مشددهای لیزری
تعریف: مشددهای نوری که به عنوان بلوکهای اصلی ساختمان لیزرها بکار میروند.یک لیزر به مشدد لیزری (یا کاواک لیزری) نیاز دارد؛ که در آن تابش لیزر به جریان میافتد و از محیط فعّال عبور کرده تا اتلاف نوری جبران شود. استثناء فقط در بعضی موارد غیرمتعارف وجود دارد که از یک محیط با بهره بسیار بالایی استفاده میشود و در نتیجه گسیل تقویت شده خودبخودی با یکبار عبور از محیط فعّال توان زیادی را خارج میکند.
تابش لیزر در یک یا چند فرکانس بر اساس حالتهای تشدید (مدهای مشدد) به طور خودکار تولید میشود؛ که دراثر خمیدگی بهره، اختلاف کوچکی با یکدیگر دارند. هیچ اقدام خاصی برای عملکرد تشدید نیاز نیست؛ این امر با مشددهای خارجی از قبیل کاواکهای افزایشی مشدّد متفاوت است.
شکل۱- دو مشدد لیزری ساده حالت جامد با بلور لیزری بعنوان محیط فعّال. اگر آینهها بازتابکننده کامل نباشند، پرتوهای خروجی تولید میشوند. لیزر حلقهای (راست) پرتو لیزر را در دو جهت ایجاد میکند و بنابراین دو پرتو خروجی وجود دارد؛ برای ایجاد تابش در یک جهت از یک مجزاکننده نوری درون کاواک استفاده میشود.
-مشددهای لیزری در لیزرهای حالت جامد
لیزرهای حجمی حالت جامد، اغلب با چند آینه دیالکتریک (آینه لیزری) ساخته میشوند، که ممکن است تخت یا خمیده باشند. شکل (۱) یک مشدد خطی و یک مشدد حلقهای که به این شکل ساخته و حاوی یک بلور لیزری بعنوان محیط فعّال است را نشان میدهد. در بعضی شرایط، پوشش آینه دیالکتریک فقط بر روی محیط فعّال است. یکی از آینهها که اغلب آینه انتهایی است، دارای عبور جزئی بوده و نقش خروجی لیزر را دارد.
شکل۲: مشدد لیزری ساده که در آن دو آینه در اطراف هد لیزری با دمش دیودی، قرار گرفته است.
طراحی مشدد لیزری ( شامل عناصر نوری، زوایای برخورد و فاصله بین عناصر) شعاع مد اصلی در تمامی موقعیّتها و نیز دیگر خصوصیات مهم پرتو را تعیین میکند. برای بیشینه کیفیت پرتو (خروجی در حدّ پراش) شعاع پرتو در محیط بهره باید تقریباً با شعاع دمش منطبق باشد. اگر شعاع پرتو کوچکتر باشد، عملکرد چند مدی شکل میگیرد که منجر به کیفیت پرتو غیر ایدهآل میشود؛ هرچند این قبیل لیزرهای چندمدی مزایای دیگری مانند نواحی پایداری پهنتر و وابستگی کمتر به نامیزانی دارند.
در بسیاری شرایط، طراحی مشدد لیزری باید مشخصههای بیشتری داشته باشد. به عنوان مثال باید برای حالت ذیل بهینه باشد:
- برای جمع و جور بودن
- برای تنظیم مقادیر مشخص شعاع پرتو بر روی عناصر نوری (مثلاً بر روی جاذب اشباعپذیر در لیزر قفل مدی غیر فعّال)
- برای اجتناب از شعاع بیش از حد کوچک پرتو بر روی عناصر نوری (که منجر به آسیب نوری مخصوصاً در لیزرهای Q سوئیچ شده میشود)
- برای کاهش اثرات مضر عدسی حرارتی و ابیراهیها در محیط بهره
- برای کاهش حسّاسیت به نامیزانی
- برای جا دادن چندین هد لیزری
- برای طول مشدد مشخص که نرخ تکرار پالس در لیزر قفل مدی یا طول پالس در یک لیزر Q سوئیچ شده را تعیین میکند.
مخصوصاً در لیزرهای پرتوان با کیفیت پرتو خوب، پدیده عدسی حرارتی در محیط فعّال بسیار مهم است. طراحی مشدد باید به گونهای باشد که تغییرات عدسی حرارتی بر روی ابعاد مد تأثیر زیادی نداشته باشد. همچنین به ابیراهیهای حرارتی و نامیزانی کمترین حسّاسیت را داشته باشد. اهمیت این فاکتورها نباید ناچیز گرفته شود؛ حالتهایی وجود دارد که دو مشدد با ابعاد مد یکسان در محیط بهره دارای عملکرد لیزری متفاوت و اساساً ازنظر همترازی مختلف هستند.
اگرچه ارزیابی خصوصیات یک مشدد لیزری آنچنان سخت نیست، طراحی یک مشدد لیزری که بتواند همزمان چندین شرط فوق را برآورده کند، یک چالش است. بهینه سازی عددی توسط نرمافزار طراحی مشدد مخصوص، مخصوصاً در بعضی از لیزرهای قفلمدی، میتواند تنها راه حل باشد. همچنین دانش کامل از خصوصیات مشدد بسیار کمک کننده است مخصوصاً زمانی که چیدمان خاصی از مشدد با ترکیبی از خصوصیات مانند سطوح مدی بالاو طولهای کوتاه مدّنظر است. برای طراحیهای پیشرفته، تجربه فراوان به همان میزان نرمافزار طراحی چندکاره اهمیت دارد.
بعضی از لیزرهای پرتوان (مانند طراحیهای صفحهای[۱]) با مشددهای ناپایدار عمل میکنند، که منجر به کیفیت پرتو خوب ( نه در حدّ پراش)، علیرغم وجود اثرات حرارتی شدید در محیط بهره، میشود. به دلیل اتلاف پراشی بالا، این کاواکها به بهره نسبتاً بالایی نیاز دارند.
مدلهای متنوعی از لیزرهای حالت جامد یکپارچه وجود دارد که که کل مسیر پرتو داخل بلور لیزر است. بازتابهای پرتو از طریق پوششهای دیالکتریک که بر سطوح بلور قرار دارد، و یا از طریق بازتابهای داخلی کلی انجام میشود.
-محدودیتهای فیزیکی
اگرچه بسیاری از ویژگیهای مشددهای لیزری با طراحی مشدد مناسب بهینه میشود، ولی همچنان محدودیتهایی وجود دارد؛ مخصوصاً اگر ترکیب خاصی از ویژگیها موردنظر باشد. مثلاً طراحی مشددی که به طور همزمان دارای ویژگی طول کوتاه، سطح مدی بزرگ و حساسیت کم به نامیزانی داشته باشد از یک حدّی محدود است. حتّی طراحی مشدد بهینه تمامی خواستهها را برآورده نمیکند مخصوصاً اگر لیزر پرتوان باشد.یادآوری میشود که طراحی مشددهای لیزری در لیزرهای پرتوان بسیار چالشبرانگیز است.