انتشارات ملی عطران:کتاب”هندبوک اسپکتروسکوپی لیزری” اثر “رحمان اسداللهی”

تكنيك سوئيچ Q-Switching

در مورد تكنيك سوئيچ Q  بايد گفت كه اين تكنيك ايجاد تپهاي ليزري با مدّت كوتاه (ns) نانوثانيه و پرقدرت (MW) مگاوات را ميسر مي‌سازد. اصول اين تكنيك چنين است: فرض مي‌كنيم كه يك بستاور در داخل كاواك قرار گرفته باشد. اگر بستاور بسته باشد عمل ليزر انجام نخواهد شد و واروني انبوهي مي‌تواند بسيار زياد شود. ولي اگر بستاور بطور ناگهاني باز شود، بهره ليزر بسيار بيشتر از تلفات آن خواهد شد و انرژي ذخيره شده بصورت تپ كوتاه و شديدي رها مي‌شود. چون اين تكنيك مستلزم سوئيچ كردن عامل كيفيت كاواك از يك مقدار پايين به يك مقدار بالاست، سوييچ Q ناميده مي‌شود. پس در عمل به شرط آنكه بازشدن بستاور تنها در مدّت زماني كوتاه نسبت به زمان ايجاد تپ ليزر انجام گيرد، خروجي ليزر در واقع از يك تك تپ غول‌آسا تشكيل مي‌شود كه در اين حالت به آن سوئيچ سريع مي‌گويند. در مورد سويچ آهسته ممكن است تپهاي چندتايي ايجاد شود و انرژي ذخيره شده در محيط پيش از عمل سوئيچ بصورت سريهاي پله‌اي تخليه شود. هر پله مربوط به گسيل يك تپ است. هر تپ بهره ليزر را پايين تر از آستانه لحظه‌اي مي‌برد. بدين ترتيب از نوسان بعدي جلوگيري بعمل مي‌آورد تا مجدداً سوئيچ اتلاف كاواك ليزر را كاهش دهد و آستانه كاهش يابد.

اصول نظري سوئيچ Q

شرطي كه ليزر روي يك تك مُد عمل كند، براي ليزر چهارترازي و سه ترازي رفتار ديناميكي در مدّت زمان سوئيچ Q از مقدار  و  مربوطة هر كدام بدست مي‌آيد. در مورد سوئيچ سريع ميدانيم كه در آن سوئيچ تلفات كاواك در زماني بسيار كوتاهتر از زمان شكل‌گيري تابش ليزري است. پس در زير بخاطر سادگي صرفاً سوئيچ سريع را تشريح خواهيم داد. در مورد نظامهاي عملكرد ليزر، ليزرهاي سوئيچ Q شده به يكي از دو طريق زير بر حسب انتخاب مي‌توانند عمل كنند:

الف: عمل تپي (پالسي) كه در اين مورد آهنگ دَمِش W_P(t) به صورت يك تپ با مدّت زمان مناسب است. واروني انبوهي N(t) قبل از سوئيچ Q تا مقدار ماكزيممي زياد شود و سپس رو به كاهش مي‌گذارد. Q كاواك در لحظه كه N(t) ماكزيمم است سوئيچ ميشود (لحظه t=0). از لحظه t>0 ، تعداد فوتونها بيشتر مي‌شوند و اين منجر به تپي مي‌شود كه قله‌اش در زمان t_d  است. به علّت زياد شدن تعداد فوتون‌ها، واروني انبوهي N(t) از مقدار اوليه Ni (در لحظه t=0) تا مقدار نهايي N_f كه پس از اتمام تپ باقي مي‌ماند، كاهش مي‌يابد(استفاده از بستاورهاي الكترواپتيكي و مكانيكي و جذب‌كننده‌هاي اشباع‌پذير براي عمل تپي متداول است)

