آشنایی با فیزیک لیزر کیوسوئیچ (بخش2)

روش های ایجاد کیوسوئیچ (Q-Switch)

در بخش قبلی مقاله به طور کلی با طرز کار یک لیزر کیوسوئیچ آشنا شدیم و با تکیه بر شبیه سازی، فیزیک لیزرهای مبتنی بر فرایند Q-Switch را شناختیم. با دو روش کلی فعال و غیرفعال اجرای کیوسوئیچ آشنا شدیم. نمودار هایی مربوط به سوئیچ فعال و غیرفعال آورده شد که مجددا به بررسی آن خواهیم پرداخت.

 

شکل 1: کیوسوئیچ فعال و غیرفعال

 

در کیوسوئیچ فعال، ضریب کیفیت کاواک با یک عامل خارجی Active کنترل می شود. با اعمال این عامل Active، اتلاف زیاد می شود یعنی Q کاهش پیدا می کند، مقدار اتلاف از مقدار بهره بیشتر می شود و نوسان لیزری نداریم. به محض قطع شدن عامل خارجی، اتلاف کاهش می باید یعنی Q افزایش می یابد، بهره بر مقدار اتلاف غلبه می کند و نوسان لیزری ایجاد می شود.

در کیوسوئیچ غیرفعال، ضریب کیفیت کاواک با یک عامل Passive کنترل می شود و هیچ عامل خارجی در این فرایند دخیل نیست. زمانی که جاذب شروع به اشباع شدن می کند، توان شروع به افزایش می کند تا وقتی که بهره به سطح بالاتر از اتلاف کاواک برسد. به محض اینکه بهره به سطح بالاتر از اتلاف برسد، پالس لیزری تشکیل می شود.

در این بخش به طور جزئی به بررسی روش های اجرای Q-Switch خواهیم پرداخت.

 

سوئیچ های الکترواپتیکی در اجرای کیوسوئیچ

در این سوئیچ ها از اثر الکترواپتیکی استفاده می شود. طبق این اثر می توان ضریب شکست یک محیط را با اعمال میدان الکتریکی کم و زیاد کرد.

دو نوع اثر الکترواپتیکی معروف داریم که یکی از آنها اثر پاکلز است و دیگری اثر کر.

در اثر پاکلز، ضریب شکست ماده، متناسب با میدان الکتریکی (یا ولتاژ اعمالی) تغییر می کند ولی در اثر کر این تغییرات با توان دوم میدان (ولتاژ) متناسب است. سوئیچ های الکترواپتیکی عمدتا بر اساس اثر پاکلز کار می کنند. یک ماده مناسب، مثل یک بلور می تواند این کار را انجام دهد. طول مشخصی از این بلور داخل کاواک قرار می گیرد که به آن سلول پاکلز گفته می شود.

در این حالت، نوری که از داخل سلول پاکلز عبور می کند می تواند طوری تنظیم شود که نتواند برگردد. روش کار به این صورت است که مادامی که به سلول پاکلز هیچ ولتاژی اعمال نشده باشد کاملا شفاف و دوطرفه است و بود و نبود آن در داخل کاواک تاثیر نمیگذارد.

وقتی که به این سلول ولتاژ اعمال شود، این ولتاژ به خاطر اثر پاکلز باعث چرخش محورهای اپتیکی بلور می شود. می توان ولتاژ را جوری تنظیم کرد که نور عبوری (با قطبش خطی) از آن در حین خروج از آن قطبش دایروی کسب کند. این نور به سمت آینه رفته و برگشت می خورد و دوباره وارد سلول پاکلز می شود.

به خاطر این برگشت، دوباره قطبش خطی خود را کسب می کند ولی قطبشی که به اندازه 90 درجه چرخیده است. همین چرخش قطبش باعث می شود که نتواند از قطبش گر خطی ورودی عبور کند و راه آن مسدود می شود یعنی با یک سلول پاکلز و اعمال یک ولتاژ مناسب می توانیم از بازگشت باریکه نوری جلوگیری کنیم؛ یعنی می توانیم مانع از فیدبک و نوسان لیزری شویم.

در این مدت اگر دمش روشن باشد باعث افزایش وارونگی جمعیت می شود. همین که وارونگی جمعیت به حد مطلوب برسد می توان ولتاژ اعمالی سوئیچ را قطع کرد. در این حالت سلول برای پرتو بازگشتی شفاف می شود و پرتو بازگشتی به محیط بهره می رسد و رفت و برگشت می کند و نوسان شکل می گیرد و یک پالس لیزری قوی تولید می شود.

