اجلمهورية العربية السورية مركز الدراسات والبحوث العلمية املعهد العايل للعلوم التطبيقية والتكنولوجيا أمثلة معامالت ليزر نبضي حمقون جانبيا ابلديودات الل

النسخ

1 اجلمهورية العربية السورية مركز الدراسات والبحوث العلمية املعهد العايل للعلوم التطبيقية والتكنولوجيا أمثلة معامالت ليزر نبضي حمقون جانبيا ابلديودات الليزرية عالية االستطاعة - أطروحة أعدت لنيل درجة املاجستري يف هندسة وعلوم البصرايت اختصاص ليزر إعداد: د م حن ني مح إشراف: د. زايد حممد د. ظافر موسى دمشق 2019/10/15

2 اإلهداء إىل بطل حياتي الذي لن يتكرر إىل شيبك وتعبك يف سبيل راحيت... أبي احلب ي ب إىل اليد اليت غرست بي كل ما أملك إىل راية وجودي ومنتهى أسباب سعادتي... أمي الغالية... إخوتي إىل سند الروح وثقيت يف احلياة إىل ذاتي ونصف احلقيقي وصورتي أمام نفسي كينونيت واألمل الذي أحيا به وألجله... زوجي احلنون ال يسعين إال أن أحنين ألولئك الذين أفادوني من خرباهتم وعلمهم... أساتذتي احملرتمني وتعجز الكلمات عن تقديم الشكر واالمتنان للدكتورين الذين تفضال وأشرفا على عملي هذا وقدما إيل املعرفة القيمة ومل يبخال علي بعلمهما فلهما مين كامل الشكر واالمتنان الدكتور ظافر موسى الدكتور زياد حممد حنني كامل حممد 2

3 كلمة شكر وأنا أهني آخر صفحة من صفحات هذه الرسالة أجد نفسي عاجزة عن الشكر والثناء والتقدير ألستاذي الفاضلني الدكتور ظافر موسى والدكتور زياد حممد على ما قدماه إيل من إرشادات علمية وعملية وهتيئة أنسب األجواء أثناء مدة حبثي هنا ملا وجدت فيها من سعة صدر ودماثة خلق ورعاية صادقة طيلة مدة البحث والذي هلما الفضل للوصول إىل مثرة هذا اجلهد. الشكر إىل إدارة املعهد العايل للعلوم التطبيقية على جهودهم خالل فرتة الدراسة وإعداد األطروحة متمثلة بقسم الفيزياء وإىل مجيع األساتذة الكبار والعاملني من موظفني وخمربيني. شكري وتقديري إىل زمالئي من طلبة الدراسات العليا فمين هلم التحية والتقدير متمنية هلم التوفيق والنجاح وحتقيق اهلدف الذي نسعى له مجيعا وأخريا شكري وتقديري إىل كل من مد يد العون واملساعدة سواء كانت بالكلمة املعربة أو بالنصيحة هلم مين جزيل شكري وتقديري. 3

4 امللخص يف إطار تطوير املرسالت الليزرية الصلبة قمنا وألول مرة يف فعالية الليزر بتصميم وتنفيذ منوذج خمربي من ليزر نيودمييوم ايغ ذو ضخ جانيب بديودات ليزرية عالية االستطاعة. يتمتع هذا الليزر مبواصفات فريدة جتعله نواة للعديد من التطبيقات اهلامة. أهم هذه املواصفات: العمل بشكل مستمر أو نبضي وذلك بفضل استخدام مفتاح جودة سليب ابإلضافة إىل فعالية ضوئية عالية مع نوعية حزمة جيدة. ميكن تلخيص نتائج األطروحة ابلنقاط الرئيسية التالية: تطوير طريقة جديدة ألمثلة معامالت ليزر نيودمييوم ايغ ذو ضخ جانيب بديودات ليزرية عالية االستطاعة مبا يف ذلك طريقة دقيقة لقياس معامل التغطية بني منطقة الربح والنمط الليزري ضمن الوسط الفعال. تصميم وتنفيذ منوذج خمربي من الليزر املذكور وذلك بناء على نتائج طريقة األمثلة. أجريناكافة القياسات املخربية اليت تؤكد دقة وفعالية هذه الطريقة ومقارنتها مع الطرق املعروفة واملعتمدة عامليا يف هذا اجملال. احلصول على ليزر نبضي متعدد األمناط )Multimodes( بطاقة نبضية mj) 10.4) ومردود )28.8%( وذلك ابستخدام جماوب مستوي-مستوي ومفتاح جودة سليب. احلصول على ليزر نبضي مع حزمة شبه غوصية (3.4 = 2 M) بطاقة mj) 10) ومردود( 11.4% ) ابستخدام جماوب )مستوي- مقعر(. 4

5 ABSTRACT In the context of developing solid state lasers, we have, for the first time in our laser department, designed and realized an experimental prototype of a high-power diode side-pumped Nd:YAG laser. This prototype has such good characteristics that make it a milestone in many important applications. The most obvious characteristics are: laser capability of working in CW and pulsed mode using a passive Q-switch, in addition to the high efficiency with a good beam quality. We can summarize the results of the thesis in the main following points: Establishment of a new method for optimization of high-power diode side-pumped Nd:YAG laser, including an accurate approach to estimate the overlap efficiency between the gain and mode volume in the active medium. Based on this optimization method, we have designed and realized an experimental prototype of the indicated laser and done all the experimental measurements that assure the accuracy and efficacy of this method and compare it with the well-known methods used in this field. Establishment of a multimode pulsed Nd:YAG laser with an energy of 10.4 mj and an efficiency of 28.8 %, by using a planoplano oscillator with a passive Q-switch. Establishment of a nearly Gaussian Nd:YAG laser (M 2 = 3.4) with an energy of 10 mj and an efficiency of 11.4%, by using a plano-concave oscillator. 5

6 اهلدف من البحث يعترب الضخ ابستخدام الديودات الليزرية أحد أهم حماور تطوير ليزرات احلالة الصلبة.حيث أظهرت أنظمة الليزرات الصلبة اليت يتم ضخها ابلديودات الليزرية ميزات هامة مقارنة بتلك اليت يتم فيها استخدام املصابيح النبضية والقوسية يف الضخ أهم تلك امليزات حتسني فعالية الضخ حيث جتاوزت فعالية الضخ )30%( حتسني نوعية احلزمة التقليل من اإلجهاد احلراري )ابلتايل إمكانية زايدة تردد نبضات الليزر( تقليل عتبة اإلصدار وابإلضافة طبعا إىل احلصول على تصاميم مدجمة وخفيفة وطويلة العمر. شكلت الليزرات الصلبة اليت يتم حقنها ابلديودات الليزرية 30% حسب إحصائيات عام [1] من إمجايل حجم مبيعات ليزرات حلالة الصلبة كل ما سبق يربز ضرورة وأمهية تصميم مرسالت ليزرية صلبة حمقونة ابلديودات عالية االستطاعة وتنفيذها الستخدامها يف تطبيقاتنا املختلفة. 6