ب: عمل دَمِش پيوسته، با سوئيچ Q پي در پي، دَمِش موج پيوسته‌اي W_p  به ليزر اعمال مي‌شود و تلفات كاواك بطور تناوبي كاهش داده مي‌شود. خروجي ليزر متشكل از قطار پيوسته‌اي از تپهاي نوراني در حاليكه واروني از مقدار اوليه Ni (قبل از سوئيچ Q) تا مقدار نهايي N_f  (پس از تپ سوئيچ Q) متناوباً نوسان خواهد كرد. ليزرهايي كه با موج پيوسته دَمِش يافته‌اند، داراي بهره پايين‌تري نسبت به ليزرهاي تپي(پالسي) هستند (استفاده از بستاورهاي مكانيكي و اغلب مواقع سوئيچ هاي Q آلوستواپتيكي براي عمل پيوسته متداول است). ابتدا يك ليزر چهارترازي را بشرطي كه روي يك تك مُد و با نظام تپي (پالسي) pw عمل كند، بررسي مي‌كنيم. در اينجا براي سادگي تنها مورد سوئيچ سريع را بحث مي‌كنيم و صرفاً به طور خلاصه نتايج را بررسي مي‌كنيم.

در اين حالت معادلات بصورت زير ساده مي‌شوند:

انبوهي Np مربوط به قله تپ فوتون (يعني وقتي مي‌شود) و برابر :                                                                  

NP كه دقيقاً همان واروني بحراني ليزر است و N_f واروني نهايي و N_i واروني اوليه پس وقتي (N_i-N_f) واروني قابل استفاده و اين واروني مي‌تواند تعداد فوتون (N_i-N_f)Va را ايجاد كند، مستقيماً از اين تعداد فوتون ها كه محيط گسيل مي‌كند تنها كسر  بصورت انرژي خروجي قابل استفاده است پس داريم:

 كميت  در اين رابطه «ضريب بهره‌گيري واروني» (ضريب بهره‌گيري انرژي) است.

در واقع مي‌توانيم تغييرات اين ضريب بهره‌گيري انرژي را برحسب نسبت  نشان دهيم و ميدانيم براي مقادير بزرگ  اين ضريب به واحد نزديك مي‌شود. هنگامي كه انرژي خروجي و قلة توان معلوم باشند، مي‌توانيم يك مقدار تقريبي  براي پهناي تپ، با تعريف آن بصورت:

بدست آوريم پس از روابط داريم:

تأخير زماني τ_d بين قلة تپ و زمان سوئيچ Q را مي‌توان تقريباً برابر با زمان لازم براي رسيدن تپ به مقدار مثلاً  در نظر گرفت پس با قراردادن  و  داريم

البته براي ليزر دميده شده پيوسته‌اي كه پي در پي سوئيچ Q شده باشد محاسبه به طريقي مشابه انجام مي‌گيرد.

انواع روش هاي سويچ Q

سيستم هاي سوئيچ زير بيشترين كاربرد را دارند:

الف) بستاورهاي الكترواپتيكي: در اين بستاور از اثر الكترواپتيكي مناسبي نظير اثر پاكلز استفاده مي‌شود.

  ب) بستاورهاي مكانيكي: از طريق چرخش يكي از آينه‌ها براي ايجاد تپ چندگانه تا سرعت چرخش زياد باشد.

ج) بستاور با استفاده از جذب كنندة اشباع پذير: كه ساده‌ترين روش Q سوئيچ است در اين مورد بستاور متشكل از سلول حاوي جذب كنندة اشباع‌پذير مناسبي در طول موج ليزري است. معمولاً اين ماده بصورت محلولي از يك رزينة اشباع‌پذير است. مثلاً براي ليزر Nd:YAG، رزينة متداول BDN است.

د) سويچهاي Q آكوستواپتيكي: مدوله‌ساز متشكل از يك قطعه مادة شفاف اپتيكي كه به آن يك موج فراصوتي بوسيلة تراگذر پيزوالكتريك وارد مي‌شود.

نوبت چاپ: اول
جهت پاسخگویی به سؤالات و تهیه کتاب مربوطه می توانید از طریق گزینه خرید محصول و پل ارتباطی انتشارات عطران اقدام نمایید:

دفتر مرکزی انتشارات عطران:     66191000 -021
شماره تلگرام پشتیبانی (24 ساعته): 09108172896