کتاب مهندسی‌ لیزر

مدیران انجمن: parse, javad123javad

نمایه کاربر
klausmeister

عضویت : یک‌شنبه ۱۳۸۸/۳/۳۱ - ۱۰:۰۸


پست: 200

سپاس: 69


تماس:

Re: کتاب مهندسی‌ لیزر

پست توسط klausmeister »

مثال ۱.۶

توان متوسط، قله توان و همچنین چگالی‌ قله توان و توان متوسط را برای لیزر ND:YAG که انرژی با (تپش)/ ۹joules خارج می‌کند، با میزان تکرار ۲hz است و دارای پهنای تپش ۲۰ns است، حساب کنید. فرض بگیرید که پرتوی لیزر به یک نقطه با شعاع ۰.۲۵mm متمرکز شده و قوت تابش در عرض نقطه ثابت است.

پاسخ: از برابری‌های (۱.۱۷) و (۱.۱۸) استفاده می‌کنیم
eqs 1.19-1.23.jpg
شما دسترسی جهت مشاهده فایل پیوست این پست را ندارید.

نمایه کاربر
klausmeister

عضویت : یک‌شنبه ۱۳۸۸/۳/۳۱ - ۱۰:۰۸


پست: 200

سپاس: 69


تماس:

Re: کتاب مهندسی‌ لیزر

پست توسط klausmeister »

۱.۶ تکرنگی، همدوسی و پهنای خط

ویژگی‌ یک گروه از فوتون‌ها را که دقیقا دارای یک فرکانس باشند تکرنگی مینامند. ویژگی‌ یک گروه از فوتون‌ها را که نسبت به یکدیگر در فاز باشند همدوسی مینامند. بنابر این لیزر‌ها را اغلب چشمه نور تکرنگ و همدوس مینامند (رجوع کنید به تصویر ۱.۸). ( ملاحظه بکنید که این تعریف برای لیزر دلخواه زائد است چونکه یک چشمه نور کاملا همدوس باید تکرنگ باشد. اما همچنین توجه بکنید که یک چشمه نور کاملا تکرنگ، مانند گسیل خودبخود، نباید همدوس باشد!)
تصویر ۱.۸
تصویر چپ: تکرنگی را نشان میدهد
تصویر راست: همدوسی را نشان میدهد
pic1.8.jpg
معمولا "رنگ" پرتوی لیزر به وسیله مرکز طول موج خط لیزر مشخص میشود. در کاربرد واقعی‌، هر دو طول موج lambda (در واحد nm یا angstrom) و فرکانس nu (در واحد Hz) استفاده میشوند. پس مرکز طول موج lambda یک خط لیزر را میتوانیم به جای فرکانس nu بیان کنیم:
eq 1.24.jpg
البته لیزر واقعی‌ نه کاملا تکرنگ است و نه کاملا همدوس (نگاه کنید به تصویر ۱.۹). اما وقتی‌ که یک سیستم لیزر را مشخص می‌کنیم، معمولا فرض میگیریم که پرتوی لیزر ابتدا در فاز بوده است و ناهمدوسی لیزر فقط ناشی‌ از نبودن تکرنگی چشمه است. (این فرض برای لیزر مرسوم با بازخورد معقول است، اما نمیتواند برای سیستم لیزر نامعمولی به اندازه کافی‌ دقیق باشد.)
pic1.9.jpg
پس ما معمولا فرض میگیریم که همدوسی و تکرنگی همان پارامتر را اندازه میگیرند.
شما دسترسی جهت مشاهده فایل پیوست این پست را ندارید.

نمایه کاربر
klausmeister

عضویت : یک‌شنبه ۱۳۸۸/۳/۳۱ - ۱۰:۰۸


پست: 200

سپاس: 69


تماس:

Re: کتاب مهندسی‌ لیزر

پست توسط klausmeister »

تکرنگی پرتوی لیزر به وسیله پهنای خط طول موج Δλ (در واحد nm یا angstrom) یا پهنای خط فرکانس Δν (در واحد Hz) تشریح میشود. هر دو مقدار به این شکل خویشاوند هستند:
eq 1.25.jpg
که (اگر فرض بگیریم که λ۱ و λ۲ خیلی‌ بزرگتر از λ۲ - λ۱ هستند) حل تقریبی این مساوی است با
eq 1.26.jpg
پهنای خط بنیادی برای لیزر دلخواه خیلی‌ کوچک است. [پهنای خط بنیادی با برابری شولو-- تاونس به طور

