اپتیک لیزر
تعریف: عناصر و سیستمهای اپتیکی قابل استفاده مرتبط با لیزر؛ شامل قطعاتی که در لیزر استفاده میشوند و همچنین آن دسته از قطعات اپتیکی که برای انتقال و دستکاری نور لیزر بهکار برده شود.
اپتیک لیزر در اصل بهمعنای عناصر و سیستم های نوری است که با لیزر، یا بهعنوان بخشی از لیزر یا برای انتقال و دستکاری پرتوهای لیزر یا سایر اشکال نور لیزر استفاده میشود.
الزامات متداول در خصوص اپتیک لیزر
برخی از الزامات متداول که در مورد اپتیک لیزر، در مقایسه با اپتیک مورد استفاده برای اهداف دیگر مانند تصویربرداری وجود دارد عبارتند از:
- بهطور کلی، اتلاف اپتیکی باید به حداقل برسد، خصوصاً برای اجزایی که در تشدیدگر(رزوناتور)های لیزری استفاده میشوند. بهعنوان مثال، این سیستمها تلفات لیزری بازتاب بسیار زیادی دارند، بهطور معمول بازتابشی حدود 99.9٪ یا بیشتر دارند، بهطوری که کل تلفات پراکنده(پارازیتی) در یک رفت و برگشت در یک تشدیدگر لیزر اغلب زیر 1٪ باقی میماند.
- بهطور کلی کیفیت سطح آینههای لیزر، منشورها و غیره باید بسیار بالا باشد، بهعنوان مثال زبری ریشه میانگین مربعی (rms) بایستی زیر باشد. این شرایط مشابه شرایط مورد نیاز برای تصویربرداری اپتیکی، مثل عکاسی از اشیا است.
- قطعات اپتیکی لیزر، مخصوصاً برای استفاده در لیزرهای پالسی با توان پیک(قله) و انرژی پالسی بالا (بیشتر لیزرهای Q-سوییچ)، باید آستانه آسیب نوری[1] بالایی داشته باشند.
- در بسیاری از موارد، فقط در طول موجهای اپتیکی خاص عملکرد خوبی مورد نیاز است. یعنی به برخی از خطوط لیزری، که اغلب در محدوده طیفی فروسرخ هستند، احتیاج داریم. بنابراین، قطعات اپتیکی آکروماتیک [2]در بسیاری از موارد، مورد نیاز نیست. با این وجود، در برخی موارد، خصوصیات مشخصی در طول موجهای مختلف مورد نیاز است، بهعنوان مثال برای یک طول موج لیزری و برای نور با فرکانس دو برابر چنین شرایطی احتیاج است. همچنین، برخی از لیزرها، مانند لیزرهای پالس فوق کوتاه با مدت زمان پالس کوتاه، پهنای باند اپتیکی قابل توجهی دارند و بنابراین به اپتیکهایی با ویژگیهای باند پهن مناسب، مثلا از نظر پهنای باند بازتاب و پراکندگی رنگی[3]، نیاز دارند.
اپتیک در لیزرها
اغلب طیفی از اجزای نوری غیرفعال در لیزرها بهکار برده میشود:
- اغلب، از آینههای لیزری برای ساخت تشدیدگرهای لیزری استفاده میشود. اکثر آنها دارای آینههای دیالکتریک با قابلیت بازتابکنندگی بسیار بالا هستند، در حالی که بقیه آینهها قابلیت انتقال جزئی دارند و بهعنوان تزویجگر(کوپلر)های خروجی کاربرد دارند. آینههای دوفام اغلب برای تزریق نور پمپاژشده به تشدیدگر لیزری استفاده میشود. برای لیزرهای فوق سریع، اغلب به آینههای پاشنده نیاز است.
- از لنزها در تشدیدگرهای لیزری زیاد استفاده نمیشود. کانونی کردن یا غیرکانونی کردن، بیشتر با آینههای منحنی انجام میشود تا تلفات انتشار و بازتاب پارازیتی به حداقل برسد.
- منشورها بیشتر در خارج از لیزرها استفاده میشوند، اما گاهی اوقات در داخل آنها بهویژه برای جبران پراکندگی در لیزرهای فوق سریع بهکار گرفته میشوند.
- تنظیم طول موج اغلب با قرار دادن نوعی فیلتر اپتیکی، مانند یک اتالون یا یک فیلتر Lyot [4] ، در یک تشدیدگر لیزری حاصل میشود.
- قفلکردن حالت غیرفعال را میتوان با استفاده از جذب اشباع انجام داد.