7 خمطط األطروحة يتوزع هذا البحث ضمن فصليني رئيسيني: 1. الفصل األول القسم النظري: يتناول حملة عن الليزرات بشكل عام والليزرات الصلبة بشكل خاص ويتم الرتكيز على ليزر Nd: YAG ابعتباره الوسط الفعال املستخدم يف هذا العمل مع ذكر طرق ضخه التقليدية واحلديثة واملقارنة بني الطرق املختلفة للضخ. 2. الفصل الثاين القسم العملي: الذي يتوزع ضمن جزأين: األول: تصميم وتنفيذ مرسل ليزري نبضي حمقون ابلديودات الليزرية هبدف احلصول على طاقة نبضية mj) 10.4) وأبعلى مردود استخراج ومن أجل أمثلة معامالت هذا اجملاوب قمنا بكتابة برانمج حاسويب حيل معادالت الليزر ويعطي قيم نفوذية املاص القابل لإلشباع وعاكسية مرآة اخلرج اليت تعطي قيم الطاقة املطلوبة مع إعطاء مردود االستخراج من أجل تلك القيم. بناء على نتائج النمذجة مت اختيار القيم التالية (10.4 mj) واليت مكنتنا من احلصول على نبضات ليزرية بطاقة ( R = 0.48, T 0 = 0.4) 28.8%( ابستخدام قضيب ليزري وعرض نبضة )29ns( ابستطاعة ( )0.36MW ومردود ( Nd: YAG بطول )90mm( وقطر )3mm( موضوع ضمن جماوب )مستوي-مستوي(. الثاين: يهدف إىل توليد حزمة ليزرية بنوعية جيدة وذلك ابستخدام الوسط الفعال نفسه ضمن جماوب )مستوي مقعر( حيث قمنا أبمثلة معامالت اجملاوب الليزري للحصول على حزمة شبه غوصية (3.4 = 2 M) بطاقة mj( 10( ومردود )% 11.4 (كما مت تطبيق طريقتنا الدقيقة لقياس معامل التغطية بني الربح والنمط الليزري ضمن الوسط الفعال والتأكد من أفضليتها لدى مقارنتها ابلطرق التقليدية وذلك حبساب هذا املعامل ابلطريقة التجريبية. 7

8 احملتويات 1. الفصل األول مقدمة: ليزر النيودمييوم ايغ )Nd:YAG( ذي الضخ ابلديودات الليزرية: مدخل إىل ليزرات اجلسم الصلب: ليزر نيودميوم ايغ :Nd: YAG خمطط املستوايت الطاقية يف ليزر النيودمييوم ايغ: طرق الضخ الضوئي: الطريقة التقليدية يف الضخ الضوئي: الطريقة احلديثة يف الضخ الضوئي: معامل فعالية التغطية بني الضخ والنمط الليزري: اجملاوب الليزري ونوعية احلزمة الليزرية: آلية إصدار النبضات القصرية )مفتاح اجلودة...:)Q-switch التعديل اإلجيايب ملعامل اجلودة Q-switch(...:)Active التعديل السليب ملعامل اجلودة Q-switch(...:)Passive الكروم ايغكماص قابل لإلشباع : Cr + 4: YAG معادالت الليزر بوجود املاص القابل لإلشباع: الفصل الثاين القسم العملي اجلزء األول: ملخص:

9 2 -مبدأ النمذجة الرايضية: توصيف الديودات املستخدمة يف الضخ: قياس تغري طول موجة إصدار الديود الليزري بداللة درجة احلرارة: قياس املردود الكهرضوئي للديودات الليزرية: حجرة الضخ واجملاوب الليزري: اختبار صحة النمذجة: اجلزء الثاين: ملخص: تصميم اجملاوب: اختيار اجملاوب: أمثلة ابرامرتات اجملاوب L2)...:(r; R; L1; اختيار طريقة توزع منابع الضخ: النتائج العملية: طريقة حساب معامل نوعية احلزمة: قياس معامل فعالية التغطية بني الضخ ومنط اإلصدار: قياس معامل التغطية ابلطريقة التقليدية: قياس معامل التغطية ابلطريقة نصف العملية: قياس معامل التغطية بطريقتنا املقرتحة: الطريقة املقرتحة نصف العملية لقياس معامل التغطية: الطريقة التجريبية لقياس معامل التغطية: مناقشة النتائج

10 5 -اخلالصة واآلفاق املستقبلية: املالحق: امللحق 1: الربانمج املستخدم حلساب نفوذية املاص القابل لإلشباع وعاكسية مرآة اخلرج: امللحق 2: الربانمج املستخدم حلساب معامل فعالية التغطية: : املواصفات الفنية لوحدة التغذية: امللحق 3 املراجع:

11 فهرس األشكال الشكل 1: خمطط عام ملكوانت ليزر الشكل 2: خمطط عام لالنتقاالت الطاقية يف ليزر Nd:YAG [2] Nd:YAG الشكل 3: خمطط تفصيلي للمستوايت الطاقية يف ليزر [2]. Nd:YAG...25 الشكل 4: مقطع اإلصدار احملثوث لكافة االنتقاالت الطاقية يف ليزرNd:YAG [2]...26 الشكل 5: منحين االمتصاص املميز لليزر 27...Nd-YAG الشكل 7: طيف إصدار ملبة فالشكزينون (a) ملبةكريبتون قوسية (b) [5]...28 الشكل 8: الطرق املعتمدة لضخ قضيب ليزري Nd:YAG الشكل 9: أشكال الديودات الليزرية) emitter ;(a) )single بواسطة ملبة فالش )أشكال العواكس(: (c) )Stack( (b); )Bar( الشكل 10: البنية التفصيلية لطيف امتصاص بلورة Nd:YAG وتوافقه مع طيف إصدار ليزر GaAlA الشكل 11: خمطط توضيحي لطرق الضخ الليزرية الطوالنية:( a ) ضخ وحيد يف جماوب خطي بسيط ( b ) ضخ ثنائي يف جماوب على شكل (c) Z ضخ ثنائي يف جماوب حلقي الشكل 12 :خمطط توضيحي لطريقة الضخ الليزرية العرضانية:( a ) ضخ من طرفني ابستخدام نظام حمرقة 35 الشكل 6: املنحين املميز لليزر 36...Nd:YAG الشكل 13: خمطط توضيحي ملعامالت اجملاوب الليزري الشكل 14: تغري الربح والضياعات والنبضة الليزرية مع الزمن...42 الشكل 15 :نفوذية املاص القابل لإلشباعكتابع لكثافة الطاقة...44 الشكل 16: خمطط سوايت الطاقة لشاردة الكروم يف الياغ الشكل 17 طول موجة إصدار الديود عند درجة احلرارة ( 25(...52 الشكل 18: منحين استطاعة اخلرج الضوئية بداللة استطاعة الدخل الكهرابئية للديود الليزري...54 الشكل 19 الديود الليزري املستخدم الضخ الشكل 20: تغري طاقة الليزر بداللة عاكسية مرآة اخلرج