Δν=(hν/۲π *T۲cav Pout ) داده شده، که Δν پهنای خط است، Tcav زمان محو در حفره است و Pout توان بازده لیزر است]. در عمل مکانیسم‌های پهن کننده گوناگونی این پهنای خط بنیادی را در لیزر افزایش میدهند (نگاه کنید به قسمت ۲.۱).
شما دسترسی جهت مشاهده فایل پیوست این پست را ندارید.

نمایه کاربر
klausmeister

عضویت : یک‌شنبه ۱۳۸۸/۳/۳۱ - ۱۰:۰۸


پست: 200

سپاس: 69


تماس:

Re: کتاب مهندسی‌ لیزر

پست توسط klausmeister »

تکرنگی پرتوی لیزر را میتوانیم همچنین بر مبن همدوسی تشریح بکنیم. توجه بکنید که مدت زمانی‌ که برای دو نوسان که در میزان فرکانس به مقدار Δν فرق دارند، طول میکشد از فاز به مقدار یک سیکل بیرون بیایند، تقریبا برابر است با ۱/Δν. به این ترتیب زمان همدوسی δτ برابر است با:
eq 1.27.jpg
و فاصله همدوسی lc را میتوانیم بنویسیم:
eq 1.28.jpg
شما دسترسی جهت مشاهده فایل پیوست این پست را ندارید.

نمایه کاربر
klausmeister

عضویت : یک‌شنبه ۱۳۸۸/۳/۳۱ - ۱۰:۰۸


پست: 200

سپاس: 69


تماس:

Re: کتاب مهندسی‌ لیزر

پست توسط klausmeister »

مثال ۱.۷

یک آرگون-یون لیزر را که در ۵۱۴.۵nm مرکز طول موج عمل می‌کند در نظر بگیرید. انرژی عبور لیزر را در میزان eV, فرکانس عبور را در میزان Hz و عدد موج طیف نمایی را (۱/λ) در میزان cm-۱ حساب کنید.

پاسخ: انرژی عبور را با برابری (۱.۴) حساب می‌کنیم
eq 1.29.jpg
فرکانس نوری را با برابری (۱.۲۴) حساب می‌کنیم
eq 1.30.jpg
عدد موج طیف نمایی را با واژگون کردن طول موج بدست میاوریم
eq 1.31.jpg
شما دسترسی جهت مشاهده فایل پیوست این پست را ندارید.

نمایه کاربر
klausmeister

عضویت : یک‌شنبه ۱۳۸۸/۳/۳۱ - ۱۰:۰۸


پست: 200

سپاس: 69


تماس:

Re: کتاب مهندسی‌ لیزر

پست توسط klausmeister »

مثال ۱.۸

یک لیزر نیم رسانا را در نظر بگیرید که دارای ۲.۰Angstrom پهنای خط و ۸۷۰nm مرکز طول موج عملی‌ است. پهنای خط فرکانس Δν را در میزان Hz حساب کنید.

پاسخ: از برابری (۱.۲۶) استفاده می‌کنیم.
eq 1.32.jpg
مثال ۱.۹

یک لیزر هلیوم-نئون را در نظر بگیرید که دارای ۱.۵GHz پهنای خط و ۶۳۲.۸nm مرکز طول موج عملی‌ است. پهنای خط طول موج Δλ را در میزان Angstrom حساب کنید.

پاسخ: از برابری (۱.۲۶) استفاده می‌کنیم.
eq 1.33 -34.jpg
شما دسترسی جهت مشاهده فایل پیوست این پست را ندارید.

نمایه کاربر
klausmeister

عضویت : یک‌شنبه ۱۳۸۸/۳/۳۱ - ۱۰:۰۸


پست: 200

سپاس: 69


تماس:

Re: کتاب مهندسی‌ لیزر

پست توسط klausmeister »

مثال ۱.۱۰

یک لیزر Nd:YAG را در نظر بگیرید که دارای ۴.۵۰Angstrom پهنای خط و ۱.۰۶۴μm طول موج مرکزی عملی‌ است. فاصله همدوسی لیزر را حساب کنید.

