طراحی لیزر

عبارت طراحی می­تواند دو معنی مختلف داشته باشد. دربعضی موارد به معنای توصیف کامل یک وسیله است که شامل قطعات تشکل دهنده، نحوه قرارگیری آنها درکنارهم و پارامترهای عملیاتی مهم است. در موارد دیگر این عبارت به فرایندی که منجر به چنین توصیفاتی می­شود اطلاق می­شود. این متن بعضی از دیدگاه­های مهم در طراحی دستگاه­های لیزری مانند لیزرهای حالت جامد دمش دیودی و یا دستگاه­های مشابه مانند نوسانگرهای پارمتری نوری را توضیح می­دهد.

مشخص کردن اهداف طراحی

قبل از اینکه یک طراحی انجام شود، اهداف طراحی باید به دقّت بررسی شود. این امر تنها شامل پارمترهای اصلی عملکرد لیزر مانند توان خروجی و طول موج نیست بلکه جزئیات زیاد دیگری در این ارتباط باید بررسی شوند:

• عملکرد بهینه؛ برای مثال در مورد توان خروجی، بازدهی توان، کیفیت پرتو، درخشندگی، شدّت و یا نویز فاز، پایداری بلند مدّت( مثلاً توان خروجی یا فرکانس نوری) و ناپایداری زمانی[۱] و غیره.
• چیدمان فشرده و راه دست، عملکرد آسان ( مثلاً فرایند روشن­کردن ساده، تنظیم طول موج به سادگی و عدم نیاز به تنظیم کردن مجدد)
• بیشینه انعطاف­پذیری ( مثلاً در مورد تغییر پارامترهای عملیاتی)
• قابل اعتماد بودن، حداقل نیازها برای نگهداری، خطایابی ساده و کم هزینه،  نگهداری و تعمیر مقرون بصرفه
• حداقل حسّاسیت به نوسانات، تغییرات دمایی، تداخل­های الکترومغناطیسی و فرسودگی قطعات
• هزینه تولید کم؛ یعنی، تعداد قطعات اندک، ترازکردن و تست ساده، استفاده نکردن از قطعات گران­قیمت، حسّاس یا قطعاتی که تهیه آنها به هر نحوی مشکل است.

بطور خلاصه

جزئیات طراحی یک محصول لیزری اثر زیادی بر عملکرد، قابل اعتماد بودن، انعطاف­پذیری و هزینه ساخت دارد. در یک فرایند توسعه بهینه لازم است که:

• از تمامی اهداف طراحی آگاهی داشت،
• ویژگی­های طراحی موردنیاز برای رسیدن به اهداف را دانست،
• و از یک طراحی لیزری مناسب استفاده کرد ( که در شروع به تمرین زیادی نیاز دارد)

توصیه می­شود قبل از هر نوع سرمایه­گذاری در ساخت لیزر، همه نیازمندی­ها برای حالت موردنظر، تدبیر و ممارست شود؛ زیرا اضافه کردن ویژگی­های جدید به سیستم موجود، بسیار پرهزینه و وقت­گیر است.

بخش­های مهم طراحی­ لیزری

خصوصیات سیستم­های لیزری طراحی شده عمدتاً با طراحی جزئیات و نه فقط با قطعه­ها تعیین می­شود. بعضی بخش­ها بسیار مهم هستند:

• پارامترهای طراحی کلّی، مانند طول مشدد (که در فشردگی سیستم، کوک[۲]، پایداری فرکانسی و غیره تأثیرگذار است)و شدّت دمش.
• انتخاب محیط بهره (مثلاً بلور لیزری) و منبع دمش، انتخاب مناسب هندسه ( مثلاً شکل میله­ای یا دیسک نازک، دمش از کناره یا دمش از انتها)، غلظت آلاییدگی، طول کریستال و غیره.
• چیدمان دمش (مثلاً برای لیزرهای دمش دیودی)، که در توان خروجی ، کیفیت باریکه، پایداری بلند مدّت و تعویض آسان دیودهای لیزری اثرگذار است.
• مدل بهینه مشدد لیزری (مثلاً لیزر خطی یا حلقوی با المان­های یکپارچه یا جدا از هم) و طراحی مشدد بهینه­شده، که تعداد قطعات، توان خروجی و کیفیت پرتو، تحمّل هم­ترازی، حسّاسیت به عدسی حرارتی، پایداری و رانش مکانیکی را تحت تأثیر قرار می­دهد.
• انتخاب و قراردادن آینه­های لیزری و المان­های داخل کاواک برای کوک طول موج، تولید پالس­های کوتاه از طریق قفل­مدی، جبران پاشندگی، پایداری فرکانسی و غیره.
• جاسازی مکانیکی، که در پایداری مکانیکی، بازدهی خنک­سازی، تغییرات دمایی و دسترسی آسان و ایمن را مؤثر است.
• تجهیزات الکترونیکی، مثلاً برای پایدار کردن توان خروجی، کنترل طول موج لیزر، مونیتور کردن موقعیت دیودهای دمش یا دماها و اطمینان­سازی از عملکرد ایمن
• مستندسازی مناسب، شامل لیستی از قطعات (همراه با فروشندگان)، طراحی­های مکانیکی، مراحل میزان­سازی و تست، ایده­های طراحی، توسعه گزینشی امکان­پذیر و محدودیت­های بهبود پارامترهای عملیاتی.