12 الشكل 21: تغيري طاقة اخلرج بداللة العاكسية من أجل ثالث قيم لنفوذية املاص القابل لإلشباع...57 الشكل : 22 تغيري طاقة اخلرج بداللة النفوذية من أجل ثالث قيم للعاكسية...57 الشكل 23: صورة الرتتيب التجرييب الليزري املستخدم:...59 الشكل 24: عرض نبضة الليزر...60 الشكل 25 :خمطط متثيلي حلجرة الضخ واجملاوب الليزري الشكل 26: منحين توزع الشدة للحزمة الناجتة الشكل 27: صورة حزمة الليزر الناتج...65 الشكل 28: منحين توزع الشدة الضوئية للحزمة اليت مت احلصول عليها الشكل 29: صورة منطقة الضخ (a) وبقعة اخلرج الليزرية (b) من أجل احلالة املثالية للمجاوب الشكل 30: صورة منطقة الضخ (a) وبقعة اخلرج الليزرية النظرية( b )...68 الشكل 31 يوضح صور الضخ املأخوذة من املناطق األربعة للضخ وصور الليزر عندكل منطقة من املناطق الشكل 32 : صور الضخ عندكل منطقة وصور الليزر النظري عندكل منطقة...70 الشكل 33: املنحين املميز لليزر...71 الشكل 34: منحين تغريات -ln(r) بداللة 72...Pin, th 12

13 فهرس اجلداول اجلدول 1 :أشهر ليزرات النيودمييوم وبعض مواصفاهتا الفيزايئية اجلدول 2: أشهر ليزرات احلالة الصلبة اجلدول 3: املواصفات الفيزايئية والضوئية لليزر YAG( 23...)Nd: جدول 4: األطوال املوجية إلصدار ليزر النيودمييوم ايغ...25 اجلدول 5: مقارنة بني الطريقة التقليدية والطريقة احلديثة للضخ اجلدول 6: املواصفات الفيزايئية لبلورة YAG) (...46 Cr4+: اجلدول 7: املعامالت املستخدمة يف معادالت الليزر بوجود املاص القابل لإلشباع...47 جدول 8: تغري طول موجة إصدار الليزر بداللة درجة احلرارة:...53 جدول 9: القيم النظرية اليت مت احلصول عليها من الربانمج...58 جدول 10: قيم استطاعة خرج الليزر [mw] بداللة عاكسية مرآة اخلرج جدول 11: نتائج قياس معامل التغطية ملناطق الضخ األربعة...69 جدول 12: قيم فعالية الضخ عند كل منطقة ضخ

14 الرموز: الرمز نصف قطر احلزمة الغوصي الطول املكافئ للمجاوب نصف قطر تقوس املرآة معامل فعالية التغطية فعالية االنتقال فعالية االمتصاص املردود الكمومي معامل ستوكس معامل نوعية احلزمة طاقة النبضة عرض النبضة استطاعة النبضة ميل منحين املميز لليزر طول املوجة استطاعة الدخل استطاعة اخلرج الداللة الفيزايئية ω 0 L e R η B η t η a η Q η s M 2 E p τ p P p σ s λ P in P out 14

15 الفصل األول القسم النظري 15

16 1. الفصل األول 1- مقدمة: يعترب الليزر منبع ضوئي خاص جدا ألنه يتمتع مبواصفات مميزة ال ميتلكها أي من املنابع الضوئية التقليدية. ترتبط مواصفات الليزر املميزة بشكل رئيسي آبلية اإلصدار احملثوث) Emission )Stimulated اليت اقرتحها العامل أينشتاين يف مطلع القرن العشرين لكنها مل تتحقق عمليا حىت قام العامل ثيودور هارولدميمان Maiman).T).H بتشغيل أول ليزر )ليزر الياقوت )Ruby laser عام 1960 وذلك أثناء عمله يف خمابر أحباث هيوز األمريكية.[2] )Hughes Research Laboratories) على الرغم من أن أول ليزركان ليزر صلب laser) (solid-state من النوع النبضي وذو استطاعة ضئيلة إال أن األحباث املتنوعة جعلت أنواع وتصاميم الليزرات تعمل يفكافة احلاالت )الصلبة السائلة الغازية( وتغطي طيف واسع من األطوال املوجية )فوق البنفسجي املرئي حتت األمحر امليليمرتي... ) وتصدر استطاعات خمتلفة مستمرة ونبضية )من امليللي واط وحىت الترياواط )W )TW=10 12 والبيتاواط )W )PW=10 15 وتصدر بشكل مستمر أو/و نبضي حيث يرتاوح زمن النبضات من امليلي اثنية وحىت الفمتواثنية )s 10( 15- ويوجد أحباث حاليا يف جمال األتواثنية s).[3] atto second (10 18 يتألف الليزر تصميميا من ثالثة مكوانت أساسيةكما يظهر يف الشكل 1: الوسط الفعال.Active Medium وحدة الضخ.Pumping Unit جماوب.Resonator تنوعت األوساط الفعالة ومشلت كافة احلاالت الفيزايئية للمادة بدءا من احلالة الصلبة )كحالة ليزر النيودمييوم ايغ Nd: YAG موضوع األطروحة( واحلالة السائلة )كحالة الليزرات الصبغية )Dye Lasers انتهاء ابحلالة الغازية )كحالة ليزرات غاز الكربون CO 2 Lasers أو ليزرات االكسيمري.)Excimer Lasers يتألف الوسط الفعال 16

17 من وسط مضيف )مادة لإلصدار احملثوث. حاضنة )host material حيتوي العنصر الفعال الذي متثل انتقاالته الطاقية أساسا الشكل 1: خمطط عام ملكوانت ليزر Nd:YAG فمثال الوسط الفعال يف ليزر النيودمييوم ايغ يتألف من بلورة الياغ ( YAG )كوسط حاضن حيتوي شوارد النيودمييوم Nd 3+ اليت هي العنصر الفعال. يبني الشكل 2 خمطط مبسط للمستوايت الطاقية لشاردة النيودمييوم حيث يظهر أن طول موجة اإلصدار الرئيسية لليزر النيودمييوم ايغ 1.064µm) λ) = انجتة عن االنتقال الطاقي: 4 F3 2 I مع تنوع األوساط الفعالة وتصاميم الليزر تنوعت طرق الضخ فوحدة الضخ تقوم بتأمني طاقة الدخل اليت هتيج الوسط الفعال وجتعله جاهزا لعملية اإلصدار احملثوث فمثال من أجل ضخ ليزر النيودمييوم ايغ جيب أتمني منبع ضوئي له حزمة إصدار يف اجملال الطيفي حول طويل املوجة µm) λ) = 0.73 أو µm) λ ) حيث = يتضح من الشكل 2 أن شاردة النيودمييوم هلا حزميت امتصاص أساسيتني تتمركزان حول طويل املوجة املذكورين. 17