پاسخ: برای تعیین پهنای خط در واحد Hz از برابری (۱.۲۶) استفاده می‌کنیم.
eq 1.35.jpg
برای تعیین فاصله همدوسی از برابری (۱.۲۸) استفاده می‌کنیم.

eq 1.36.jpg
شما دسترسی جهت مشاهده فایل پیوست این پست را ندارید.

نمایه کاربر
klausmeister

عضویت : یک‌شنبه ۱۳۸۸/۳/۳۱ - ۱۰:۰۸


پست: 200

سپاس: 69


تماس:

Re: کتاب مهندسی‌ لیزر

پست توسط klausmeister »

مثال ۱.۱۱

امکانش هست که شاهد بی‌ تجربه مرکز فرکانس خط لیزر ν (در واحد Hz) را با پهنای خط لیزر Δν (همچنین در واحد Hz) اشتباه بگیرد. این دو عدد اما خیلی‌ با هم در اندازه فرق دارند. برای نشان دادن این فرق، فرکانس مرکزی ν (در واحد Hz) و پهنای خط لیزر Δν (در واحد Hz) برای یک لیزر دیودی نیم رسانا که دارای ۷۶۰nm طول موج مرکزی عملی‌ و ۳.۰Angstrom پهنای خط Δλ است حساب کنید.

پاسخ: ما میتوانیم طول موج مرکزی را به واحد فرکانس به وسیله برابری (۱.۲۴) تبدیل بکنیم. برای لیزر دیودی نیم رسانا در مثال ۱.۱ حاصل نتیجه زیر می‌شویم
eq 1.37.jpg
برای پهنای خط لیزر از برابری (۱.۲۶) استفاده می‌کنیم.
eq 1.38.jpg
توجه بکنید که فرکانس مرکزی ν در راسته چند THz است. پهنای خط Δν بیشتر لیزر‌ها در راسته MHz تا GHz است. به این ترتیب، این دو عدد‌ها چند مرتبه در اندازه با هم فرق دارند.
شما دسترسی جهت مشاهده فایل پیوست این پست را ندارید.

نمایه کاربر
klausmeister

عضویت : یک‌شنبه ۱۳۸۸/۳/۳۱ - ۱۰:۰۸


پست: 200

سپاس: 69


تماس:

Re: کتاب مهندسی‌ لیزر

پست توسط klausmeister »

۱.۷ همدوسی فضایی و خالک لیزر
همدوسی فضایی یک ویژگی‌ مهم سیستم لیزر است. برای اینکه بتوانیم همدوسی فضایی را دریافت کنیم، تصور کنید یک پرتو که دارای شدت ثابت باشد در راستای z انتشار دارد. ملاحظه کنید به دو نقطه دلخواه P۱ و P۲ در پرتو طوری که در یک سطح عمودی بر محور z انتخاب شده باشند (نگاه کنید به تصویر ۱.۱۰). اگر تفاوت فاز نسبی‌ بین دو نقطه P۱ و P۲ اندازه گرفته شده در زمان ثابت بماند، این پرتو در همدوسی فضایی است.
تصویر ۱.۱۰
pic1.10.jpg
ملاحظه بکنید که همدوسی فضایی نیازی به همدوسی فوتون ندارد. بدین ترتیب همدوسی فضایی مستقیما ناشی‌ از عمل لیزر نیست، بلکه در حقیقت یک خواصیت مد‌های الکترومغناطیسه لیزر است. (برای مثال، ما میتوانیم پرتوی همدوسی فضایی را با تابش نور خورشید از میان یک سوراخ بدست بیاوریم.) بهر حال لیزر بیشترین چشمه شدت همدوسی فضایی نور را ارائه می‌کند و بدینگونه در کاربرد‌هایی‌ (مانند هولوگرافی و تداخل سنج) که نیاز به چشمه همدوسی فضایی دارند، استفاده میشود (نگاه کنید به قسمت ۹.۱).

