گروه سوم
لیزرهای پرتوان که توان آن ها به چند کیلو وات می رسد. این لیزرها نیاز به آینه های حجیم^[۳۱] دارند و چند مدی هستند. این لیزرها برای تجزیه مواد و داروسازی استفاده می شوند.]۹[

( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

در این بررسی ما بیشتر به لیزرهای گروه دوم با توان متوسط می پردازیم. برای تمام کاربردهای ذکر شده می توان یک طرح کلی برای لیزر رامان فیبری پیشنهاد کرد که بر اساس کاربرد مورد نظر پارامتر هایی از قبیل طول فیبر، تعداد صفحات براگ، نوع پمپ و توان پمپ، ناخالصی وارد شده به فیبرجهت تقویت، ناخالصی وارد شده به فیبر به عنوان ماده رامان، دوغلافی یا چند غلافی بودن فیبر و قطر غلاف ها قابل تغییر هستند.
۳-۳ طرح کلی لیزر رامان فیبری
برای سادگی کار یک لیزر رامان فیبری با یک مرحله تبدیل رامان در نظر می گیریم.
فیبر رامان شامل قسمتی از فیبر است(در شکل به صورت حلقه وار نمایش داده شده) که عناصری مانند فسفر یا ژرمانیم درون آن آلائیده شده است.
صفحات براگ ۱و۳ طوری طراحی شده اند که تنها تابش استوکس مرتبه اول تولید شده در فیبر رامان را بازتاب می کنند و سایرتابش ها(با سایر طول موج ها) را عبور می دهند. صفحه براگ ۲ نیز طوری طراحی شده است که طول موج تابش ورودی(پمپ) را بازتاب می کند.

شکل۳-۲ شمای کلی یک لیزر فیبری رامان.
با توجه به شکل ۳-۲ پرتو پمپ از صفحات براگ ۱ عبور کرده، وارد فیبر رامان می شود و در اثر پراکندگی القایی رامان مولفه اول استوکس تولید می شود( البته سایر مولفه های استوکس هم تولید می شوند که چون طول موج آن ها در محدوده بازتاب صفحات براگ موجود در شکل نیست عبور کرده و تقویت نمی شوند). مولفه استوکس اول از صفحات براگ ۲ عبور می کند اما از صفحات براگ ۳ بازتاب می شود و بعد از یک رفت و برگشت از صفحات براگ ۱ هم بازتاب می شود. در حالیکه تنها پرتو پمپ با طول موج پمپ از صفحات براگ ۲ بازتاب می شود. بنابراین روابط تبدیل یک مرحله ای رامان بر اساس توان پرتو پمپ و پرتو استوکس به صورت زیر نوشته می شوند.(لیزر را پیوسته در نظر گرفته و قسمت زمانی معادلات را صفر قرار
می دهیم.)
(۳-۱)

که شرایط مرزی در دو انتهای فیبری به طول L به صورت مقابل است:
(۳-۲)

توان پرتو پمپ در جهت مثبت(توانی که از سمت چپ به سمت راست می رود) و توان پرتو پمپ در جهت منفی(توانی که پرتو پمپ پس از بازتاب از صفحات براگ از سمت راست به چپ حرکت می کند) هستند.
ضریب افت توان پمپ و ضریب افت توان مولفه اول استوکس است.
بهره رامان تبدیل توان پمپ به مولفه اول استوکس و بهره رامان تبدیل مولفه اول استوکس به مولفه های استوکس مراتب بالاتر است.
ضرایب بازتاب صفحات براگ سمت راست حلقه های فیبر رامان با علامت مثبت وضرایب بازتاب سمت چپ فیبر رامان با علامت منفی مشخص شده اند.

برای بدست آوردن طیف وسیع تری از طول موج ها می توان جفت صفحات براگ بیشتری به کار برد به گونه ای که این صفحات به صورت آبشاری قرار گیرند. در این حالت مولفه های بالاتر استوکس هم که هنگام عبور پرتو پمپ از فیبر رامان تولید می شوند، به وسیله جفت صفحات براگ اضافی(که تشکیل یک رزوناتور را می دهند) تقویت می شوند.