18 الشكل 2: خمطط عام لالنتقاالت الطاقية يف ليزر [2] Nd:YAG أما اجملاوابت الليزرية فدورها األساسي هو تشكيل حزمة اخلرج الليزرية وتضخيمها وحتديد مواصفاهتا األساسية: استطاعة )طاقة( تباعد معامل نوعية حزمة وتوزع الطاقة )االستطاعة( ضمن البقعة الليزرية. تنقسم اجملاوابت الليزرية حسب تصميمها إىل نوعني أساسيني: جماوابت مستقرة Stable Resonators وجماوابت غري مستقرة.Unstable Resonators عادة ما يتم يف ليزرات النيودمييوم ايغ استخدام جماوابت من النوع املستقر وخاصة جماوب فابري_بريو Fabry-Perot وهو جماوب ليزري خطي ذي مرآتني مستويتني [4]. يعترب ليزر النيودمييوم ايغ من أشهر أنواع ليزرات احلالة الصلبة وأكثرها انتشارا واستخداما يف العديد من التطبيقات الصناعية الطبية العلمية والعسكرية [3,5]. ميكن لليزر النيودمييوم ايغ العمل ابلنمط النبضي أو املستمر وله العديد من املواصفات الفريدة اليت سنعرضها الحقا. أحد أهم حماور تطوير هذه الليزرات هو حتسني فعالية الضخ حيث تتم عملية الضخ بشكل تقليدي ابستخدام منابع غري مرتابطة وهذا ما جيعل فعالية هذه الليزرات ال تتجاوز 3% بينما تشري نتائج األحباث املستمرة حىت اآلن يف هذا اجملال أنه وابستخدام منابع مرتابطة )ديودات ليزرية( للضخ ميكن أن تتجاوز فعالية هذه الليزرات مستوى 25% ابإلضافة إىل العديد من امليزات اهلامةكتحسني نوعية احلزمة التقليل من اإلجهاد احلراري )ابلتايل إمكانية زايدة تردد نبضات الليزر( تقليل عتبة اإلصدار ابإلضافة إىل احلصول على تصاميم مدجمة وخفيفة وطويلة العمر. فتحت التطويرات املذكورة أعاله اجملال واسعا أمام جيل جديد من ليزرات 18

19 احلالة الصلبة: ليزرات احلالة الصلبة ذات الضخ ابلديودات الليزرية أو ما يسمى Lasers) [20 Pumped Solid-State,10]. اجلدير ابلذكر أن أول من عرض إمكانية ضخ اختصارا DPSSL(Diode- الليزرات الصلبة بواسطة الديودات الليزريةكان نيومان [6] حيث أثبت أن استخدام الديود GaAs( بطول موجة إصدار 880= )nm ميكن أن يثري فلورة حول طول املوجة 1.06 µm بلورة يف Nd:CaWO 4 وبني فوائد استخدام الديود الليزري يف الضخ بدال عن اللمبات التقليدية. لكن روس [ 7 ]كان أول من عرض ليزر Nd:YAG يضخ ابلديودات الليزرية وأظهر ميزات الليزرات.DPSSL بدأ التطور احلقيقي هلذه اجليل من الليزرات فعليا مع مطلع تسعينيات القرن املاضي وذلك كنتيجة طبيعية للتطور اهلائل يف تكنولوجيات الديودات الليزرية عالية CLEO عام املنعقد يف مستمرة.[9]121 W 1992 عرض اخلرباء األمريكان مصفوفة ديودات ليزرية بطول 1 cm االستطاعة ففي مؤمتر وتصدر استطاعة 2 -ليزر النيودمييوم ايغ )Nd:YAG( ذي الضخ ابلديودات الليزرية: 1-2- مدخل إىل ليزرات اجلسم الصلب: تعترب الليزرات الصلبة من أوىل الليزرات اليت مت تصميمها )ليزر الياقوت 1960( يتكون الوسط الليزري الفعال يف هذه الليزرات من بلورات أو من مواد مصنوعة من الزجاج تدعى ابملادة املضيفة مشابة بشوارد فعالة تتوضع برتاكيز حمددة ضمنها يتم احلصول على هذه الشوارد من املعادن االنتقالية واملعادن النادرة. تضخ ليزرات اجلسم الصلب ضوئيا وذلك ابستخدام منابع ضوئية ذات خصائص معينة وطيف إصدار يقع ضمن حزم أو نطاقات امتصاص الشاردة الفعالة املوجودة ضمن الوسط الفعال فتصدر أشعة ليزرية تقع ضمن جمال الطيف املرئي وجمال ما حتت األمحر. تتميز ليزرات اجلسم الصلب بشكل عام مبيزتني أساسيتني: التصميم التقين والرتكيب البسيط والسهل نسبيا. توليد نبضات ليزرية ذات استطاعات عالية. تعترب ليزرات النيودمييوم material) (Nd : host أكثر الليزرات شهرة وانتشارا بني ليزرات احلالة الصلبة وعادة ما تكون املادة احلاضنة يف ليزرات النيودمييوم هي بلورة YAG( Y 3 Al 5 O 12 اختصارا لعبارة Yttrium 19

20 )Aluminum Garnet واليت يتم فيها استبدال بعض شوارد Y 3+ بشوارد +3.Nd ابإلضافة إىل املادة احلاضنة املذكورة يستخدم أيضا يف بعض األحيان عدد من املواد البديلة ذات املواصفات اخلاصة واملالئمة لبعض التطبيقات وأمهها:.YVO 4 (YVO) YLiF 4 (YLF) Glass يبني اجلدول 1 بعض املميزات األساسية ملختلف ليزرات النيودمييوم املعروفة [3]. تتميز املادة احلاضنة YLF خبواصها البصرية و احلرارية العالية مقارنة مع مادة YAG مما جيعل ليزرات Nd:YLF أكثر استقرارا من ليزرات Nd:YAG حراراي وخاصة فيما يتعلق ابلعدسة احلرارية الناجتة عن استطاعة الضخ العالية أو االنكسار املضاعف الناتج عن اإلجهاد احلراري. تتمتع ليزرات Nd:YLF اليت يتم ضخها بلمبات الفالش بنوعية حزمة غوصية أعلى واستطاعة أعلى من تلك الناجتة عن ليزرات Nd:YAG وحتديدا ذات اإلصدار املستمر.CW اجلدول 1 :أشهر ليزرات النيودمييوم وبعض مواصفاهتا الفيزايئية [3]. (W/m K) (µs) n e (10 19 cm 2 ) 0 (cm 1 ) λ (µm) الليزر Nd:YAG Nd:Glass (phosphate) (o) (e) Nd:YLF (o) (e) Nd:YVO 4 :عرض 0 اخلط الطيفي :مقطع e اإلصدار احملثوث n :قرينة االنكسار :عمر λ: طول موجة اإلصدار املستوى الليزري األعلى : الناقلية احلرارية. كما تتميز ليزرات Nd:YLF بعرض خط إصدار طيفي أكرب بثالث مرات مما جيعلها مميزة يف حاالت إصدار النبضات القصرية الناجتة عن قفل األمناط. لكن خواصها امليكانيكية واحلرارية-امليكانيكية أسوأ بكثري من مادة 20