این همان فرایند ایجاد کیوسوئیچ با سوئیچ الکترواپتیکی می باشد.

 

منشور چرخان، روشی مکانیکی برای ایجاد کیوسوئیچ

مرسوم ترین روش مکانیکی برای اجرای کیوسوئیچ، روش منشور چرخان است. اگر به یک منشور تحت زاویه خاصی نگاه کنیم دقیقا مثل یک آینه رفتار می کند چون دچار بازتاب داخلی کلی می شود ولی در زاویه های دیگر، منشور مثل یک تیغه شفاف رفتار می کند.

 

شکل2: رفتارهای متفاوت یک منشور در راستاهای مختلف

 

حال فرض کنید که یک کاواک لیزری ساخته باشیم که یکی از آینه های آن همین منشور باشد. اگر منشور به طور کاملا دقیق و درست قرار نگرفته باشد یک کاواک ناپایدار خواهیم داشت ولی اگر درست قرار گرفته باشد یک کاواک پایدار که می تواند نوسان لیزری را برقرار کند ایجاد خواهد شد.

اگر محیط بهره داخل کاواک قرار داده شود و تحت دمش قرار بگیرد تا وقتی که منشور درست قرار نگرفته باشد شرط نوسان لیزری ایجاد نخواهد شد ولی وارونگی جمعیت افزایش پیدا خواهد کرد.

اگر وقتی که وارونگی جمعیت به حد مناسب رسید منشور در وضعیت مناسب قرار گیرد شرایط برای نوسان پیش می آید و یک پالس قوی لیزری درست خواهد شد.

می توانیم منشور را به یک آرمیچر بچسبانیم و آن را شروع به چرخاندن کنیم. با این کار در یک لحظه که منشور در وضعیت مناسب قرار بگیرد پالس لیزری قوی تولید خواهد شد.

 

شکل3: چیدمان اجرای کیوسوئیچ با منشور چرخان

 

در روش منشور چرخان باز هم کیفیت کاواک بین یک ضریب کیفیت خیلی پایین یعنی Q=0 و یک ضریب کیفیت خیلی بالا، یعنی Q بالا، سوئیچ می شود و با این کار پالس های لیزری قوی تولید می شود.

وقتی که منشور دقیقا در وضعیت مناسب برای ایجاد نوسان باشد، ضریب کیفیت کاواک بالاست ولی وقتی که منشور در وضعیتی باشد که نوسان رخ ندهد، ضریب کیفیت کاواک پایین است. روش منشور چرخان یک روش خیلی ارزان قیمت است و برای هر طول موجی کار می کند ولی معمولا پالس های لیزری قوی که تولید می کند کیفیت خوبی ندارند.

یکی دیگر از مشکلات این روش این است که پالس های لیزری خیلی کوتاهی نمی تواند تولید کند و طول پالس هایی که بهترین منشورهای چرخان که با سرعت بسیار زیادی در حد 24000 دور بر دقیقه می چرخند تولید می کنند، حدود 400 نانوثانیه است و در عین حالی که ظاهرا پالس خیلی کوتاهی است ولی در دنیای پالس های لیزری که تا حد فمتوثانیه هم رسیده اند یک پالس بسیار طولانی می باشد.

 

سوئیچ های آکوستواپتیکی، روشی برای کیوسوئیچ با فرکانس خیلی بالا

آکوستواپتیک به علمی گفته می شود که صوت و نور را با هم ترکیب می کند. وسایل بسیار زیادی از طریق این علم ساخته شده است که یکی از آن ها مدولاتورهای آکوستواپتیکی می باشد. یک مدولاتور آکوستواپتیکی یک قطعه مکعب مستطیلی از یک ماده شفاف است، (مثل کوارتز گداخته (نورمرئی و فروسرخ نزدیک) و ژرمانیوم و سلنید کادمیوم (فروسرخ میانی))، به یکی از وجوه این قطعه تراگذار پیزوالکتریکی متصل شده است که وقتی به برق وصل شود ارتعاش می کند و یک موج صوتی (فراصوت) در داخل قطعه با فرکانس رادیویی ایجاد می کند.

یعنی در داخل یک بلوک آکوستواپتیکی هم می توان با یک تراگذار پیزوالکتریکی مرتعش یک موج صوتی ایجاد کرد. تراگذار پیزوالکتریکی ضربات بسیار سریعی به قطعه می زند تا بتواند در آن صوت ایجاد کند.

