ساخت لیزر Nd:YAG
موضوع : ساخت لیزر Nd:YAG
عنوان استاندارد:
ساخت لیزر Nd:YAG
مقدمه:
لیزر Nd:YAG (نئودیمیوم: ایتریوم آلومینیوم گارنت) یکی از پرکاربردترین انواع لیزرهای حالت جامد است که طول موج اصلی آن ۱۰۶۴ [nm] می‌باشد. در این آزمایش هدف، ساخت یک لیزر Nd:YAG با طول موج ۱۰۶۴ [nm] است که با استفاده از پمپاژ اپتیکی توسط لیزر دیودی و طراحی مسیر اپتیکی مناسب برای ایجاد رزوناتور و تقویت پرتو لیزری است. این آزمایش شامل تراز دقیق اجزای اپتیکی، فیلتر طول موج، و بهره برداری از خواص اپتیکی مواد فعال می‌باشد.
لیست قطعات اپتیکی استفاده شده:
خط کش(گونیا)
دو عدد آینه با درجه آزادی کامل
مونت آینه با پوشش بازتاب ۹۸ درصد
لیزر دیود با طول موج ۸۰۸ [nm]
لیزر He_Ne
عدسی استوانه ای
عدسی کروی
ریل اپتیکی
دو عدد مونت روزنه
راد Nd-YAG
فیلتر RG_1000
کارت آشکار ساز IR
پاور متر
انجام آزمایش با ذکر دقیق کلی مراحل:
در گام اول پرتو لیزر He_Ne که در آن سمت ریل اصلی ما قرار دارد را از طریق دو آینه با درجه آزادی کامل به ریل اصلی می‌فرستیم تا بتوانیم محور اپتیکی را تنظیم کنیم و سایر اجزا از جمله مونت روزنه را در روی ریل اصلی قرار دهیم.
در گام بعد لیزر دیود با دمای ۲۵ درجه ی سانتیگراد را برای تولید طول موج ۸۰۸ [nm] بعد از مونت روزنه روی ریل اصلی قرار می‌دهیم و در جلوی لیزر دایود از دو عدسی همگرا استفاده میکنیم که عدسی اول نقش موازی‌سازی پرتو و عدسی دوم نقش کانونی ساختن پرتو لیزر دایود را بر عهده دارد.
پرتو با عبور از عدسی همگرا کانونی میشود و باید فاصله‌ی کانونی را پیدا کنیم، به این منظور توان دستگاه لیزر دیود را بالا می‌بریم، کارت IR را در جلوی آن روی ریل جابه‌جا میکنیم تا جایی که این کارت شروع به سوختن کرد آن نقطه نقطه‌ی کانونی ما هست که در[mm] 320 روی ریل اپتیکی قرار داشت تا این مرحله سیستم pomping آماده است، در مرحله‌ی بعد تا اینجای کار را از طریق پاور متر توان سنجی میکنیم به این منظور آشکارساز پاور متر را روی نقطه‌ی کانونی می‌گذاریم تا حداکثر توان را به ما بدهد که ۲۵۱ [mW] را بدست آوردیم، حداکثر توان را به ازای ماکزیمم جریان دستگاه (۵۹۴ [mA] ) و در نقطه ی کانونی داریم.
جریان عبوری دستگاه را کم کردیم و به ازای آن توان هایی را که گرفتیم در قسمت گزارش نتایج بصورت نمودار نشان داده ایم ،رفته رفته که جریان را کم کردیم در جریان ۱۵۰ [mA] که رسیدیم هیچ خروجی از دستگاه نداشتیم ، جریان دستگاه را زیاد کردیم و مشاهده کردیم که در جریان ۱۷۰[mA] لیزر شروع به توان دهی می‌کند و این نقطه ی آستانه ی توان دهی است. این سیستم Pomping ما بود که توان سنجی هم کردیم ،در ادامه سه قطعه ی موجود (دو عدسی همگرا و لیزر دیود) را از ریل خارج میکنیم و در جایی قرار می‌دهیم که گم نشوند و ترتیب شان به هم نریزد تا بعدا دوباره بتوانیم آنها را نصب کنیم.
در مرحله‌ی بعد که اجزا خارج شد مهمترین قطعه‌ای که به کار می‌گذاریم روی ریل راد Nd-YAG هست که از طریق پیچ های موجود روی این مونت، زاویه‌ی راد را طوری تنظیم میکنیم که عمود بر محور اپتیکی باشد یعنی پرتو لیزر عمود بر آن بتابد، روی این ریل یک مونت روزنه هم موجود است برای نازک کردن پرتو لیزر He-Ne و در ریل اول هم که لیزر He-Ne موجود است به اضافه ی یک مونت روزنه ی دیگر.