21 YAG وهذا ما جيعل التشغيل امليكانيكي للقضبان الليزرية من مادة YLF صعبا جدا. أما فيما خيص املادة احلاضنة YVO 4 فإن معامل تضخيم الوسط فيها أكرب بثالث مرات من مادة YAG وهذا ما جيعلها أقل حساسية لضياعات اجملاوب الليزري. علما أن عتبة اإلصدار الليزري واحدة تقريبا لكال املادتني. اجلدير ابلذكر أن ليزر Nd:YVO 4 ذي ضخ حموري ابلديودات الليزرية وابستطاعة مستمرة 15W متوفر منذ فرتة يف األسواق أما ابلنسبة للمادة احلاضنة املصنعة من زجاج الفوسفات Glass) (Phosphate تظهر أن عرض اخلط الطيفي أكرب أبربعني مرة من مادة الياغ ابلتايل تعطي ليزرات Nd:Glass )يف منط اإلصدار املتزامن األمناط( نبضات أقصر بكثري تصل حىت 100 fs على الرغم من أن مقطع اإلصدار احملثوث أقل بكثري من الياغ إال أهنا ميزة كبرية فيما خيص ظاهرة تضخيم اإلصدار التلقائي ASE حيث تكون أيضا عتبة إصداره عالية مما جيعل مادة الزجاج مميزة من أجل الطاقات العالية. لكن السلبية الرئيسية هلذه املادة هي الناقلية احلرارية القليلة: أقل بعشر مرات من الناقلية احلرارية ملادة الياغ لذلك يقتصر عملها على الليزرات ذات تردد النبضات القليل )أقل من 5Hz (.يبني اجلدول 2 قائمة أبشهر ليزرات احلالة الصلبة[ 3,5 ]. 21

22 اجلدول 2: أشهر ليزرات احلالة الصلبة. الليزر املادة الفعالة املادة احلاضنة طول موجة اإلصدار (µm) / Al 2 O 3 Cr 3+ الياقوت Ruby 2.94 YAG Er 3+ Er:YAG 1.03 YAG Yb 3+ Yb:YAG 1.54 YAG Yb 3+ Er 3+ Yb:Er:YAG YAG Tm 3+ Ho 3+ Tm:Ho:YAG 0.76 BeAl 2 O 4 Cr 3+ Alexandrite 0.79 Al 2 O 3 Ti 3+ Ti:sapphire 0.85 LiSrAlF 4 Cr 3+ Cr:LISAF 0.78 LiCaAlF 6 Cr 3+ Cr:LICAF 1.9 MgF 2 Co 4+ Co:MgF Mg 2 SiO 4 Cr 4+ Cr:Forsterite 1.45 YAG Cr 4+ Cr:YAG 2-2- ليزر نيودميوم ايغ :Nd: YAG يستخدم ليزر النيودمييوم ايغ بنمطي العمل النبضي واملستمر يف العديد من التطبيقات الصناعية الطبية العلمية والعسكرية. ففي التطبيقات الصناعية يستخدم ليزر ابستطاعة متوسطة 1 2 kw يف اللحام الليزري ( Welding ) حيث يتم حمرقة احلزمة إىل قطر يرتاوح يف اجملالmm لتأمني خط حلام دقيق يف خمتلف املعادن.كذلك يستخدم يف التثقيب الليزري( Drilling )حيث تكون مواصفات الليزركالتايل: ليزر نبضي ترددي ابستطاعة وسطية W بعرض نبضة يرتاوح يف اجملال 1 10 ms وتردد نبضات Hz 22

23 )ابلتايل طاقة النبضة 5(. 10 J أما يف التطبيقات الطبية فاستخداماته أكثر تنوعا كونه يتميز بطول موجة سهلة االنتشار يف األلياف البصرية: ففي عمليات اجلراحة االنكسارية يف العني يستخدم ليزر بعرض نبضة 30ps وطاقة ال تتجاوز 1mJ من أجل معاجلة عتامة اجلسم البللوري )Cataract) ومن أجل معاجلة زرق العني (Glaucoma) يستخدم ليزر بعرض نبضة من مرتبةns 7 وطاقة ال تتجاوز 1mJ شريطة أن يكون قطر البقعة املتمحرقة ال يتجاوز 50. µm النقطة اهلامة جدا هو أن هذا الليزر حل مؤخرا حمل ليزر شوارد األرغون )األخضر( بكافة تطبيقاته املعروفة اترخييا وأمهها يف معاجلة شبكية العني. طبعا هذا الليزر مستمر CW ويعمل على التوافقية الثانية nm) λ) = 532 وذي ضخ ابلديودات الليزرية وابستطاعة وسطية تصل حىت 10Wابلتايل مت االستعاضة عن ليزر شوارد األرغون بكل تعقيداته التقنية واالستثمارية بليزر مدمج ومكوانت صلبة وذي عمر مديد ووثوقية عالية. امليزات الفريدة اليت تتمتع هبا بلورة النيودمييوم ايغ جعلت هذا الليزر يشغل أكثر من 70% من سوق ليزرات احلالة الصلبة. السلبية الوحيدة هي صعوبة تنمية قضبان ليزرية أببعادكبرية مع احلفاظ على التجانس البصري. يبني اجلدول 3 أهم اخلصائص الفيزايئية لليزر.Nd:YAG اجلدول 3: املواصفات الفيزايئية والضوئية لليزر YAG( )Nd: Y 3 Al 5 O 12 n = 1.82 ; λ = 1.0μm σ 21 = cm 2 σ = cm μs hν = J الصيغة الكيميائية قرينة االنكسار مقطع اإلصدار احملثوث 4 F3 2 R 2 Y 3 4 I 11 2 عمر السوية الليزرية العليا طاقة الفوتون عند طول املوجة 1 μm خمطط املستوايت الطاقية يف ليزر النيودمييوم ايغ: يندرج ليزر النيودمييوم ايغ ضمن الفعالة يف هذا الليزر هي شاردة النيودمييوم الثالثية فئة ليزرات شوارد األتربة النادرة Rare Earth Ion Lasers حيث أن املادة 23 Nd 3+ واليت تتميز أبن اإللكرتوانت الفعالة ضوئيا هي اإللكرتوانت

24 حتت السطحية )4f( وابلتايل تكون حممية من أتثري احلقل البلوري مما يعطي عرض خط إصدار ضيق نسبيا وابلتايل عتبة إصدار منخفضة نسبيا وربح عايل. يعترب ليزر النيودمييوم ايغ ليزر ذي أربعة مستوايت طاقية وهي [1]: 4 F 3 2 املستوى الليزري األعلى( Level :(Upper Laser 4 I 11 2 املستوى الليزري األدىن( Level :(Lower Laser 4 I 9 2 : املستوى األساسي أو األرضي( State (Ground 4 4 [ S 3, 4 مستوى )حزمة( الضخ Bands) 7 :(Pumping و [ F 5 2 ], 4. H 9 2 ] 2 2 يظهر الشكل 3 البنية التفصيلية للمستوايت الطاقية حيث يتفرع املستوى الليزري األعلى إىل مستويني R 1 و R 2 ويتميز بعمر حياة μs( 230( طويل جدا مقارنة مع زمن االسرتخاء غري املشع.non-radiative relaxation فإن املستوى كذلك مستوايتZ1 Z5 الليزري األدىن يتفرع إىل ستة مستوايتY1 Y6 واملستوى األرضي يتفرع إىل مخسة وكالها يف حالة توازن حراري بناء على توزع بولتزمان ابإلضافة إىل أن زمن االسرتخاء غري املشع بني املستويني سريع جدا من مرتبة عدة مئات من البيكو اثنية وبناء عليه ميكن اعتبار املستوى الليزري األدىن فارغ دائما وابلتايل شرط عكس األهلية متحقق بشكل دائم بناء على وفعال. ما سبق فإن االنتقاالت الطاقية املسؤولة عن اإلصدار الليزري هي أربعةكما هو مبني يف اجلدول 4 لكن االنتقال األقوى كما هو مبني على الشكل 4 هو االنتقال الطاقي األول( µm λ) = لذلك فإن ليزرات النيودمييوم ايغ تعرف بطول موجة إصدارها املذكور. اخلط الطيفي متجانس التعريض homogeneously broadened وعرضه يف درجة حرارة الغرفة يساوي. = 120 GHz (0.45 nm) 24