خالک لیزر یکی‌ از دست آوردهای همدوسی فضایی عالی‌ یک پرتوی نور است. وقتی‌ که لیزر روی یک سطح زبر میتابد (مانند یک دیوار) هر کدام از مکان‌های نامرتب کوچک، نور را از یک زاویه دیگر بازتاب می‌کند. این یک الگوی تداخل بوجود میاورد که تشکیل شده از منطقه‌های درخشان(سازنده) و تاریک(ویرانگر). ملاحظه کنید که نمیتوانید بر الگوی خالک لیزر تمرکز کنید. در واقعیت شما فقط میتوانید خالک لیزر را ببینید وقتی‌ که به یک جای میانجی نگاه کنید. (افرادی که عینک دارند متوجه میشوند بهتر است بدون عینک بر الگوی تداخل تمرکز کنند!) یک نکته جالب این است که اگر سرتان را از یک طرف به طرف دیگر تکان بدهید، الگوی تداخل هم با سرتان تکان میخورد. اگر الگوی تداخل مخالف مسیر سر شما حرکت کند، شما نزدیک بین هستید؛ اگر الگو در یک جهت با سر شما حرکت کند، شما دوربین هستید.
شما دسترسی جهت مشاهده فایل پیوست این پست را ندارید.

نمایه کاربر
klausmeister

عضویت : یک‌شنبه ۱۳۸۸/۳/۳۱ - ۱۰:۰۸


پست: 200

سپاس: 69


تماس:

Re: کتاب مهندسی‌ لیزر

پست توسط klausmeister »

۱.۸ لیزر عام
بیشتر لیزر‌ها از سه جز مهم تشکیل شده اند، ماده بازده، چشمه پمپاژ، و کاواک تشدید (نگاه بکنید به تصویر ۱.۱۱).
تصویر ۱.۱۱

cavity = کاواک ، Gain material = ماده بازده ، Pump source = چشمه پمپاژ
pic1.11.jpg
ماده بازده مکان حالت‌های انرژی است که در گسیل القایی شرکت میکنند. ماده میتواند جامد (Nd:YAG، یاقوت، GGG, GSGG, الکسندریت، زمرد سبز، Cr:sapphire, Ti:sapphire, AlGaAs/GaAs,...; نگاه بکنید به گفتار ۱۰ و ۱۱)، مایع (رنگ، کی لیت، ...)، گاز (کریپتون، آرگون، ازت، هیلیوم-نئون، CO۲, KrF, XeCl, ...نگاه بکنید به قسمت‌های ۹.۱، ۹.۲، ۱۲.۱ و ۱۲.۲) یا پلاسما (پرتو X, الکترون آزاد، ...) باشد.
چشمه پمپاژ، انرژی را آماده می‌کند تا بتوانیم حالت های انرژی را برای رخ دادن گسیل القایی برپا کنیم. لیزر را میشود با نور پمپاژ کنیم به وسیله لامپ یا لیزر‌های دیگر (بیشتر لیزر‌های حالت جامد، نگاه بکنید به گفتار های ۱۰ و ۱۱)، با جریان برق پمپاژ کنیم به وسیله نقطه اتصال pn (دیود‌های نیم رسانا، نگاه کنید به قسمت ۱۲.۳) یا تخلیه الکتریکی‌ (بیشتر لیزر‌های گازی، نگاه بکنید به قسمت‌های ۹.۱ و ۹.۲)، یا پمپاژ با واکنش شیمیایی (HF، یودین و غیره). پمپاژ لیزر حتی با روش‌های چشمگیر مانند موتور جت (لیزر دینامیک گاز CO۲, نگاه بکنید به قسمت ۱۲.۱) یا بمب اتمی‌ (لیزر پرتو X) هم انجام شده است.

کاواک تشدید کننده یک راه باززا کننده را برای فوتون ها تهیه می‌کند. بطور اساسی‌، کار‌های کاواک تشدید کننده دو تا هستند: ۱) اندازه لیزر را کوتاه بکند و ۲) نمودار مد الکترومغناطیسه را به نوعی که میخواهیم شکل بدهد. (کاواک تشدید کننده عمومی را در گفتار ۴ بیشتر توضیح میدهیم.)

لیزر را میتوانیم اینطور نگاه بکنیم که انگاری بین دو آینه کاواک تشدید کننده تا خورده شده باشد (نگاه بکنید به تصویر ۱.۱۲).