 

شکل4: ایجاد صوت داخل قطعه آکوستواپتیکی با یک تراگذار پیزوالکتریکی

 

با شکل فوق می توان امواج صوتی ایستاده ایجاد کرد، به همین خاطر انتهای قطعه آکوستواپتیکی به صورت زاویه دار تراش داده می شود و در انتهای آن نیز یک جاذب صوتی قرار داده می شود که امکان تشکیل موج ایستاده وجود نداشته باشد و فقط موج رونده صوتی ایجاد شود که در شکل نشان داده شده است.

موج صوتی در واقع موج چگالی است یعنی صفحاتی با چگالی زیاد و صفحاتی با چگالی کم که در حال حرکت هستند. از آنجایی که ضریب شکست یک محیط به چگالی آن هم بستگی دارد پس موج صوتی در حقیقت یک موج ضریب شکست است به این صورت که موجی از تغییرات ضریب شکستی در محیط ایجاد شده و در حال حرکت می باشد یعنی انگار یک ضریب شکست تناوبی که در حال انتشار است در محیط ایجاد شده و در حال حرکت می باشد.

چنین محیطی که در آن یک ضریب شکست تناوبی ایجاد شده است مثل یک توری پراش از نوع توری پراش فازی رفتار می کند و نوری که به آن تابیده شده در زوایای خاصی پراشیده می شود. پس اگر به قطعه آکوستواپتیکی یک نور بتابانیم در زاویه های خاصی پراشیده می شود البته یکی از زاویه ها صفر است (مرتبه صفرم پراش) که در راستای نور فرودی است ولی پراش های دیگر در زاویه های غیرصفر رخ می دهند.

 

شکل5: پراش نور در فرود به موج صوتی

 

از شکل مشخص است که اگر موج صوتی نباشد، نور به صورت مستقیم عبور می کند و پراشیده نمی شود ولی اگر موج صوتی باشد بخشی از انرژی نور پراشیده می شود. این پدیده می تواند ایده خوبی برای بحث سوئیچ Q باشد.  به این صورت که با روشن بودن تراگذار، یعنی وجود صوت، نور عبوری خیلی ضعیف است ولی با خاموش بودن آن و نبودن صوت نور عبوری قوی است.

هرچه ولتاژ اعمالی به تراگذار قوی تر باشد موج صوتی نیز قوی تر است و نور پراشیده شده نیز بیشتر می شود. با کنترل میزان این ولتاژ می توان فرایند سوئیچ Q را انجام داد.

حال فرض کنید که چیدمان شکل بالا در داخل یک کاواک لیزری که محیط بهره در داخل آن قرار دارد، قرار بگیرد. مادامی که ولتاژی به تراگذار اعمال نشود، کاواک کامل است و نوسان لیزری رخ می دهد ولی با اعمال ولتاژ به آن نوری که در نوسان لیزری سهیم می شود ضعیف است و نمی تواند نوسان کند.

برای وقتی که تراگذار خاموش باشد ضریب کیفیت کاواک لیزری بالاست یعنی Q خیلی بالا، ولی وقتی که تراگذار روشن باشد و ولتاژ مناسبی هم داشته باشد ضریب کیفیت کاواک خیلی افت می کند یعنی Q=0 ، یعنی با کنترل ولتاژ تراگذار از طریق یک مدار الکترونیکی، می توان فرایند کیو سوئیچ را انجام داد. توجه داشته باشید که زاویه برخورد نور به صفحات موج صوتی، زاویه ای خاص است و از شرط پراش به دست می آید.

سوئیچ Q با مدولاتور های آکوستواپتیکی دارای اتلاف های درونی خیلی کمی هستند. همچنین با این مدولاتورها می توان فرایند سوئیچینگ را با فرکانس تکرار خیلی زیاد در حد KHZ انجام داد. در حالی که برای منشور چرخان در حد چند صد هرتز بود.

 

جاذب قابل اشباع، روشی ساده و ارزان برای کیوسوئیچ

سه روشی که تاکنون برای اجرای کیوسوئیچ گفتیم، همگی با یک عامل خارجی کنترل می شدند مثلا شاتر الکترواپتیکی یعنی سلول پاکلز با ولتاژی که به یک تراگذار اعمال میشد، منشور چرخان با موتوری که آن را می چرخاند و مدولاتور آکوستواپتیکی هم با ولتاژی که به تراگذار اعمال میشد، کنترل می شدند. همانطور که در بخش قبلی گفتیم به این نوع کیوسوئیچ که با یک عامل خارجی کنترل می شود سوئیچ فعال گفته می شود.

می توان سوئیچ هایی طراحی کرد که نیاز به کنترل با عامل خارجی نداشته باشد و بلکه به صورت هوشمند این کار را انجام دهند. از این نوع سوئیچ فعال می توان به روش جاذب قابل اشباع اشاره کرد.