25 الشكل 3: خمطط تفصيلي للمستوايت الطاقية يف ليزر [2]. Nd:YAG جدول 4: األطوال املوجية إلصدار ليزر النيودمييوم ايغ e ( cm 2 ) λ (µm) F3 2 4 F3 2 4 F3 2 4 F3 2 االنتقال الطاقي 4 I I I I

26 الشكل 4: مقطع اإلصدار احملثوث لكافة االنتقاالت الطاقية يف ليزرNd:YAG [2]. طرق الضخ 3-2- الضوئي: إن اختيار مصدر الضخ يؤثر بشكلكبري على الكفاءة الكلية للنظام بدءا من طاقة اإلدخال الكهرابئية إىل طاقة اخلرج الضوئية ونوعية احلزمة عالوة على ذلك فإنه يؤثر على مرونة تصميم الليزر وحتديد بيئة التشغيل الكلي. يتم ضخ ليزر النيودمييوم ايغ كأي ليزر حالة صلبة ضوئيا pumping) (optical أساسيتني: وذلك ابستخدام طريقتني األوىل: الطريقة التقليدية ابستخدام منابع ضوئية غري مرتابطة sources).)incoherent optical الثانية: الطريقة احلديثة ابستخدام منابع ضوئية مرتابطة sources).(coherent optical مازالت الطريقة الثانية موضوع الكثري من األحباث وموضوع األطروحة يندرج حتتها لذلك سنستعرضها الحقا من خالل نتائج األطروحة بينما سنستعرض يف هذه الفقرة الطريقة األوىل كوهنا التقليدية ونتائجها وصلت إىل حدودها 26

27 القصوى يفكل األحوال تعتمدكل من الطريقتني على أن بلورة النيودمييوم ايغ هلا منحين امتصاص مميز يتبني من الشكل 5 أن حزمة االمتصاص الرئيسية ترتكز حول طويل املوجة µm) λ) = 0.73 و حيث µm) λ) = 0.8 ابلتايل فأي منبع ضوئي للضخ سواء كان مرتابطا أو غري مرتابط جيب أن يكون طيف إصداره متوافقا مع هاتني احلزمتني. الشكل 5: منحين االمتصاص املميز لليزر Nd-YAG الطريقة التقليدية يف الضخ الضوئي: يتم يف هذه الطريقة استخدام ملبات فالش Flash Lamp أو ملبات انفراغ قوسي.Arc Lamp يف حالة الليزرات املستمرة تستخدم ملبات قوسية ذات انفراغ مستمر ضمن غاز الكريبتون Kr ذي الضغط 1-8 atm بينما من أجل الليزرات النبضية تستخدم ملبات فالش ذات انفراغ نبضي ضمن غاز الكزينون Xe أو الكريبتون ذي ضغط منخفض ومتوسط mmhg يبني الشكل 6-a طيف إصدار ملبة فالشكزينون ذي الضغط بينما يبني الشكل 6-b و A/cm ومن أجل قيمتني لكثافة التيار A/cm mmhg طيف إصدار ملبةكريبتون قوسية ذات ضغط 4 atm من أجلكثافة التيار 80 A/cm 2 يظهر على الشكل توافق طيف إصدار اللمبة القوسية املذكورة مع حزمة االمتصاص املتمركزة حوايل 0.8. µm 27

28 الشكل 6: طيف إصدار ملبة فالشكزينون (a) ملبةكريبتون قوسية (b) [5]. يف كل األحوال ومن أجل أمثلة معامالت الضخ ابستخدام الطريقة التقليدية يتم إجراء منذجة للمبات الضخ املختلفة أبسطوانة هلا توضع نسيب مقارنة مع األسطوانة األخرى )القضيب الليزري( اللتني توضعان ضمن عاكس ذي تصميم خاص حبيث يعمل على إسقاط كافة االستطاعة الضوئية الصادرة عن اللمبة على القضيب الليزري بشكل متجانس. يبني الشكل 8 عدة مناذج من أجل زايدة فعالية الضخ وحتسني التجانس إال أن التجانس يبقى سيئا يفكل األحوال وخاصة عندما تزداد طاقة الضخ يف ليزرات االستطاعة )الشكل 7-c و الشكل 7-d(. a b c d الشكل 7: الطرق املعتمدة لضخ قضيب ليزري Nd:YAG بواسطة ملبة فالش )أشكال العواكس( [5]: a) ملبة وعاكس قطع انقص (b) ملبة واقرتان قريب (c) ملبتني وعاكس قطع انقص (d) ملبتني واقرتان قريب. 28

29 ميكننا القول أن الضخ ابلطرق التقليدية يتمتع مبيزتني أساسيتني األوىل هي أهنا رخيصة الثمن نسبيا والثانية هي مردودها الكهرضوئي العايل حيث يصل ابلنسبة للمبات الكريبتون إىل 70% أما السلبيات فعديدة وأمهها: فعالية الضخ قليلة جدا ال تتجاوز 3% وذلك بسبب طيف إصدار ملبات الضخ الواسع الطيف والذي ميتص منه فقط جزء صغري )وهو الطيف الواقع ضمن حزمة امتصاص الوسط الفعال لليزر(. اجلزء الكبري من طيف إصدار ملبات الضخ غري املمتص يتحول إىل طاقة حرارية يف الوسط الليزري الفعال ويعيق ابحملصلة إمكانية توليد حزم ليزرية ذات نوعية جيدة. يتطلب تشغيل ملبات الضخ استخدام دارات ضخ كهرابئية ذات جهد عايل مما جيعل التعامل معها غري آمن ومعقد نسبيا. عمرها حمدود ابلتايل تصبح الليزرات بسببها حباجة إىل إجراءات صيانة متكررة. الطريقة احلديثة يف الضخ الضوئي: عندما نقول "أبن طريقة الضخ ابلديودات الليزرية هي طريقة حديثة وقيد البحث" أنخذ بعني االعتبار حقيقة أن طريقة ضخ ليزر ابستخدام ليزر آخر هي طريقة معروفة ومعتمدة منذ زمن بعيد حيثكان يضخ الليزر الصبغي بليزر اآلزوت مثال أو ضخ ليزر التيتانيوم سفري )الشهري جدا واملستخدم حاليا يف جمال الفمتو اثنية( ابستخدام التوافقية الثانية من ليزر النيودمييوم ايغ. لكن احلداثة والقفزة النوعية هي ابستخدام ليزرات نصف انقلة )متطورة ومازالت قيد التطوير( ذات مواصفات خاصة جدا من حيث االستطاعة وطيف اإلصدار وغريها من املواصفات اليت سنستعرضها الحقا. على الرغم من أن الديودات الليزرية ذاهتاكانت معروفة مبكرا أبهنا الطريقة األكثر فعالية لضخ الليزرات الصلبة إال أن هناك عدة معوقات منعت استخدامها أو إجراء أحباث عليها آنذاك وحىت منتصف التسعينات. أهم هذه املعوقات: عدم توفر ديودات ليزرية ذات استطاعة عالية وذات نوعية حزمة جيدة وأبطوال موجية مناسبة وأخريا الكلفة العالية. مع التطور اهلائل يف تكنولوجيا أنصاف النواقل واألحباث اليت أفضت إىل تغيريات نوعية يف بنية الديودات وآليات تشكيل احلزم الليزرية أصبح هذا اجملال )ضخ الليزرات الصلبة ابلديودات الليزرية( ذي آفاق مفتوحة. 29