تصویر ۱.۱۲
pic1.12.jpg
با اینکه کاواک تشدید کننده یک قسمت اصلی‌ بیشتر لیزر‌های تجاری است، خیلی‌ از سیستم لیزر‌ها هستند که نیازی به کاواک تشدید کننده ندارند. مطمئنا این امکانش هست که یک لیزر را آنقدر دراز بکنیم که شدت پرتوی نور قابل قبولی، بدون کاواک تشدید کننده، بیرون بیاید (بیشتر لیزر‌های پرتوی X اینطور ساخته شده‌اند). اما اینجور لیزر‌ها گرایش دارند که پرتوی بازده شده آنها کیفیت نامرغوبی دارد.
شما دسترسی جهت مشاهده فایل پیوست این پست را ندارید.

نمایه کاربر
klausmeister

عضویت : یک‌شنبه ۱۳۸۸/۳/۳۱ - ۱۰:۰۸


پست: 200

سپاس: 69


تماس:

Re: کتاب مهندسی‌ لیزر

پست توسط klausmeister »

۱.۹ مد طولی و عرضی

نقطه خروجی پرتوی لیزر را مد الکترومغناطیسه عرضی ` Transverse Electromagnetic Mode ( TEM) ` مینامند. در بیشتر لیزر‌های تجاری مد الکترومغناطیسه عرضی TEM0،0 است (نگاه بکنید به تصویر ۱.۱۳)، که یک مد گرد با نمودار گاوسی (نرمال) در مقطع عرضی است. ( برای توضیح بیشتر مورد مد TEM0,0 به قسمت ۴.۳ رجوع کنید.)
تصویر ۱.۱۳
pic1.13.jpg
اما این امکانش هست که پرتوی لیزر در پیکربندی‌های مد عرضی گوناگونی به عمل بیاید (نگاه بکنید به قسمت ۴.۲). در این پیکر بندی‌ها نقطه خروجی دارای شکل خیلی‌ ویژه‌ای خواهد بود (نگاه بکنید به تصویر ۱.۱۴).
تصویر ۱.۱۴
pic1.14.jpg
یک سیستم لیزر فقط موقعی میتواند در طول موج‌هایی‌ عمل کند که آن‌ طول موج‌ها دقیقا به اندازه عدد درست چندگانه نصف یک طول موج در کاواک بگنجند (نگاه بکنید به تصویر ۱.۱۵). آن‌ دسته از اعداد درست چندگانه درازای کاواک که امکان پذیر هستند، دسته مدهای الکترومغناطیسه طولی کاواک مینامند (یا ساده بگوییم مد‌های طولی). فرکانس‌های این مد‌ها به شکل زیر داده میشوند
شما دسترسی جهت مشاهده فایل پیوست این پست را ندارید.

نمایه کاربر
klausmeister

عضویت : یک‌شنبه ۱۳۸۸/۳/۳۱ - ۱۰:۰۸


پست: 200

سپاس: 69


تماس:

Re: کتاب مهندسی‌ لیزر

پست توسط klausmeister »

تصویر ۱.۱۵
pic1.15.jpg

n ضریب شکست در کاواک و L درازای کاواک است. ملاحظه بکنید که p یک عدد خیلی‌ بزرگی‌ در سیستم لیزر معمولی خواهد بود (نگاه بکنید به قسمت ۳.۱). فاصله مد طولی اغلب توجه نظر در طراحی‌ یا کاربرد از سیستم لیزر میشود. فاصله مد طولی به این شکل داده میشود
eq 1.40.jpg
شما دسترسی جهت مشاهده فایل پیوست این پست را ندارید.

نمایه کاربر
klausmeister

عضویت : یک‌شنبه ۱۳۸۸/۳/۳۱ - ۱۰:۰۸


پست: 200

سپاس: 69


تماس:

Re: کتاب مهندسی‌ لیزر

پست توسط klausmeister »

مثال ۱.۱۲

یک لیزر آرگون-یون با کاواک تشدید کننده ۱ متری و ۴۸۸nm طول موج مرکزی (در خلأ) در عمل لیزر است. عدد مد p را برای نزدیکترین مد به ۴۸۸nm حساب کنید. (فرض بگیرید که ضریب شکست برای کاواک ۱ است.)