سمت چپ راد با پوشش انتهایی ۱۰۰ درصد است و وقتی پرتو به آن بتابد بخشی از آن عبور می کند و بخشی بازتاب میشود، از آنجایی که مونت روزنه در قبل راد هست،اگر پرتو لیزر عمود وارد راد شود، باید لکه ی بازتابی دقیقا درون روزنه بیافتد.این مورد راهی است برای اینکه بتوانیم پرتو را عمود وارد راد بفرستیم. به درستی انجام دادن این قسمت از آن جهت که قرار است رزوناتور را تشکیل دهد بسیار حائز اهمیت است.
هدف ما از مرحله‌ی قبل تنظیم کردن خود راد بود تا پرتو عمود به آن بتابد، حال که تنظیم شد راد را از ریل خارج میکنیم و سه تا قطعه‌ی قبلی را که از ریل خارج کرده بودیم را روی ریل قرار می‌دهیم، مونت اول پرتو را موازی می‌کرد مونت دوم کانونی، در این مرحله چون مونت ها جابه‌جا شدند پس طبیعتا نقطه‌ی کانونی عدسی دوم هم جابه‌جا می شود که در ۳۲۵ [mm] روی ریل قرار داشت.
در مرحله‌ی بعد راد را هم در جلوی این سه قطعه قرار می‌دهیم، قبل از قرار دادن راد قطر آن را با استفاده از کولیس اندازه‌گیری میکنیم که عدد ۳ [mm] را به دست آوردیم و ارتفاع آن را نیز
۸ [mm] پیدا کردیم و مونتی که راد داخل آن بود یک برآمدگی روی سطح آن بود وجود داشت که راد دقیقا با این سطح مماس بود ، ضخامت این برآمدگی ۲ [mm] بود یعنی عددی که از روی ریل می‌خوانیم برای سطح راد باید به اضافه‌ی ۲ [mm] کنیم .
وقتی می‌خواستیم نقطه‌ی کانونی را پیدا کنیم باید نقطه‌ای بود که کارت IR قسمت سیاهش میسوخت، برای این کار نیاز به توان بالا داشتیم و وقتی نقطه کانونی مشخص شد و خواستیم راد را اضافه کنیم باید توان دستگاه را کم کنیم.
در مراحل قبل که راد روی ریل بود ما خود راد را تنظیم میکردیم، در این مرحله که راد را اضافه میکنیم میخواهیم راد تنظیم شده ار قبل را روی ریل تنظیم کنیم، برای این کار که بتوانیم بیشترین بهره را از راد ببریم باید نقطه‌ی کانونی دقیقا وسط راد بیفتد یعنی
۴ [mm] بعد از ۳۲۵ [mm] و ۴ [mm] هم قبل از ۳۲۵ [mm] ، در رابطه با بعد از ۳۲۵ [mm] ، ۲ [mm] برآمدگی داشتیم یعنی باید جلوی راد که روی ریل تنظیم میشود را روی ۳۲۷ [mm] بگذاریم که این خودش
۲ [mm] هست ۲ [mm] هم برآمدگی داشتیم که جمعا شد ۴ [mm] بعد از نقطه کانونی و طبیعتا ۴ [mm] هم قبل از کانون می افتد که به این ترتیب نقطه ی کانونی در مرکز راد می افتد.
در این مرحله بعد از راد آینه با پوشش بازتاب ۹۸ درصد می‌گذاریم مونت آینه هم دقیقا مانند مونت راد است یعنی مثل راد انگار دو تا مونت به هم چسبیده‌اند ، روی منت آینه هم سطح برآمده داریم ولی سطح آینه با قسمت برآمده بر خلاف حالت قبل، مماس نیست.
مونت آینه را در جلوی راد قرار می‌دهیم و رزوناتور ما تشکیل میشود که طول این روزناتور ، محیط بهره و کاواک برابر است با:
طول رزوناتور = 6 [mm] + 76 [mm] = 82[mm]
طول محیط بهره = 6 [mm] + 2 [mm] = 8 [mm]
طول کاواک = 80 [mm]
که در بخش بعدی به محاسبه طول عمر فوتون در کاواک و Q-factor می پردازیم.
آینه‌ی اولی در راد تخت هست و شعاع آینه در مونت آینه ۱۰۰ [mm] است و باید به دست آوریم که آیا این کاواک Stable هست یا Stable Un ، در این حالت چون میخواهیم شرط Stable برقرار باشد به صورت حدودی مونت آینه را نزدیک راد میکنیم تا فاصله کم باشد و کاواک Stable شود.
شرط پایداری نیز در بخش بعد بررسی میشود و از همین طریق هم حجم مد فعال را محاسبه می کنیم.