30 تتكون الديودات الليزرية بشكل أساسي من وصلة (p n) عند تطبيق احنياز أمامي على الوصلة )أي وصل نصف الناقل n جبهد سالب ووصل نصف الناقل p جبهد موجب( تنتقل االلكرتوانت والثقوب إىل منطقة الوصلة حيث حيدث إعادة احتاد بني االلكرتوانت والثقوب ينتج عن ذلك إصدار طاقة على شكل فوتوانت بطول موجة يتعلق ابلفجوة الطاقية بني عصابيت التكافؤ والناقلية. λ = h.c E g (2) E: g سرعة الضوء يف اخلالء c: اثبت بالنك h: الفجوة الطاقية بني عصابيت التكافؤ والناقلية بتغيري املواد النصف الناقلة املشكلة للوصلة (n p) وابلتايل تغيري قيمة الفجوة الطاقية نستطيع احلصول على أطوال موجية خمتلفة, وبشكل عام املواد األكثر فائدة اليت مت استخدامها GaAs InP واليت تنتج أطوال موجية: GaAs ( )nm ; InP ( )nm اآلن وبعد سنوات من األحباث والتطورات اهلائلة اليت حدثت يف بنية الديودات الليزرية أصبح إبمكان املستثمر انتقاء الديودات املناسبة لتطبيقاته وفقا ملتطلبات االستطاعة اليت حيتاجها التطبيق [2]. يبني الشكل 8 األشكال املتوفرة للديودات الليزرية واليت تبدأ من مرسل وحيد emitter( (a))single يتكون من منطقة فعالة واحدة أببعاد μm) ( وينتج استطاعة تصل حىت (2W) لزايدة االستطاعة يتم جتميع عدة مرسالت مع بعضها عادة لتشكل صف من املرسالت أو ما يدعى (b))bar( وينتج استطاعة مستمرة (50W 10) من منطقة أبعادها 1μm) (1cm يتم احلصول على املستوى األعلى من االستطاعة من خالل جتميع عدة صفوف من املرسالت مع بعضها لتشكل مصفوفة من املرسالت أو ما يدعى )Stack( (c) ختتلف االستطاعة الناجتة ابختالف عدد صفوف املرسالت املستخدمة. إن استخدام الديودات الليزرية يف الضخ يتم ابستخدام أسلوبني رئيسني: األول: بشكل طوالين )حموري أو خلفي( أو ما يسمى ابألدبيات End) Longitudinal (Axial, Pump.Transverse (Side) Pump الثاين: بشكل عرضاين )جانيب( أو ما يسمى ابألدبيات 30

31 املقصود هنا أبسلوب الضخ أو مايسمى هندسة الضخ geometry) (pumping سو اء طوالين أم عرضاين هو اجتاه حمور حزمة الضخ )الديود الليزري( مقارنة مع اجتاه احملور البصري للمجاوب الليزري )حمور القضيب الليزري(. أاي كانت طريقة الضخ الليزرية )طوالنية أم عرضانية( فإن الشرط األساسي هو أتمني ديود ليزري يتمتع ابملواصفات األساسية التالية: طول موجة إصدار تقع يف مركز حزمة امتصاص بلورة الليزر عرض خط إصدار الليزر أصغر من عرض حزمة امتصاص البلورة استطاعة مناسبة لليزر املطلوب تصميمه استقرار حراري لطول موجة إصدار الديود الليزري. يبني الشكل 9 البنية التفصيلية لطيف امتصاص بلورة النيودمييوم ايغ حول حزمة االمتصاص 0.8 µm حيث يظهر أن قمة االمتصاص تقع متاما عند طول املوجة 808 nm وعرض حزمة االمتصاص حوهلا أقل من.2 nm ابلتايل فالديود الليزري املثايل لضخ ليزر النيودمييوم ايغ هو Ga 0.91 Al 0.09 As/Al 0.3 Ga 0.7 As طول موجة إصداره املركزية λ = 808nm وعرض خط اإلصدار يرتاوح يف اجملال. λ = 1 2nm (c) )Stack( (b); )Bar( الشكل 8: أشكال الديودات الليزرية) emitter ;(a) )single 31

32 الشكل 9: البنية التفصيلية لطيف امتصاص بلورة Nd:YAG وتوافقه مع طيف إصدار ليزر [5]. GaAlAs يبني الشكل 10 الطرق املختلفة للضخ الليزري الطوالنية حيث تكون حزمة الضخ متمحورة مع حزمة اإلصدار الليزري. غالبا ما تطبق هذه الطرق يف حالة القضبان الليزرية Rods) (Laser وهي اخليار املثايل من أجل احلصول على فعالية عالية وكذلك حزمة ليزرية ذات نوعية جيدة. يتم يف هذ الطريقة حقن حزمة الضخ يف الوسط بواسطة نظام بصري للمحرقة أو عن طريق ألياف بصرية: حبيث يكون عنق احلزمة املتمحرقة يف الوسط الفعال أصغر من قطره ابإلضافة إىل أتمني شكل دائري. على الرغم من فعالية هذه الطريقة ونوعية احلزمة الليزرية إال أهنا تعاين من الكثري من املشاكل احلرجة وأمهها: حمدودية استطاعة اخلرج بسبب حمدودية حجم منطقة الضخ وكذلك األفعال احلرارية. فالتوزع احلراري ضمن الوسط الفعال غري متجانس: ففي بداية القضيب الليزري تكون احلرارة أكرب من هنايته. مت ابستخدام هذه الطريقة احلصول على حزمة غوصية TEMذات 00 استطاعة ال تزيد عن [8] 15W حيثكانت فعالية التحويل الضوئي-الضوئي 50% وفعالية حتويل حزمة الضخ إىل الوسط الفعال 85%. بينما وصلت االستطاعة األعظمية يف منط اإلصدار املتعدد إىل 407 W [ 9 ]حيث كانت الفعالية الضوئية-الضوئية.54% 32