علاوه بر این، نوعی محیط بهره لیزر مورد نیاز است، که ممکن است بهعنوان مثال یک کریستال لیزر، یک فیبر آلاییدهشده با عناصر قلیایی خاکی کمیاب، یک تراشه بهره نیمههادی (بهعنوان مثال در لیزر دایود کاواک خارجی یا لیزرگسیلکننده سطح با کاواک خارجی ) یا یک لوله تخلیه گاز باشد.
در بعضی موارد ، بهنوعی مدولاتور اپتیکی، مانند یک مدولاتور آکوستیک اپتیکی یا الکترواپتیک برای Q-سوییچ یا قفل شدن مد نیاز است.
اپتیک برای نور لیزر
در خارج از تشدیدگر لیزر، نور لیزر اغلب نیاز به انتقال و دستکاری دارد، که برای آن میتوان انواع مختلفی از اجزای نوری و سیستمهای اپتیکی را استفاده کرد:
- آینهها برای هدایت نور لیزر و همچنین تنظیم دقیق مسیر پرتو استفاده میشوند. بهعنوان مثال، اغلب از یک جفت آینه استفاده میشود، هر کدام جهت پرتو را تقریباً 90 درجه تغییر میدهند. ترازبندی دقیق پرتو با پیچهای میکرومتر بر روی نگهدارندههای آینه امکان پذیر است.
- از لنزها (از جمله لنزهای استوانهای) غالباً برای موازی کردن پرتوی لیزر، یا اصلاح شعاع پرتو آن یا کانونی کردن دقیق پرتو استفاده میشود. بعضی اوقات، چنین کارهایی توسط مجموعههای کاملی مانند موازیسازهای پرتو، گستردهسازهای پرتو و شیئیهای کانونی کننده، که ممکن است حاوی چندین لنز باشد، انجام میشود.
- برای تبدیل پروفایلهای پرتو بیضوی به پروفایلهای دایرهای ممکن است از جفتهای منشوری آنامورفیک استفاده شود.
- از پاککنندههای مد میتوان برای بهبود کیفیت پرتو استفاده کرد.
- تقسیمگرهای پرتوی قطبی یا غیر قطبی را میتوان برای بهدست آوردن چندین پرتو یا تضمین حالت قطبش خطی استفاده کرد.
- از صفحات موج میتوان برای دستکاری وضعیت قطبش بهعنوان مثال، برای چرخش جهت قطبش یا تبدیل نور قطبی خطی به نور قطبی دایرهای استفاده کرد.
- از فیلترهای نوری میتوان برای حذف مولفههای طیفی ناخواسته، مانند نور لیزر باقیمانده پس از دو برابر شدن فرکانس استفاده کرد.
- از فیلترهای چگالی خنثی و سایر میراگرهای(تضعیف کننده) اپتیکی[5] میتوان برای کاهش توان اپتیکی استفاده کرد. همچنین بهاصطلاح نویزخوارهایی وجود دارند که بهطور خودکار میرایی را تنظیم میکنند تا یک توان خروجی ثابت بهدست آورند.
- ایزولهکنندههای فارادی برای محافظت از منبع لیزر در برابر نور بازتابش یافته استفاده میشود.
- انواع مختلف مدولاتورهای اپتیکی مانند مدولاتورهای شدت یا مدولاتورهای فاز یا سوییچهای اپتیکی ممکن است وارد شود.
- در بعضی موارد، از اپتیک پراش استفاده میشود ، بهعنوان مثال برای تقسیم پرتو به تعداد زیادی پرتو با یک مولفه اپتیکی.
- برای تبدیل ایمن انرژی اپتیکی به گرما، ممکن است پرتوهای ناخواسته به درون سدکنندههای پرتویی[6] فرستاده شوند.
- لنزهای اسکنکننده برای اسکنرهای لیزری وجود دارد که پرتوهای لیزر را در جهتهای مختلفی ارسال میکند.
[1] optical damage threshold.: آسیب به اجزای نوری ناشی از تابش لیزر
[2] achromatic optics: دستگاه ها یا تنظیمات اپتیکی با حداقل انحرافات رنگی
[3] chromatic dispersion.: وابستگی فرکانسی سرعت فاز در یک محیط شفاف
[4] Lyot filter.: دستگاه های فیلتر نوری مبتنی بر تجزیه مجدد
[5] optical attenuators : دستگاههایی که میتوانند توان نوری را کاهش دهند.
[6] beam dumps : دستگاه هایی برای مسدود کردن و جذب پرتوهای نور