این لیست، که هنوز کامل نیست، نشان می­دهد که طراحی لیزری صحیح یک موضوع کم­مایه نیست و برای جلب رضایت مشتری، بازدهی هزینه­ها و انعطاف­پذیری برای توسعه­های بعدی ضروری است.

چه چیزی برای طراحی لیزر نیاز است؟

طراحی لیزر یک فرایند پرچالش است. موارد زیر قطعاً نیاز است:

• دانستن جزئیات تجهیزات، که شامل دانستن کاربردها می­شود
• دانستن جزئیات اثرات فیزیکی مرتبط، مانند تقویت لیزری، عدسی حرارتی، مدهای مشدد، نویز لیزری و غیره و برهمکنش آنها با یکدیگر.
• داده­های ضروری؛ مثلاً بلورهای لیزر
• توانایی کاهش پیچیدگی تا سطح عملی بدون از دست دادن جزئیات
• نرم­افزار انعطاف­پذیر برای محاسبات و شبیه­سازی­ها
• تجربه عملی با لیزر، که فرد را قادر به تشخیص مشکلات و توصیف مشاهدات تجربی می­سازد.

روشن است که نرم­افزار به تنهایی برای طراحی لیزر خوب کافی نیست.

نقش طراحی در پروژه توسعه

به طور تجربی و نه به عنوان یک پیشنهاد کلّی، می­توان طراحی لیزر را درنتیجه فرایند توسعه که براساس سعی و خطا است، درنظر گرفت. در این شرایط، طراحی اغلب به درستی مستند نمی­شود که خطر از دست دادن داده­های ارزشمند زیادی را به همراه دارد درحالیکه مقدار اندکی در لحظه ذخیره می­شوند.
در هر پروژه طراحی اساسی- و پروژه­های طراحی لیزر به ندرت کم­مایه هستند- پیشنهاد می­شود نقش اساسی به طراحی لیزر داده شود:

• طراحی لیزر در دفترکار و نه در آزمایشگاه انجام شود و با تمامی نسخ مربوطه در ارتباط باشد. اگرچه این فرایند بسیار سریع­تر و ارزان­تر از فرایند سعی و خطا در آزمایشگاه است، به نظم و تعلیم و البته به ممارست نیازمند است.
• یک طراحی درست، فقط یک سری از ایده­ها نیست بلکه شرح جامعی است که شامل مثلاً لیست قطعات موردنیاز و توصیف کامل قرارگیری آنها درکنارهم است که با توصیف کاملی از دلایل و محدودیت­ها کامل می­شود.
• سپس نمونه آزمایشگاهی طبق طراحی ساخته می­شود و نه بالعکس. این امر سرعت ساخت را بالا می­برد و از منابع گرانقیمت آزمایشگاه استفاده کارامد شده است.
• برای توسعه نمونه­های مشابه بعدی، طراحی بادقّت، یک ورودی ارزشمند است. اگر چنین چیزی وجود نداشته باشد و یا شخصی مؤثر شرکت را ترک کند، توسعه­های بعدی به اندازه قبل کارامد نیستند.

تلاش برای خلاصه کردن این مراحل، منجر به کاهش اعتبار عملکرد و طولانی شدن فرایند، بدلیل مشکلات تکنیکی پیش­بینی نشده می­شود. هرچقدر این مشکلات دیرتر شناخته و حل و فصل شوند، صدمات بیشتری متحمل شده است.

استنتاج طراحی­ها از طراحی­های قبلی

در توسعه­های صنعتی، متداول است که در طراحی بعضی محصولات از طراحی­های قبلی استفاده شود؛ بجای اینکه طراحی از ابتدا انجام شود. اگرچه این امر به ظاهر مقرون بصرفه است ولی ریسک زیادی به همراه دارد؛ مخصوصاً اگر طراحی اوّلیه به خوبی انجام نگرفته و مستندسازی به شکلی که در بالا گفته شده انجام نشده باشد. چالش عمده این است که اصلاح جزئی در طراحی لیزر اثرات جانبی ناخواسته دارند که به نوبه خود مشکلات جدیدی ایجاد می­کنند و آنها نیز به نوبه خود به کوک جدیدی نیاز دارند که دوباره اثرات جانبی دارند.
بر اساس این دلایل، شروع کار با یک طراحی اوّلیه، که قابل اجرا است، حتّی مثلاً با توان دلخواه کمتر، مفیدتر است؛ البته همچنان دانستن جرئیات و محدودیت­های آن ضروری است. برای طراحی خانواده­ای از طراحی­ها، یک نسخه طراحی مناسب اوّلیه کافی است؛ که می­توانند در توان خروجی و یا نرخ تکرار پالس متفاوت باشند.

مروری بر طراحی

در شرایط خاص، لازم است که مروری بر طراحی لیزر موجود شود. این شرایط می­تواند به عنوان مثال وقتی باشد که مشکل جدّی روی داده است و یا نیازها افزایش یافته و طراحی اصلاحی نیاز است.اگر یک طراحی مستند شده مناسب وجد نداشته باشد، وقت آن است که این کار انجام شود. این فرایند در همین زمان کمک مهمی می­کند تا توسعه کامل شود.