یک جاذب اشباع ماده ای است که جاذب خوبی در طول موج لیزری است ولی دارای شدت اشباع پایینی می باشد. یعنی مادامی که شدت نور فرودی کمتر از شدت اشباع باشد قسمت زیادی از آن جذب می شود ولی وقتی که شدت نور فرودی از شدت اشباع بیشتر شود محیط جاذب شفاف شده و هیچ جذبی انجام نمی دهد و همه نور را عبور می دهد.

جاذب های قابل اشباع معمولا به صورت محلول های مایع هستند که داخل ظروف شیشه ای دربسته تهیه می گردند و معمولا فرمول های شیمیایی پیچیده ای دارند مثلا BDN که در دی کلرواتان-1،2  حل می شود و در کیوسوئیچ لیزرهای ND:Yag کاربرد دارند. البته جاذب های قابل اشباع جامد هم وجود دارند مثل ترکیب BDN با استات سلولز که برای لیزر F2:LiF ، لیزر Cr:Yag و نیز لیزر ND:Yag استفاده می شود. حتی جاذب اشباع گازی مثل گاز SF6 نیز در کیوسوئیچ لیزر CO2 کاربرد دارد.

روش کار جاذب قابل اشباع به این صورت است که ابتدا سلول حاوی آن در کاواک قرار داده می شود و محیط بهره نیز توسط عامل دمش مورد پمپاژ قرار می گیرد. گسیل خود به خودی که در محیط بهره ایجاد می شود شدت پایینی دارد و همه ی آن توسط  جاذب قابل اشباع جذب می شود، چون شدت اشباع بیشتر از شدت نور فرودی می باشد، هیچ مقداری از آن به یکی از آینه ها که جاذب در مقابل آن قرار دارد، نمی رسد و نوسان لیزری اتفاق نمی افتد.

با ادامه دمش که وارونگی جمعیت رفته رفته بیشتر می شود، شدت گسیل خود به خودی هم بیشتر می شود ولی همچنان راه برای ایجاد نوسان لیزری بسته است، چون جاذب اشباع نمی گذارد نوری به آینه بعد از خودش برسد و همه را جذب می کند.

وقتی که وارونگی جمعیت خیلی زیادی در داخل محیط بهره شکل بگیرد، شدت گسیل خود به خودی هم آنقدر زیاد می شود که می تواند جاذب اشباع را اشباع کند، آنرا شفاف کند، قفل آن را باز کند و شرایط را برای عبور نور از آن و حرکت به سوی آینه پشت آن و ایجاد نوسان لیزری مهیا کند. در این حالت است که وارونگی جمعیت خیلی زیادی داریم و مانعی هم که توسط جاذب ایجاد شده بود از بین رفته است چون جاذب به یک محیط شفاف تبدیل شده است و کیوسوئیچ اتفاق می افتد و یک پالس قوی نوری ایجاد می شود.

در این حالت نیاز نیست که هیچ عامل خارجی مثل ولتاژ، موتور چرخشی یا تراگذار، فرایند کیوسوئیچ را انجام دهند و بلکه این کار به صورت خودکار و به خاطر خاصیت جاذب قابل اشباع رخ می دهد. به همین دلیل است که به آن کیوسوئیچ غیرفعال گفته می شود.

در این حالت شدت گسیل خود به خودی داخل کاواک به زمان بستگی دارد و با گذشت زمان بیشتر می شود. در لحظه ای که این شدت از شدت اشباع بیشتر شود، فرایند کیوسوئیچ رخ می دهد و کاواکی که مسدود بود و کیفیتی نداشت یعنی Q=0 سریعا به یک کاواک کامل با Q زیاد تبدیل می شود و پالس لیزری قوی ایجاد می شود.

اجرای کیوسوئیچ با جاذب قابل اشباع یک روش ساده و ارزان برای تولید پالس های لیزری است. البته این روش ارزان قیمت و مناسب دارای یک ایراد مهم است به این صورت که با گذشت زمان خاصیت ماده جاذب که تحت تاثیر نور قوی لیزری قرار دارد از بین می رود و ماده داخل آن تجزیه می شود. البته با استفاده از جاذب های جامد می توان این مشکل را تا حدی حل کرد. در کل فرایند جاذب اشباع باید در توان های لیزری پایین استفاده شود که جاذب آسیب نبیند.

 

این مقاله در بخش تحقیق و پژوهش شرکت اپتیک پرداز گردآوری شده است و استفاده از آن با ذکر منبع بلامانع است.