شکل۳-۳ شمای کلی یک لیزر فیبری آبشاری رامان.
با توجه به شکل ۳-۳ و تعمیم روابط تبدیل یک مرحله ای رامان(۳-۱)، رفتار کلاسیکی فرایند پراکندگی القایی رامان را در یک لیزر فیبری رامان از مرتبه استوکسn با تقریب تغییرات آهسته میدان^[۳۲]و در نظر گرفتن قسمت زمانی به صورت زیر می توان نوشت:]۱۹[
(۳-۳)

و اگر شرایط حالت پایای لیزر^[۳۳] را درنظر بگیریم قسمت زمانی روابط بالا حذف می شوند و لیزر پیوسته خواهیم داشت.

(۳-۴)

که شرایط مرزی به صورت زیر هستند.
(۳-۵)

دستگاه معادلات بالا یک دستگاه معادلات غیرخطی مرتبه اول با شرایط مرزی^[۳۴] است.
۳-۴ انواع طراحی های لیزرهای فیبری رامان
۳-۴-۱ لیزرهای فیبری رامان برای کاربردهای پزشکی
این لیزرها یه خاطر حجم کم و سادگی عملکرد برای کارهای پزشکی بسیار مناسبند. در این موارد طیف گسیلی لیزر باید با نوار جذب بافت جور شود. یکی از نوارهای جذب آب نزدیک فرو سرخ، حول و حوش ۱۴۵۰نانومتر است.]۸[
باید توجه شود که دستیابی به طول موج ۱۴۵۰ نانومتر برای لیزرهای رامان مشکل است. با بهره گرفتن از یک فیبر سیلیکات ژرمانیم به عنوان ماده فعال، نیاز به چهار مرحله تبدیل داریم که شمای لیزر را پیچیده می کند. برای رسیدن به طول موج ۱۴۵۰ نانومتر بر اساس فیبر سیلیکات فسفر لازم است که از طول موج ۱۰۴۹ نانومتر شروع کنیم تا با دو مرحله تبدیل به طول موج مورد نظر برسیم که در طول موج ۱۰۴۹ نانومتر لیزر فیبری Yb-dopedدارای بازده پایین و غیر پایدار است. بنابراین با توجه به شکل ۳-۴، برای ساخت یک لیزر رامان فیبری می توان از شمای ترکیبی آن که از ترکیب دو نوع فیبر سیلیکات ژرمانیم و سیلیکات فسفر تشکیل شده، استفاده نمود. ]۸[
شکل۳-۴ شمای لیزر فیبری رامان ترکیبی. ]۸[
ابتدا فیبر سیلیکات فسفر برای تبدیل گسیل لیزر از ۱۰۹۷ نانومتر به گسیلی در ۱۲۸۶ نانومتر استفاده می شود. سپس با بهره گرفتن از فیبر سیلیکات ژرمانیم و دو بار تبدیل رامان طول موج ۱۲۸۶ نانومتر به ۱۴۵۰ نانومتر تبدیل می شود. طول فیبرسیلیکات فسفر حدود ۴۰۰ متر و طول فیبر سیلیکات ژرمانیم حدود ۱۰۰۰ متر است.
با توجه به جدول۳-۱ برای دستیابی به گسیلی در محدوده ۱۴۵۰ نانومتر می توان
چیدمان های مختلفی از فیبرهای سیلیکات ژرمانیم و سیلیکات فسفر ترتیب داد.
جدول۳-۱ مقایسه ویژگی های لیزرهای رامان فیبری با چیدمان های مختلف. ]۸[

۳-۴-۲ لیزر رامان فیبری چند طول موجی برای کاربردهای حسگری دور برد
شکل ۳-۵ یک لیزر رامان قابل انعطاف چند طول موجی که دارای صفحات براگ با جابجایی فاز برای سیستم حسگری فواصل طولانی است را نشان می دهد.
این لیزر از یک صفحات براگ فیبری با عملکرد جابجایی فاز و یک صفحه براگ جیرجیرکی^[۳۵] تنظیم پذیر با بازتاب بالا تشکیل شده است. ]۱۰[
شکل۳-۵ چیدمان آزمایشی لیزر فیبری رامان چند طول موجی که از چندین صفحه براگ جابجایی فاز برای سیستم حسگری دوربردتشکیل شده است. ]۱۰[
لیزر فیبری رامان شامل ۵۰ کیلومتر فیبر تک مد استاندارد، یک صفحه براگ جیرجیرکی تنظیم پذیر به عنوان آینه کاواک و چند عدد صفحه براگ با جابجایی فاز که هم به عنوان کاوشگر حسی^[۳۶] و هم به عنوان آینه کاواک عمل می کند، می باشد. ]۱۰[