طراحی مشدد

تعریف: توصیف عناصر نوری که مشدد نوری از آنها ساخته شده و نحوه آرایش دقیق آنها
عبارت طراحی مشدد ( یا طراحی کاواک) اغلب در زمینه مشددهای لیزری لیزرهای حجمی حالت جامد استفاده می­شود. طراحی چنین مشدد نوری اساساً به معنی مشخص کردن آرایش عناصر نوری (مثلاً آینه­های نوری) شامل فواصل دقیق آنها است که در نتیجه آن مدهای موردنظر مشدد شکل می­گیرند. همچنین طراحی مکانیکی نیز دارای جنبه‌های مهمی است.

خصوصیات مهم مشدد

هدف از طراحی مشددها، مخصوصاً برای مشددهای لیزری، شامل تعداد زیادی وجوه است که جزئیات عملکردی بسیاری را تحت تأثیر قرار می­دهد:

• یکی از نیازهای پیش رو اندازه مناسب مد رو یا داخل بعضی از عناصر نوری مانند محیط بهره (در مشدد لیزری)، جاذب اشباع­پذیر (در لیزر قفل­مدی) و یا آینه­ها است .
• در بسیاری حالات، جلوگیری از حسّاسیت بیش از حد اندازه مد به نوسانات مکانیکی (تغییرات طول یا نامیزانی) و نیز اثرات عدسی حرارتی (شامل ابیراهی­ها) بسیار مهم است. این جنبه از طراحی، کیفیت باریکه لیزر را در گستره وسیعی از توان­های دمش تضمین می‌کند.
• نواحی پایداری باید تا حدّ امکان وسیع باشد؛ البته این ویژگی به کمترین اندازه مد مثلاً در محیط بهره لیزری وابسته است.
• حداقل حساسیت به نامیزانی و عدم تقارن عدسی حرارتی نیز موردنظر است.
• مشدد باید طول مناسب داشته باشد؛ مثلاً طول کوتاه برای تولید پالس­های کوتاه Q سوئیچ یا برای عملکرد تک فرکانس ساده و یا طول مشخص برای یک نرخ تکرار پالس مناسب در لیزر قفل مدی مورد نیاز است. در بعضی شرایط، لازم است که مشدد دارای طول متغیّر باشد؛ مثلاً برای تنظیم نرخ تکرار پالس.
• در بسیاری شرایط، اتلاف رفت و برگشت باید حداقل باشد؛ مثلاً برای توان دمش آستانه پایین و نویز لیزری کم.
• حداقل تعداد عناصر نوری همواره مطلوب است.
• اندازه کلّی باید بهینه باشد و همچنین پایداری مکانیکی و ساخت آسان.

اهمیت این ملاک­ها نباید دست­کم گرفته شود. حالت­هایی وجود دارد که اصلاحات اساسی در عملکرد لیزر و همچنین کاهش حسّاسیت به نامیزانی تنها توسط یک مشدد بهینه شده حاصل می­شود.
 

-نمونه ملاحظات در طراحی مشدد

بهینه­سازی یک مشدد می­تواند شامل چندین چالش باشد:

• طراحی مشدد جمع و جور ممکن است در شرایطی که بهینه سازی کیفیت باریکه و یا حساسیت تنظیم الویت دارند، ایده­آل نباشد.
• عملکرد در ناحیه پایداری I به شدّت از حسّاسیت به نامیزانی می­کاهد ولی این امر ممکن است به طول مشدد بلندتر و یا ابعاد لکه کوچکتر بر روی آینه­های مشدد منجر شود که خود باعث بروز مشکلاتی، مثلاً در لیزرهای Q سوئیچ می شود.
• لیزر پرتوانی که با کیفیت پرتو نزدیک به حدّ پراش طراحی می­شود، ناچاراً حساسیت بالایی نسبت به نامیزانی دارد.

بنابراین بهینه سازی موفق زمانی حاصل می­شود که درک درستی از نیازمندی­ها، اثرات فیزیکی جانبی و ملاحظات موجود وجود داشته باشد.

-چالش­های طراحی

با اینکه در شرایط عادی ارزیابی ویژگی­های مشدد مدّنظر خیلی سخت نیست، ولی طراحی مشددی که بتواند چندین شرط عنوان شده در لیست فوق را برآورده کند، پرچالش است. در بسیاری شرایط، پیدا کردن راه حل مناسب نیازمند است به:

• درک عمیقی از فیزیک مشدد
• نرم­افزار طراحی مشدد انعطاف­پذیر همراه با گزینه­ای برای بهینه­سازی عددی
• تجربه کافی در زمینه طراحی­های مشددهای مختلف و عملکرد آنها ( نه صرفاً کارکردن با بعضی نرم­افزارها)

یک روش عددی قوی برای طراحی مشدد تعیین یک “میزان رویه[۱]” است. میزان رویه به عنوان مجموعه­ای از خطاها محاسبه شده برای تمامی ویژگی­های غیرایده­آل و کمینه کردن آنها توسط تکنیک‌های عددی با تغییر طول­ بازوی مشدد و درصورت امکان شعاع انحنای آینه­ها است. از آنجاکه میزان رویه اغلب تعداد زیادی کمینه و بیشینه دارد، از روش مونت کارلو برای پیداکردن بهینه­های کلّی و یا پیداکردن روش مناسب استفاده می­شود. یادآوری می­شود که فرایند با یک ساختار مشدد اولیه آغاز می­شود و تا زمانی که راه حل مناسبی پیدا شود، این ساختار تغییر می­کند.
مخصوصاً چالش­های زیادی در طراحی مشدد لیزرهای قفل مدی وجود دارد که شامل اندازه­های مختلف مد، محدودیت­های طول مشدد و دیگر پیچیدگی­ها است.