لیزرهای دارای دمش دیودی
تعریف: لیزرهای حالت جامد که منبع دمش آنها لیزرهای دیودی است
در واقع همه لیزرهای دارای دمش نوری در یکی از دو دسته زیر قرار می‌گیرند:
تعریف: لیزرهای حالت جامد که منبع دمش آنها لیزرهای دیودی است
در واقع همه لیزرهای دارای دمش نوری در یکی از دو دسته زیر قرار می‌گیرند:
- لیزرهای دارای دمش لامپی، از انواع لامپهای تخلیه ای به عنوان منبع دمش استفاده می‌کنند
- لیزرهای دارای دمش دیودی، که دمش توسط لیزر های دیودی انجام می‌شود.
این مقاله به بحث پیرامون دسته بندی دوم می پردازد. برای مواردی واژه لیزرهای تمام حالت جامد نیز استفاده شده است.
انواع لیزرهای دارای دمش دیودی
بیشتر لیزرهای دارای دمش دیودی، لیزرهای حالت جامد هستند (DPSSL = DPSS lasers = diode-pumped solid-state lasers ). این دسته از لیزرها شامل لیزرهای حجیم ، که از انواع کریستال لیزر یا احجام شیشه استفاده می‌کنند، و هم لیزر های فیبری هستند ( اگرچه استفاده ازواژه DPSSL برای لیزرهای فیبری کمتر رایج است). محدوده توان خروجی هر دو دسته بندی از چند میلی وات تا چندین کیلووات است.
لیزرهای کمتر رایج، لیزرهای نیمه هادی با دمش نوری (مخصوصاً VECSELs = vertical external cavity surface-emitting lasers ) هستند و همینطور بعضی انواع نسبتاً نامتعارف لیزرهای گازی دمش دیودی مانند لیزرهای بخار آلکالی هستند.
انواع لیزرهای دیودی که به منظور پمپاژ استفاده می‌شوند
انواع مختلفی از لیزرهای دیودی هستند که می‌توانند جهت دمش دیودی استفاده شوند:
انواع لیزرهای دارای دمش دیودی
بیشتر لیزرهای دارای دمش دیودی، لیزرهای حالت جامد هستند (DPSSL = DPSS lasers = diode-pumped solid-state lasers ). این دسته از لیزرها شامل لیزرهای حجیم ، که از انواع کریستال لیزر یا احجام شیشه استفاده می‌کنند، و هم لیزر های فیبری هستند ( اگرچه استفاده ازواژه DPSSL برای لیزرهای فیبری کمتر رایج است). محدوده توان خروجی هر دو دسته بندی از چند میلی وات تا چندین کیلووات است.
لیزرهای کمتر رایج، لیزرهای نیمه هادی با دمش نوری (مخصوصاً VECSELs = vertical external cavity surface-emitting lasers ) هستند و همینطور بعضی انواع نسبتاً نامتعارف لیزرهای گازی دمش دیودی مانند لیزرهای بخار آلکالی هستند.
انواع لیزرهای دیودی که به منظور پمپاژ استفاده می‌شوند
انواع مختلفی از لیزرهای دیودی هستند که می‌توانند جهت دمش دیودی استفاده شوند:
- از لیزرهای دیودی کوچک گسیلنده از لیه می توان جهت دمش لیزرهای توان پایین (حداکثر تا ۲۰۰ میلی وات) استفاده کرد. پرتو این لیزرها محدود شده توسط پراش است و دستیابی به چنین کیفیتی را برای لیزرهای حالت جامد آسان می‌کنند.
- لیزر های دیودی با ناحیه تابش وسیع، نوعاً چندین وات توان خروجی تولید می‌کنند و برای پمپاژ لیزرهای حالت جامد با توان خروجی تا چند وات مناسب هستند.کیفیت پرتو آنها اساساً نامتقارن است ولی برای دستیابی به خروجی لیزر محدود به پراش بدون استفاده از ادوات اپتیکی پیچیده، مناسب هستند.
- لیزر بارهای دیودی توان بالا ده ها وات توان (و حتی بالاتر از ۱۰۰ وات) تولید می‌کنند. خصوصاً وقتی از ترکیب چند بار استفاده شود دسترسی به توانهای بالاتر را امکان پذیر می‌کنند. کیفیت پرتو آنها به شدت نامتقارن و نسبتاً پایین است بنا بر این درخشش آنها بسیار کمتر از درخشش لیزرهای دیودی توان پایین است. جهت متقارن کردن پرتو، از انواع مختلفی از شکل دهنده های پرتو استفاده می‌شود. این کار هم دمش لیزرهای حجیم و هم تزویج نور لیزر به فیبر را آسان تر می‌کند.
