مشکلات ساخت لیزرهای فیبری
در این مقاله به بررسی موضوعاتی می پردازیم که فرآیند طراحی و ساخت لیزرهای فیبری را با مشکل مواجه کرده و هزینه ساخت آن را در مقایسه با لیزرهای حالت جامد حجیم افزایش می دهد. بطور خلاصه، شدت های نوری بسیار بالا (که اثرات اشباع بسیار قوی دارد)، خصوصیات شبه سه ترازی معمول، گسیل خود به خودی تقویت شده (ASE[1])، ساز و کار شکل گیری پالس و مسائل مرتبط با قطبش، از جمله مهم ترین دلایل پیچیدگی فرآیند ساخت این دسته از افزاره هاست. به طور کلی، مفاهیم فیزیکی عملکرد لیزرهای فیبری (شامل تقویت از طریق گسیل القایی، بهره اشباع، گسیل خود به خودی تقویت شده و …) مشابه لیزرهای حالت جامد حجیم است. بنابراین می توان انتظار داشت که طراحی لیزرهای فیبری می تواند دقیقاً بر مبنای همان روش های طراحی لیزرهای حالت جامد، به راحتی و بر اساس همان پارامترهای تنظیم شده انجام پذیر باشد. اما در عمل چنین انتظاری به طور کامل اشتباه است!
البته می توان دلایل متعددی برای این امر بر شمرد که در ادامه برخی از آن‌ها را بررسی خواهیم کرد. در واقع لیزرهای فیبری از بسیاری جنبه ها رفتار متفاوتی از خود نشان می دهند و در طراحی آن‌ها به پیچیدگی هایی بر می‌خوریم که در ساخت لیزرهای حالت جامد هرگز با آن مواجه نخواهیم شد.
عملکرد در شدت های نوری بالا
در لیزرهای فیبری، با توجه به سطح مؤثر کوچک هسته فیبر، دستیابی به شدت های نوری بالا که یون های فعال لیزری را به تحرک وا می دارد، به راحتی امکان پذیر است. این امر در برخی شرایط بسیار مطلوب به نظر می رسد. بعنوان مثال، حتی در گذارهای لیزری پیچیده، این لیزرها می توانند به صورت مؤثر عمل کنند به طوری که می توان لیزرهای فیبری تبدیل افزایشی بسیار کارامدی ساخت. همچنین طبیعت شبه سه ترازی بسیاری از گذارهای لیزری در فیبرها مشکلی ایجاد نمی کند. از این رو، امکان دستیابی به جمعیت قابل توجه در سطوح بالای انرژی و همچنین بازده تبدیل توانی خوب میسر خواهد بود.
از سوی دیگر، درک ساز و کار در رژیم های کاری با شدت های نوری بسیار بالاتر از توان های اشباع بسیار دشوار است. بعنوان مثال، موقعیتی را در نظر بگیرید که یک تقویت‌کننده فیبری آلائیده با ایتربیوم (Yb) در طول موج ۹۷۵ نانومتر پمپاژ می شود. در این طول موج، سطح مقطع جذب بسیار بزرگ است که این امر، توان اشباع پایینی را نتیجه می دهد که به مراتب از توان پمپ های کاربردی معمول پایین‌تر است.
در نتیجه ما با یک رفتار غیرعادی مواجه می شویم: جذب پمپ برای توان های کم پمپاژ بسیار بالاست اما به راحتی حتی با توان های نوری بسیار کوچک هم اشباع می شود. نمودار زیر شبیه سازی انجام شده با نرم افزار RP Fiber Power را نشان می دهد که تنها ۲۰ میلی وات از توان پمپ در طول موج ۹۷۵ نانومتر به فیبر آلائیده با ایتربیوم تزریق شده است.
شکل ۱- جذب یک موج پمپ ۹۷۵ نانومتری در یک فیبر آلائیده با ایتربیوم که با نرم افزار RP Fiber Power شبیه سازی شده است.
همانطور که مشاهده می شود، توان پمپ به صورت خطی کاهش می یابد، نه به صورت نمایی و این اتفاق در طولی بسیار بزرگ‌تر از طول جذب ۱۳ میلی متر (شدت کم) روی می دهد. رفتار منحنی با نقاط سیاه رنگ نشان می دهد که ۵۰ درصد تحریک ایتربیوم در بیست سانتی‌متر اول فیبر صورت می گیرد و کمی بعد از آن به سرعت افت می کند.
نمودار بعدی نشان می دهد که در توان های پمپ مختلف چه اتفاقی می افتد. بعنوان مثال، اگر ما تنها ۱۰ میلی وات توان تزریق کنیم، بعد از حدود بیست سانتی‌متر تمام توان پمپ خارج خواهد شد. ما دریافتیم که طول فیبر مناسب برای برخی لیزرها یا تقویت کننده ها به طور کامل به سطح توان کاربردی بستگی دارد و می تواند به مراتب بزرگ‌تر از طول جذب باشد.
شکل۲- جذب موج های پمپ ۹۷۵ نانومتر با توان های اولیه متفاوت در یک فیبر آلائیده با ایتربیوم
رفتار شبه سه ترازی عجیب
نمودار بالا یکی از رفتارهای عجیب شبه سه ترازی را نیز نشان می دهد که اغلب در افزاره های فیبری با آن مواجه می شویم. در مثال هایی که زده شد، تحریک ایتربیوم برای پمپاژ ۹۷۵ نانومتر به صورت تقریبی در ۵۰% اشباع می شود، زیرا سطوح مقطع جذب گذار برای جذب و گسیل با هم برابر است. برای پمپاژهای قوی، نرخ فرآیندهای جذب و گسیل القایی تقریباً برابر و بزرگ است. در این بین گسیل خود به خودی نقش چندانی ندارد. به این ترتیب، سرعتی که با آن توان پمپ کاهش می یابد، مشخص می شود و تا زمانی که فرآیندهای دیگری مانند خاموشی و ASE وجود نداشته باشد، گسیل خود به خودی تنها راه اتلاف انرژی است.