پاسخ: از برابری (۱.۳۹) استفاده می‌کنیم و برای p حل می‌کنیم
eq 1.41.jpg
که با استفاده از برابری (۱.۳۹) میتوانیم تایید کنیم
eq 1.42.jpg

مثال ۱.۱۳

یک لیزر هلیوم-نئون با کاواک تشدید کننده ۳۰cm و ۶۳۲.۸nm طول موج مرکزی (در خلأ) در عمل لیزر است. فاصله مد طولی (در Hz) را حساب کنید. (فرض بگیرید که ضریب شکست برای کاواک ۱ است.)

پاسخ: از برابری (۱.۴۰) استفاده می‌کنیم
eq 1.43.jpg
شما دسترسی جهت مشاهده فایل پیوست این پست را ندارید.

نمایه کاربر
klausmeister

عضویت : یک‌شنبه ۱۳۸۸/۳/۳۱ - ۱۰:۰۸


پست: 200

سپاس: 69


تماس:

Re: کتاب مهندسی‌ لیزر

پست توسط klausmeister »

۱.۱۰ نمودار بهره

یک ماده ویژه لیزر در همه برد‌های فرکانس بهره نمیدهد. تابعی که وابستگی‌ بهره را به فرکانس تشریح میدهد، نمودار بهره (g(v مینامیم (نگاه بکنید به تصویر ۱.۱۶). (برای بحث بیشتر در مورد نمودار بهره به قسمت ۲.۱ رجوع کنید.)
تصویر ۱.۱۶
pic1.16.jpg
تعداد عدد‌های درست چندگانه درازای کاواک لیزر نامحدود است. اما فقط یک تعداد محدودی از این عدد‌های درست چندگانه درون نمودار بهره ماده لیزر میگنجند. به این ترتیب، برایند تولید لیزر اشتراک مجموعه مدهای طولی امکان پذیر با نمودار بهره است (نگاه بکنید به تصویر ۱.۱۷).
تصویر ۱.۱۷
pic1.17.jpg
این میتواند باعث اشتباه در تعریف‌ها بشود. ما طول موج مرکزی نمودار بهره و فرکانس مطابق آن‌ را داریم، طول موج مرکزی برای هر مد طولی و فرکانس‌های مطابق آنها را داریم، و جدایی‌ مد طولی را داریم (نگاه بکنید به تصویر ۱.۱۸).
تصویر ۱.۱۸
pic1.18.jpg
از این گذشته، طول موج را میتوان به عنوان طول موج خلأ یا طول موج در ماده (طول موج خلأ تقسیم بر ضریب شکست، λ = λ0 / n ) داده شود. بعلاوه بر این، همه این کمیّت‌ها را میتوانیم یا در واحد فرکانس (Hz) یا درازا (nm) اندازه بگیریم، و برخی‌ از آنها در یک اندازه هستند. به این درهم برهم اضافه بکنیم، هیچ علامت گذاری معیار وجود ندارد که این کمیّت‌های گوناگون را از هم تشخیص بدهد.
شما دسترسی جهت مشاهده فایل پیوست این پست را ندارید.

نمایه کاربر
klausmeister

عضویت : یک‌شنبه ۱۳۸۸/۳/۳۱ - ۱۰:۰۸


پست: 200

سپاس: 69


تماس:

Re: کتاب مهندسی‌ لیزر

پست توسط klausmeister »

۱.۱۱ ایمنی‌ با لیزر
ایمنی‌ با لیزر یک قسمت مهم مهندسی‌ لیزر است، نه فقط هنگام کاربرد لیزر بلکه در طراحی‌ لیزر و سیستم لیزرها که دیگران استفاده میکنند. در پیوست، گفتگو ایمنی‌ لیزر برای دوره‌های تدریسی لیزر با آزمایشگاه شامل آن‌ ارائه داده میشود.

D.H. Sliney and M.L. Wolbarsht, Safety with Lasers and Other Optical Sources
L.Goldman, R. J. Rockwell Jr., and P. Hornby, “Laser Laboratory Design and Personnel Protection from High Energy Lasers,” in Handbook of Laboratory Safety
R.J. Rockwell Jr., Lasers and Applications 5,(5): 97-103; and 5,(9): 93-99 (1986)
Standard Radiation Safety of Laser Products, Equipment Classification, Requirements and Users Guide,” IEC-825 (Geneva, Switzerland, 1990).

ارسال پست