- برای بالاترین توان ها اغلب از استک‌های دیودی استفاده می‌شود. آنها ضعیفترین کیفیت پرتو و کمترین درخشش را دارند اما قادر به تولید چندین کیلو وات توان هستند.
در اغلب موارد، از دمش دیودی در مد پیوسته استفاده می‌شود. این نوع کارایی در مورد همه لیزرهای مد پیوسته و قفل مدی و همینطور بسیاری از لیزرهای Q سوییچ شده مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال در پاره ای موارد برای راه اندازی لیزرهای Q سوییچ شده با انرژی پالس بالا و زمان تکرار پالس محدود از مد شبه پیوسته با قله توان بالا و بازه‌های زمانی کوتاه (به عنوان مثال ۱۰۰ میکرو ثانیه) استفاده می‌شود.
بسته به نوع لیزر دیودی دمش‌های اپتیکی گوناگونی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین استفاده از دیود لیزرهای تزویج شده به فیبر نیز امکان پذیر است، این امر جداسازی لیزر اصلی را از ساختاری که شامل دیودهای دمش است امکان پذیر می‌کند، بنابراین لیزر اصلی می تواند بسیار جمع و جور تر ساخته شود.
مزایای استفاده از دمش دیودی
مزایای اصلی دمش دیودی عبارتند از:
بسته به نوع لیزر دیودی دمش‌های اپتیکی گوناگونی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین استفاده از دیود لیزرهای تزویج شده به فیبر نیز امکان پذیر است، این امر جداسازی لیزر اصلی را از ساختاری که شامل دیودهای دمش است امکان پذیر می‌کند، بنابراین لیزر اصلی می تواند بسیار جمع و جور تر ساخته شود.
مزایای استفاده از دمش دیودی
مزایای اصلی دمش دیودی عبارتند از:
- بازدهی بالای تبدیل انرژی الکتریکی به نوری در منبع دمش، منجر به بازدهی کلی بالا می‌شود. این مسأله باعث کوچکتر شدن منابع تغذیه مورد نیاز می‌شود و در مقایسه با لیزرهای دارای دمش لامپی، توان مصرفی الکتریکی و نیاز به خنک کاری به میزان بسیار زیادی کاهش می یابد.
- پهنای باریک طیف نوری لیزرهای دیودی این امکان را فراهم می کند تا دمش مستقیما برگذارهای معین یون های فعال لیزر بدون هدر دادن انرژی در نواحی دیگر طیف نوری اثر کند. این امر نیز به بازدهی بالا منجر می‌شود.
- اگرچه کیفیت پرتو لیزرهای دیودی پرتوان کاملاً مناسب نیست ولی اغلب امکان دمش در راستای پرتو لیزرها را با میزان همپوشانی مناسب مد لیزر و محدوده دمش فراهم می کند که این امر منجر به کیفیت پرتو و بازده بالا می‌شود. در حوزه لیزرهای تیغه‌ای، این مساله امکان استفاده از دمش لبه ای، را به جای دمش صفحه ای فراهم می کندکه مزایای مهمی به همراه دارد.
- در لیزرهای توان پایین با دمش دیودی، دمش می‌تواند توسط لیزرهای پراش محدود انجام شود. این امر امکان ساخت لیزرهای بسیار توان پایین با بازدهی قابل قبول را فراهم می‌سازد. به عنوان مثال لیزرهای با منابع دمش بسیار کوچک که مناسب برای استفاده در دستگاههایی هستند که با باتری کار می‌کنند.
- طول عمر لیزرهای دیودی در مقایسه با لامپ ها بسیار بیشتر است: نوعاً چندین هزار ساعت که اغلب به خوبی بالای ده هزار ساعت کار می‌کنند. با این حال عوامل مختلفی می‌توانند منجر به کاهش شدید طول عمر این لیزرها شوند و هزینه تعویض دیودهای لیزر بسیار بیشتر از تعویض لامپ ها است.
- کوچک بودن منبع دمش، منبع تغذیه و قسمت خنک کننده باعث می‌شود کل سیستم لیزر کوچکتر و استفاده آن راحت تر شود.
- دمش دیودی این امکان را فراهم می‌کند تا از گستره وسیعی از ماده‌های فعال حالت جامد برای محدوده های مختلف طول موج استفاده کرد که به عنوان مثال شامل لیزرهای تبدیل بالا می‌شود. درخشش کم لامپ ها برای بسیاری از ماده‌های فعال حالت جامد، کافی نیست.
- نویز کم پرتو لیرزهای دیودی منجر به نویز کم لیزر های با دمش دیودی می‌شود.
