اندازه گیری طول عمر تراز کریستالNd:YAG
به نام خدا
آزمایشگاه اپتیک و لیزر
گزارشکار آزمایش اندازه گیری طول عمر تراز کریستالNd:YAG
عنوان گزارش کار:
به دست آوردن طول عمر تراز بالای لیزر nd:yag برای گسیل خود به خودی
هدف آزمایش:
اندازه گیری طول عمر تراز کریستال Nd:YAG
مقدمه: در این آزمایش، هدف بررسی گسیل خودبه‌خودی (spontaneous emission) و اندازه‌گیری طول عمر حالت برانگیخته در محیط فعال یک سیستم لیزری است. برای این منظور از لیزر دیود پالسی ۸۰۸ نانومتر به‌عنوان پمپ استفاده میشود. پرتوی لیزر پس از موازی‌سازی و کانونی‌شدن روی محیط فعال (مانند Nd:YAG) باعث برانگیخته‌شدن الکترون‌ها میشود. در غیاب رزوناتور، تنها گسیل خودبه‌خودی اتفاق می‌افتد؛ فوتون‌های ساطع شده
) با عدسی جمع‌آوری و توسط فیلتر مناسب جدا میشوند. سپس توسط پین‌دیود آشکارسازی شده و سیگنال آن روی اسیلوسکوپ ثبت می‌گردد. با تحلیل این سیگنال، زمان لازم برای کاهش شدت تا ۱/e، به‌عنوان طول عمر حالت برانگیخته مدنظر قرار می‌گیرد.
ویژگی‌های مهم و اهمیت آزمایش:
Nd:YAG یک سیستم چهار‌ترازه دارد که در آن گذار ۴→۳ و ۲→۱ با زمان آرام‌سازی بسیار سریع است، بدون گسیل فوتونی.اندازه‌گیری دقیق طول‌عمر این تراز برای درک دینامیک جمعیت ترازهای انرژی و طراحی بهینه لیزرهای جامد-حالت ضروری است.
چرا این مهم است؟
این آزمایش، تصویر روشنی از فرایندهای پایه‌ای لیزر ارائه میدهد:
تحلیل دینامیک جمعیت ترازی: فهم چگونگی ایجاد و فروپاشی وارونگی جمعیت، یکی از کلیدی‌ترین عوامل در عملکرد لیزر است.
اندازه‌گیری پارامترهای کلیدی: مشخصات طول‌عمر T₁ نقش مؤثری در تعیین آستانه لیزر، عرض طیفی (linewidth) و راندمان دستگاه دارد.
کاربرد عملی: این دانش مبنایی برای طراحی و بهینه‌سازی سامانه‌های لیزری، به‌ویژه لیزرهای دیودی / جامد حالت است—چه در حالت پیوسته و چه پالسی.
تئوری آزمایش
در این آزمایش، هدف بررسی فرایند گسیل خودبه‌خودی در محیط فعال لیزری و اندازه‌گیری طول‌عمر حالت برانگیخته است. گسیل خودبه‌خودی فرایندی است که طی آن، الکترون‌های برانگیخته بدون دخالت عامل خارجی، به حالت پایه بازمی‌گردند و فوتون‌هایی با جهت‌گیری تصادفی و بدون هم‌فازی گسیل می‌کنند. برخلاف لیزر که نیاز به کاواک اپتیکی دارد تا فوتون‌ها جهت‌مند شده و مدهای خاصی شکل بگیرند، در این آزمایش رزوناتور وجود ندارد و عمده فوتون‌های تولیدشده از نوع گسیل خودبه‌خودی هستند.
در آزمایش، لیزر دیود ۸۰۸ نانومتر به‌صورت پالسی به‌عنوان پمپ عمل می‌کند و الکترون‌ها را به ترازهای بالاتر محیط فعال (Nd:YAG) برمی‌انگیزد. فوتون‌های گسیل‌شده در طول‌موج ۱۰۶۴ نانومتر به کمک عدسی‌ها جمع‌آوری و توسط فیلتر اپتیکی RG1000 از فوتون‌های ۸۰۸ نانومتر جدا میشوند. سپس فوتون‌های عبوری توسط یک فوتودایود آشکارسازی شده و سیگنال حاصل، پس از تقویت، روی اسیلوسکوپ ثبت میشود. سیگنال لیزر دیود و فوتودایود به‌ترتیب به کانال‌های ۲ و ۱ اسیلوسکوپ متصل شده‌اند تا تحلیل دقیق انجام گیرد.
در این فرایند، با تنظیم دقیق عدسی‌ها و موقعیت کریستال، پرتوی لیزر بهینه روی محیط فعال متمرکز میشود. همچنین، از کارت IR برای مشاهده لکه لیزری و تنظیم کانونی‌سازی استفاده میشود. پس از خروج فوتون‌ها از محیط فعال، عدسی دوم به کار می‌رود تا فوتون‌های پراکنده جمع و به سمت آشکارساز هدایت شوند.