الان همه‌ی این کارها را کردیم تا خروجی بگیریم ولی متاسفانه خروجی نداریم در ادامه پارامترهای موجود را تنظیم میکنیم تا بتوانیم خروجی به دست آوریم ،در اولین گام یک مقدار آینه را جابه‌جا میکنیم تا ببینیم لکه کجا بیشتر متمرکز میشود یعنی کارت IR را در سمت راست آینه می‌گیریم تا لکه‌ی متمرکز تری ببینیم، گام بعد که این کار اشتباهی هم هست اینه که آمپر دستگاه را حداکثر کنیم تا توان لیزر دیود حداکثر شود، باز خروجی نداشتیم، در گام بعد از طریق گوشی یک عکس از میان رزوناتور یعنی سمت راست راد از نوک راد در قسمت برآمده یک عکس می‌گیریم (مطابق تصویر)ببینیم وضعیت لکه درون راد چگونه است که مشاهده کردیم لکه وسط راد
نیست و این منظور پیچ‌های موجود روی لیزر دیود
را تنظیم کردیم تا لکه وسط راد بیفتد وقتی لکه
وسط راد افتاد باز چک میکنیم و همچنان
می بینیم که خروجی نداریم، زیرا فوتون‌های لیزر دوست جهت مند هستند و تا آخر ریل باید این لکه باقی بماند ولی متاسفانه باقی نماندند.
در گام بعدی یک مقدار آینه و راد را هم را جابجا میکنیم و چون کارت IR اشباع شده بود از یه کارت IR دیگر استفاده کردیم همچنان خروجی نداشتیم و یک بار دیگر الایمنت میکنیم از اول به این منظور تمام قطعات جلوی لیزر دیود و خودش را در می‌آوریم و از نو می‌چینیم.
لیزر را روی ریل می‌گذاریم و موازی میکنیم و در نهایت کانونی که کارت IR در نقطه ی
۳۲۵ [mm] روی ریل شروع به سوختن کرد که همین نقطه کانونی جدید هست. دوباره این سه تا قطعه را برداشتیم و راد را قرار دادیم ، روی همین ریل روزنه هم که از قبل داشتیم حال با پیچ‌های سمت چپ راد دوباره تنظیم میکنیم که پرتو عمود وارد راد شود.این مورد را هم که تنظیم کردیم باز سه قطعه قبلی را روی ریل نصب میکنیم. در این مرحله که باز از اول الایمنت کردیم نقطه‌ی کانونی شد روی ۳۱۰ [mm] ، راد و آینه را هم می‌گذاریم حال با گوشی فیلم می‌گیریم از میان رزوناتور که ببینیم ایا لکه وسط را هست یا خیر، در این مرحله بالاخره بعد از آینه‌ای که کارت IR گذاشتیم پرتو ۱۰۶۴ [nm] را دیدیم که به این صورت بود:
در واقع لکه ی داخلی ۱۰۶۴ [nm] و لکه ی بیرونی ۸۰۸ [nm] است.
در مرحله‌ی بعد جلوی آینه یک فیلتر RG_1000 می‌گذاریم که فقط طول موج ۱۰۶۴ [nm]عبور کند، بعد از این مرحله دیگر نمی‌توانیم با کارت IR پرتو رو شناسایی کنیم زیرا ۱۰۶۴ [nm] و به طور واضح نشان نمی‌دهد برای این کار به جای کارت IR از پاور متر استفاده میکنیم ببینیم روی ریل کجا بیشترین توان را داریم. پاور متر را روشن میکنیم صفرش میکنیم، کارت IR یکم از لکه را نشان می‌دهد به همین خاطر ازش استفاده میکنیم تا بتوانیم لکه را درون آشکار ساز پاور متر بیندازیم.
کلیه این تنظیمات برای این است که بیشترین توان را بگیریم، موقعیت پاور متر خیلی مهم است برای توان سنجی که یک جای ثابت و دقیق باشد. در این حالت که پاورمتر را گذاشتیم توان ۰.۸ [mW] را به دست آوردیم، در ادامه شروع به الایمنت کردن قطعات روی ریل میکنیم تا توان را زیاد کنیم، راحت‌ترین قطعه‌ای که می‌توانیم الایمنت کنیم که ستاپمان بهم نریزد آینه‌ی خروجی است، سمت راست بالای آینه یک پیچ است که آنرا کم و زیاد میکنیم ببینیم کجا بیشترین توان را به ما می دهد، مسیر رو اگر درست بریم توان زیاد میشه و اگر اشتباه رفتیم توان افت می کند و باید به همون مقدار اشتباه برگردیم، بیشترین توانی که در این گام گرفتیم شد ۲.۸۳ [mW] ، گام بعد پیچ پایین سمت راست آینه را تنظیم میکنیم به صورت قبل که از این حالت هم ۳.۵ [mW] توان گرفتیم.