دستاوردها
مزایای دمش دیودی منجر به دستاوردهای جالبی شده است که برخی از آنها عبارتند از:
مزایای دمش دیودی منجر به دستاوردهای جالبی شده است که برخی از آنها عبارتند از:
- لیزرهای حالت جامد مینیاتوری با بازده بالا، کیفیت باریکه مطلوب، خلوص طیفی مناسب و همچنین پایداری بالا که حتی بعضی از آنها تنها توسط باطری‌های کوچک تغذیه می‌شوند.
- لیزرهای حالت جامد پرتوان دارای دمش دیودی قادر هستند توانهای خروجی تا سطوح کیلووات را با کیفیت باریکه عالی تولید کنند. اشاره بخصوص به لیزرهای دیسک نازک است البته لیزرهای و تقویت کننده‌های فیبری نیز در این دسته قرار می‌گیرند.
- دمش دیودی، برای انواع بسیاری از لیزرهای قفل مدی که توان متوسط خروجی تا ۸۰ وات در پالس های کوچکتر از پیکو ثانیه یا پالس های پیکو ثانیه با نرخ تکرار پالس ۵۰ گیگا هرتز جهت کاربردهای مخابراتی تولید می‌کنند، مسأله‌ای حیاتی به شمار می‌رود.
محدودیت ها:
در سال های اولیه استفاده از دمش دیودی، توان خروجی قابل دستیابی بسیار محدود و کمتر از لیزرهای دارای دمش لامپی بود. اما در این بین، بارهای دیودی و استک های دیودی توان بالا بسیار قدرتمند شده‌اند و در حال حاضر، بالاترین توان های خروجی با استفاده از دمش دیودی قابل دستیابی هستند.
اشکال اصلی دمش دیودی ( در مقایسه با دمش لامپی) هزینه توان دمش به ازای هر وات توان لیزر است که به طور آشکار بالا است. این مسأله برای توان های بالا شدت بیشتری دارد. به همین دلیل، هنوز در مواردی که توان های بالا مورد نیاز است، خصوصاً مواردی که توان خروجی در بازه کوتاهی از زمان مورد استفاده قرار می‌گیرد، از دمش لامپی استفاده می‌شود. برای مثال، لیزرهای Nd:YAG Q سوییچ با دمش لامپی که هنوز به طور گسترده جهت حکاکی با لیزر استفاده می‌شوند و قرار هم نیست که به زودی با لیزرهای با دمش دیودی جایگزین شوند.
از نظر الکتریکی لیزرهای دیودی نسبت به لامپ ها آسیپ پذیرتر هستند.آنها ممکن است برای مثال، با اعمال جریان راه اندازی بیشتر از حد یا تخلیه الکتریکی به سرعت آسیب ببینند. گرچه با وجود سیستم های الکترونیکی با طراحی مناسب، این امر نباید اتفاق بیفتد. اشکالاتی هم به دلیل وجود بازخوردهای نوری می‌توانند بوجود بیایند.
در سال های اولیه استفاده از دمش دیودی، توان خروجی قابل دستیابی بسیار محدود و کمتر از لیزرهای دارای دمش لامپی بود. اما در این بین، بارهای دیودی و استک های دیودی توان بالا بسیار قدرتمند شده‌اند و در حال حاضر، بالاترین توان های خروجی با استفاده از دمش دیودی قابل دستیابی هستند.
اشکال اصلی دمش دیودی ( در مقایسه با دمش لامپی) هزینه توان دمش به ازای هر وات توان لیزر است که به طور آشکار بالا است. این مسأله برای توان های بالا شدت بیشتری دارد. به همین دلیل، هنوز در مواردی که توان های بالا مورد نیاز است، خصوصاً مواردی که توان خروجی در بازه کوتاهی از زمان مورد استفاده قرار می‌گیرد، از دمش لامپی استفاده می‌شود. برای مثال، لیزرهای Nd:YAG Q سوییچ با دمش لامپی که هنوز به طور گسترده جهت حکاکی با لیزر استفاده می‌شوند و قرار هم نیست که به زودی با لیزرهای با دمش دیودی جایگزین شوند.
از نظر الکتریکی لیزرهای دیودی نسبت به لامپ ها آسیپ پذیرتر هستند.آنها ممکن است برای مثال، با اعمال جریان راه اندازی بیشتر از حد یا تخلیه الکتریکی به سرعت آسیب ببینند. گرچه با وجود سیستم های الکترونیکی با طراحی مناسب، این امر نباید اتفاق بیفتد. اشکالاتی هم به دلیل وجود بازخوردهای نوری می‌توانند بوجود بیایند.