با توجه به عدم استفاده از رزوناتور و پوشش بازتابی روی کریستال، فوتون‌های مشاهده‌شده عمدتاً از نوع گسیل خودبه‌خودی هستند و گسیل القایی رخ نمی‌دهد. فیلتر RG1000 نقش مهمی در حذف مؤلفه‌های ناخواسته دارد و تنها فوتون‌های ۱۰۶۴ نانومتر را عبور میدهد که دقیقاً مربوط به گذار الکترونی در کریستال Nd:YAG است.
ابزار آزمایش:
- منبع تغذیه لیزر
- لیزر Diode(808 nm)
- میز اپتیکی
- ریل اپتیکی (محور اپتیکی باید موازی با این ریل باشد)
- مونت یا پایه های نگهدارنده آینه ها و عدسی ها
- لنز با فاصله کانونی ۶۰ میلی متر
- عدسی استوانه ای
- Nd:YAG Rod
- عدسی مثبت با قطر بالا
- فیلتر RG 1000 (فقط فوتون هایی با طول موج ۱۰۶۴نانومتر را عبور میدهد)
- Pin Diode
- Oscilloscope
- ۱۳. سیم های اتصال به اسیلوسکوپ
روش انجام آزمایش:
ابتدا لیزر دایود ۸۰۸ را به منبع وصل میکنیم و با قرار دادن modoulator دستگاه روی internal لیزر را پالسی میکنیم ،Gain دستگاه را روی ۱۰۰ قرار می دهیم و جریان را روی ۲۹۳ میلی آمپر تنظیم میکنیم.
لیزر را روی ریل میبندیم. سپس لنز با فاصله کانونی ۶۰ میلی متر را روی ریل قرار می دهیم و پرتو خروجی از لیزر را روی عدسی دوم موازی میکنیم. بوسیله عدسی دوم پرتو را روی rod کانونی میکنیم ( rod استفاده شده بدون کوتینگ است، پس در این محیط فقط Gain medium و pump داریم. رزوناتور اپتیکی نداریم )، که در اینجا با توجه به نبود رزوناتور فقط spontaneous emission اتفاق می افتد. فوتون ساطع شده در اثر گسیل خود به خودی موازی نیستند و به صورت پراکنده ساطع میشوند پس با استفاده از یک عدسی مثبت با قطر بالا تمام فوتون های ساطع شده را جمع میکنیم. در اینجا هم فوتون های ۸۰۸ نانومتر ساطع شده از لیزر و هم فوتون های ۱۰۶۴ نانومتر ناشی از spontaneous emission وجود دارد. برای اینکه آشکارسازی ما فقط فوتون ۱۰۶۴ باشد (فقط مربوط به فوتون هایی که ناشی الکترون هایی هستند که از تراز بالا به تراز پایه آمده اند)، باید از یک فیلتر استفاده کنیم که فقط فوتون های ۱۰۶۴ را از خود عبور دهد. در نتیجه همه فوتون های جمع شده ۱۰۶۴ نانومتر روی pin diode کانونی شده و آشکار سازی انجام میشود.
Pin diode به oscilloscope متصل است که با تنظیمات آن و قرار دادن روی یک فرکانس مناسب و ثابت میتوان سیگنال مربوط به طول عمر تراز را مشاهده کرد.
داده ها
با توجه به اینکه هر خانه ی شطرنجی طبق تنظیماتی که اعمال کرده ایم ۵۰۰ میکرو ثانیه است و اعداد مربوط به ولتاژ ۱ و ۲ ولت است سعی می کنیم زمان ۱/e را به دست بیاوریم.
مطابق با شکل۱ داده های مربوط به زمان و ولتاژ را می خوانیم وطول عمر τ را محاسبه کنیم .
= 0.۳۶۸ e^(-1)
I=0.368I_0 → I/I_0 =0.368
یعنی زمانی که شدت به ۳۶.۸ درصد مقدار اولیه کاهش پیدا کند، دقیقاً برابر با τ یا همان طول عمر تراز انرژی است.
از روی نمودار، دیده‌اید که سیگنال به تقریباً I/I_0 =0.368 در بازه‌ای معادل خانه۱.۹ (افقی) رسیده است
طبق تنظیمات قبلاً: هر خانه ۱ ms بوده است.
t = 1.9 ×۱ ms = 190 μs
نتیجه آزمایش:
با توجه به سیگنال ولتاژ بر حسب زمان می¬ توان طول عمر تراز بالایی Nd:YAG را مشاهده کرد. که این طول عمر زمانی است که فوتون های ۱۰۶۴ در تراز بالا هستند و وقتی ما Pumping را قطع می کنیم به تراز پایین می¬ آیند. همچنین همانطور که در تصویر پیداست، طول عمر این تراز زمانی حدود ۱۹۰μs است که با یافته های تجربی دیگر ارتباط نزدیکی دارد (بین ۲۰۰ تا ۲۵۰ میکروثانیه گزارش میشود).
اولین دیدگاه را ثبت کنید