گسیل خود به خودی تقویت شده
بازده بالای افزاره های فیبری به شدت بر گسیل خود به خودی تقویت شده اثرگذار است. برای مثال، تصور کنید که مشابه آزمایش قبلی ما یک موج پمپ ۹۷۵ نانومتری را به یک فیبر ارسال کنیم با این تفاوت که در این بخش از فیبری با طول بزرگ‌تر استفاده کنیم، در نتیجه می توانیم توان‌های پمپ بالاتری را ارسال و جذب کنیم. مثل قبل فرض کردیم که هیچ نوری از انتهای فیبرها بازتاب نمی شود. ضمن آن که ممکن است از فیبری با انتهای زاویه دار استفاده شود.
شکل ۳- جذب قوی یک موج پمپ ۹۷۵ نانومتر در یک فیبر آلائیده با ایتربیوم بلندتر. در این مورد ما اثرات ASE قوی مشاهده می کنیم.
عملکرد مشاهده شده به طور کامل با حالت قبلی تفاوت دارد. بهره لیزری بالا در طول موج های بلندتر (حدود ۱۰۳۰ نانومتر) منجر به گسیل خود به خودی تحریک شده بسیار قوی به ویژه در مسیر برگشت خواهد شد. توان های بالای ASE چگالی تحریک ایتربیوم را کاهش داده و در نتیجه جذب پمپ را افزایش می دهد. با وجود اینکه تحریک ایتربیوم در نزدیکی انتهای چپ تا حدی کم می شود، جذب پمپ به صورت قابل توجهی افزایش می یابد.
کسی که انتظار چنین اثری را ندارد، ممکن است با دیدن رفتار فیبر شگفت زده شود! جذب پمپ مؤثر فیبر حتی در توان های پمپ بالا نیز بسیار زیاد است. در آزمایش های تجربی ممکن است مدتی طول بکشد که علت آن به خوبی درک شود. از این رو پیشنهاد می شود که پیش از انجام هر گونه تحقیقی در آزمایشگاه، ابتدا شرایط کار از طریق شبیه سازی توسط نرم افزارهای قدرتمند بررسی شود.
لیزرهای فیبری قفل مدی
در مورد لیزرهای فیبری قفل مدی، پیچیدگی ها به مراتب بیش‌تر است. چرا که بسیاری از آن‌ها به ویژگی های غیرخطی نوری قوی فیبرها (از جمله برخورداری از ناحیه مد مؤثر کوچک و به ویژه طولی بسیار بزرگ‌تر از یک کریستال لیزری) مربوط است. در شرایطی که لازم است لیزر بر حسب مدت و انرژی پالس عملکرد مناسبی داشته باشد، باید رژیم های کاری خاصی را در نظر گرفت که لیزر در آن شرایط بتواند با غیرخطی های قوی بهتر تقابل کند. هر چند که درک ساز و کارهای شکل گیری پالس در مقایسه با مشخصه های لیزرهای قفل مدی سالیتونی ساده بسیار پیچیده تر است. بسیاری از لیزرهای قفل مدی حجیم در چنین رژیم های ساده ای کار می کنند.
مباحث مربوط به قطبش
در لیزرهای حجیم، گاهی با مواردی مانند اتلاف ناشی از غیرقطبی شدگی[۲] مواجه می شویم که البته نیازی نیست در تمام این موارد نگران قطبش باشیم. اما در افزاره های فیبری، قطبش اغلب موضوعی چالش برانگیز است. به طوری که حتی اگر به قطبش گسیل لیزری اهمیت ندهیم، اثرات قطبش می تواند مشکل ساز باشد. بعنوان مثال، ممکن است برای عملکرد پایدار لیزر در یک فرکانس خاص و یا قفل مدی پایدار نیاز باشد که از اجزای قطبی کننده بهره گرفته شود. در اصل ممکن است با بهره گیری از فیبرهای حفظ قطبش بسیاری از مشکلات حل شود، اما خود آن هم چالش های دیگری را در پی خواهد داشت: از جمله این که برای تنظیم فیبرها به متصل کننده های فیبری نیاز خواهد بود و همین امر قیمت ساخت این ادوات را به صورت قابل توجهی افزایش خواهد داد.
دستاوردهای توسعه لیزر
با توجه به مباحث مطرح شده پیرامون پیچیدگی های ساخت افزاره های فیبری فعال، می توان دریافت که فرآیند توسعه این لیزرها بسیار مشکل‌تر از لیزرهای حجیم است. به طور معمول توسعه این دسته از افزاره ها در مقایسه با لیزرهای حجیم هزینه بیشتری را در بردارد. ضمن آن که باید در نظر داشت در توسعه صنعتی، شرایط مرزی بسیار بیشتری نسبت به تحقیقات علمی وجود دارد. در صنعت نمی توان از موارد خاصی که در آزمایشگاه تحقیقاتی مناسب است اما برای یک محصول کاربردی مناسب نیست، استفاده کرد.
[۱] Amplified Spontaneous Emission
[۲] Depolarization loss