در گام بعد اولین آینه‌ی همگرا بعد از لیزر را با پیچ موجود در بالا سمت راست آن تنظیم میکنیم در ادامه پیچ پایین سمت راست را تنظیم میکنیم، گام بعد از این پیچ‌های روی سر لیزر دیود را تنظیم میکنیم بعد از این یکم راد را جابه‌جا میکنیم که تا اینجا به ۲۵ [mW] رسیدیم، بعد از این دوباره باید آینه را تنظیم کنیم از طریق پیچ بالایی و پیچ پایینی که در نهایت به ۲۷ [mW] رسیدیم .
حال که این حداکثر توان را از سیستم گرفتیم پاورمتر را خارج میکنیم و بعد از فیلتر RG_1000 کارت IR می‌گیریم و مشاهده میکنیم مرتبه‌های بالاتر مد هم موجود است و برای اینکه بخوایم پرتو را سینگل مد کنیم از جا به جایی آینه خروجی استفاده میکنیم.
کانون وقتی می‌افتد در مرکز راد بیشترین توان را ما داریم وقتی از کانون جلوتر یا عقب‌تر می‌رویم به خاطر این که حجم مد کاهش پیدا می‌کند توان خیلی افت پیدا می‌کند.
۲۷ [mW] که به دست آوردیم حاصل دقیق‌ترین الایمنتها و حداکثر توان پمپاژ بود ، حالا اگر توان پمپاژ را کم کنیم مشاهده میکنیم توان لیزر Nd:YAG کاهش می‌یابد که نمودار مربوطه را در قسمت نتایج رسم کرده ایم.
بیان چالش‌های آزمایش:
حساسیت پاورمتر به تابش مادون قرمز دست، حساسیت بالای قطعات در خروجی دادن لیزر Nd:YAG ،اشباع بودن کارت IR ،کثیف بودن سطح راد Nd:YAG
گزارش نتایج:
طول عمر فوتون در کاواک:
𝐿𝑐 = 80 [𝑚𝑚]
𝑟۱ = ∞ 𝑟۲ = 100 [𝑚𝑚]
𝑅۱ = 100% 𝑅۲ = 98%
هم چنین برای Q-factor داریم:
حال پایداری یا ناپایداری کاواک را بررسی می کنیم:
: شرط پایداری
در نتیجه کاواک پایدار است و به محاسبه حجم مد فعال میپردازیم:
تعداد Round Trip فوتون ها داخل کاواک:
طول کاواک:
𝐿𝑐 = 15.۲ [𝑚𝑚]
زمان طول عمر فوتون در کاواک:
سرعت نور در کاواک:
برای کریستال Nd:YAG، ضریب شکست حدود n ≈ ۱.۸۲
در نتیجه:
زمان یک Round Trip :
تعداد Round Trip :
یعنی فوتون به‌طور متوسط حدود ۷۱ بار داخل کاواک رفت و برگشت می‌کند قبل از اینکه از کاواک خارج شود یا از بین برود.
ماتریس انتقال برای یک کاواک تخت-کروی:
عبور از فاصله‌ی آزاد (free space) به طول :
بازتاب از آینه کروی با شعاع :
بازتاب از آینه تخت R= :
ماتریس کل یک Round Trip:
M =
M = =
نمودار ها:
خلاصه‌ای از انجام آزمایش:
در این آزمایش با استفاده از پمپاژ لیزر دیودی، کریستال Nd:YAG تحریک شد. با تنظیم مناسب لنزها و ساخت دقیق رزوناتور، خروجی لیزری در طول موج ۱۰۶۴ [nm] تولید شد. از فیلتر برای جداسازی این طول موج استفاده شد و پرتو نهایی با کیفیت خوبی به‌دست آمد.
تحلیل شخصی فرد آزمایشگر:
این آزمایش تجربه‌ی دقیقی از اصول ساخت لیزرهای حالت جامد را فراهم کرد. اهمیت تراز دقیق، استفاده صحیح از لنزها، و شناخت اصول رزوناتور از نکات کلیدی بود. صبر و دقت در تنظیم اجزا نقش تعیین‌کننده‌ای در موفقیت آزمایش داشت.
نتیجه گیری:
آزمایش ساخت لیزر Nd:YAG نشان داد که با استفاده از پمپاژ دیودی و طراحی دقیق مسیر اپتیکی، می‌توان به خروجی لیزری پرقدرت و با کیفیت در طول موج ۱۰۶۴ [nm] دست یافت. همچنین این فرآیند نیازمند شناخت دقیق مفاهیم اپتیکی و تسلط بر ابزار آزمایشگاهی اپتیک است.
اولین دیدگاه را ثبت کنید