوند (حدود 50% یا بیشتر در رفت و برگشت)
  • اتلاف پراشی برای مدهای بالاتر معمولاً بیشتر است. این امر که باعث جدایی مدی ذاتی در سیستم است به عملکرد تک مد عرضی لیزر کمک می‌کند.
  • مخصوصاً برای مشددهایی با پراش از لبه سخت، شکل مد عرضی بسیار پیچیده بوده و دارای حلقه‌های پراشی کاملاً واضح است. تنها روش عددی برای محاسبه جزئیات شکل مد قابل استفاده است. برای بعضی مشددها با روزنه نرم ( در ذیل آمده است)، خصوصیات مد با دقت قابل قبولی با استفاده از روش­های تحلیلی قابل تخمین است.
  • در یک مشدد ناپایدار، جبهه‌های موجی که درخلاف جهت هم حرکت می‌کنند لزوماً بر یکدیگر و نیز بر سطوح آینه‌های انتهایی منطبق نمی‌شوند.
عبارت "ناپایدار" نباید این اشتباه را ایجاد کند که این مشددها نسبت به مشددهای پایدار، باثبات نیستند. برخلاف آن، حسّاسیت به عدم تنظیم در مشددهای ناپایدار به مراتب از مشددهای پایدار کمتر است و با این حال لیزرهای پرتوان قابل اطمینان با مشددهای ناپایدار ساخته شده است.

خروجی مشددهای ناپایدار لیزری

در مشددهای ناپایدار اتلاف پراشی بعنوان خروجی مفید لیزر درنظر گرفته می‌شود. خروجی می‌تواند یک آینه لیزری معمولی باشد که توزیع میدان در اطراف لبه‌های آن شکل می‌گیرد و بنابراین نور از کناره‌های آن عبور می‌کند (شکل 1). اگرچه توزیع شدت پرتو خروجی در میدان دور یک حفره در میان خود دارد، واگرایی پرتو همچنان کوچک است و کیفیت پرتو برای اغلب لیزرهای پرتوان با این مشددها از لیزرهای با مشدد پایدار بهتر است؛ مخصوصاً اگر اتلاف پراش بزرگی توسط سیستم قابل تحمّل باشد که در این شرایط اندازه حفره نسبتاً کوچک است.
شکل1-  مشدد لیزری ناپایدار با آینه خروجی لبه سخت
 
در مدل‌های دیگر، یک آینه جداکننده[1] ( به عنوان مثال در شکل2، یک آینه مورّب با حفره بیضوی) به عنوان خروجی استفاده می‌شود که درآن جداکننده، بخشی از پرتو داخل کاواک را به بیرون منحرف می‌کند.
 
شکل2- مشدد ناپایدار لیزری با خروجی به صورت یک آینه جداکننده
 
مدل دیگر استفاده از آینه‌ای با ضریب بازتاب متغیر است. در این حالت با افزایش فاصله آینه از محور پرتو، بازتاب کم می‌شود که این کاهش اغلب به صورت تابعی گاؤسی یا سوپرگاؤسی است. این شیوه از ایجاد ساختارهای حلقه‌ای در فاصله نزدیک جلوگیری می‌کند و معمولاً برای تولید پرتو با کیفیت بالاتر مناسب‌تر است.
در بعضی شرایط، مشدد در یک جهت پایدار و در جهت دیگر ناپایدار است. چنین مشددهای ترکیبی گاهی اوقات در شرایطی که پرتو بیضی‌گونی بالایی دارد، استفاده می‌شود.

مزایا و محدودیت‌های مشددهای لیزری ناپایدار

اگرچه اغلب مشددهای لیزری به صورت مشددهای پایدار طراحی می‌شوند، مشددهای ناپایدار در بعضی شرایط دارای مزایای قابل توجهی هستند. به طور خاص، این مشددها قادر هستند پرتوهای لیزری با توان نوری بالا و همچنین کیفیت پرتو نسبتاً بالا تولید کنند. مشکل اساسی در مشددهای پایدار در این شرایط این است که مد لیزری اصلی که به اندازه کافی بزرگ باشد، قابل تحقق نیست و یا این مد به شدت به اعوجاجات مانند عدسی حرارتی یا نامیزانی حسّاس است. در حالیکه یک مشدد ناپایدار می‌تواند مد اصلی بسیار بزرگ با بهره‌ای بالاتر از بقیه مدها و بدون هیچ گونه حسّاسیت به نامیزانی داشته باشد. البته این امر زمانی محقّق می‌شود که محیط بهره بتواند یک بهره نسبتاً بزرگ فراهم کند. به عنوان مثال در لیزرهای دمش لامپی یا دمش دیودی YAG، لیزرهای بخار فلز، لیزرهای اگزایمر و لیزرهای شیمیایی امکان‌پذیر است. در کاربرد لیزرهای با بهره پایین مانند لیزرهای CO2  یا لیزرهای حالت جامد پیوسته دمش لامپی، این امر مشکل بوده و اغلب منجر به پرتوهایی با کیفیت پایین می‌شود.


[1] Scraper Mirror

1395/6/25