33 a b c الشكل 10: خمطط توضيحي لطرق الضخ الليزرية الطوالنية:( a ) ضخ وحيد يف جماوب خطي بسيط ( b ) ضخ ثنائي يف جماوب على شكل (c) Z ضخ ثنائي يف جماوب حلقي. 33

34 على عكس الضخ الطوالين فإن االستطاعة يف الضخ اجلانيب وصلت إىل حدود غري مسبوقة )من مرتبة عدة كيلوواطات( وبعضها مسوق جتاراي كليزر ابستطاعة 16kW من انتاج شركة Trumpf األملانية [10]. ابإلضافة إىل أن الضخ اجلانيب مناسب ليس فقط للقضبان الليزرية بل لألقراص Disks والشرائح Slabs ولكن السلبية الرئيسية هلذه الطريقة هو نوعية حزمة. يبني الشكل 11 خمطط توضيحي لضخ القضيب الليزري جانبيا من طرفني علما أن السيناريوهات املنفذة متعددة: ضخ من عدة جوانب ابستخدام حمرقة أو بدوهنا ابستخدام عواكس أم بدوهنا ابستخدام ألياف أم بدوهنا مت ابستخدام هذه الطريقة احلصول على حزمة غوصية تصل حىت 208W حيثكانت فعالية الكلية % 8]~7.6 ]يبني اجلدول 5 وطريقة الضخ احلديثة. اجلدول 5: مقارنة بني الطريقة التقليدية والطريقة احلديثة للضخ [5] TEM 00 ذات استطاعة دراسة مقارنة بني الطريقة التقليدية الديودات الليزرية h 2 4 V ضيق( 3nm ~) 30 50% ~100% ~30 املصابيح النبضية h 2 5 KV عريض 60 70% 4 8% ~3% عمر التشغيل اجلهد الالزم للعمل اإلصدار الطيفي الفعالية الكهرضوئية فعالية االنتقال الفعالية الكلية للضخ 34

35 a الديودات الليزرية الفعال b حزمة خرج الليزر الوسط الفعال مرآة اخلرج املرآة اخللفية الشكل 11 :خمطط توضيحي لطريقة الضخ الليزرية العرضانية:( a ) ضخ من طرفني ابستخدام نظام حمرقة.(b) ضخ من طرفني بدون نظام حمرقة 35

36 جتدر اإلشارة أنه يتم توصيف حزمة الليزر عادة بطرق خمتلفة وذلك وفقا ألهداف البحث أو التطبيق املنشود. لكن يعترب املنحين املميز لليزر ( الشكل 12( الذي ميثل تغريات استطاعة اخلرج بداللة استطاعة الدخل الكهرابئية أول وأهم هذه الطرق والذي يعطى ابلعالقة [5]: P out = s ( P in P th ) (1) حيث أن: :P in :P out الكلية efficiency) (slope استطاعة خرج الليزر) W ( الدخل استطاعة : s فعالية الليزر : استطاعة عتبة اإلصدار الليزري )W(. P th )W( P out s 0 P th P in الشكل 12: املنحين املميز لليزرNd:YAG [2]. تساوي القيمة النظرية )العظمى( ملعامل الفعالية الكلي ابلنسبة s لليزر النيودمييوم ايغ( µm λ) Laser = ذو الضخ بليزر ديود µm) λ) Pump = %~ بينما ال تتجاوز هذه القيمة عمليا 30%~ ويف حال كان ضخ الليزر بطرق تقليدية )ملبات فالش وسواها من املنابع الضوئية غري املرتابطة( فإن هذه القيمة ال تتجاوز 3% [5]. 36

37 3- معامل فعالية التغطية بني الضخ والنمط الليزري: يعرب معامل فعالية التغطية Efficiency( )Overlapping عن مقدار التقاطع املكاين بني الضخ )الربح( والنمط الليزري املتولد ويعترب من أهم العوامل اليت حتدد فعالية الليزر ونوعية حزمة اخلرج وخاصة يف حالة الضخ اجلانيب. فمن أجل احلصول على منط غوصي جيب أن يتم الضخ يف منطقة النمط الغوصي حيث أن كل طاقة الضخ اليت تقع خارج منطقة النمط ستتحول إىل حرارة تشوه شكل احلزمة الليزرية. يف حالة الضخ اخللفي تكون قيمة هذا املعامل تكون عالية جدا )تقريبا 95%( وذلك إلمكانية التحكم يف حقن الضخ ضمن منطقة النمط الغاوصي متاما. بينما يرتافق توليد حزمة بنوعية جيدة يف الضخ اجلانيب مبردود منخفض مقارنة ابلضخ اخللفي والسبب األساسي يف ذلك هو التناقص األسي لطاقة الضخ من حميط الوسط الفعال إىل مركزه مما جيعل قيمة معامل فعالية التغطية بني الضخ والنمط الغوصي منخفضة وابلتايل مردود منخفض. يعطى معامل فعالية التغطية ابلعالقة[ 5 ] : η B = gain (r).i(r).2πrdr gain 2 (r).2πrdr (3) حيث: (r) :gain اتبع توزع الشدة الضوئية للربح يف الوسط الفعال. :I(r) اتبع توزع الشدة الضوئية للنمط الليزري ضمن الوسط الفعال. متت دراسة أتثري مدى االنطباق بني الضخ والنمط الليزري على املردود الكلي لعملية الضخ وعلى عتبة التشغيل يف العديد من [11,12,13,14,15] الدراسات لكن هذه الدراسات كانت تعاين من عدة مشكالت حيث يعترب بعضها حجم النمط الليزري متغري على طول الوسط الفعال [11] بينما يعترب حجم الضخ نفسه على طول الوسط [12] الفعال وبعضها اآلخر أيخذ حالتني األوىل يعترب حجم النمط اثبت على طول الوسط الفعال بينما الضخ متغري مث يعاجل حالة حجم النمط املتغري على طول الوسط الفعال والضخ اثبت وأغلب الدراسات اليت أتخذ تغري حجم الضخ ابالعتباركانت تعاجل مسألة الضخ اخللفي وهي احلالة األبسط[ 13,14,15 ]. 37

38 يف هذا العمل سنقرتح طريقة جتريبية دقيقة لقياس معامل فعالية التغطية يف حالة الضخ اجلانيب تغريكل من حجم النمط الليزري وحجم الضخ على طول الوسط الفعال بعني االعتبار. أتخذ هذه الطريقة -1-3 اجملاوب الليزري ونوعية احلزمة الليزرية يتم حتديد نوعية احلزمة الليزرية :[4] Beam Quality بعدة مقادير مرتبطة ابحملصلة بعضها ببعض لكن أكثرها شهر ة وانتشارا وأمهية هو معامل نوعية احلزمة (Beam quality factor) M 2 والذي يعرف أبنه النسبة بني زاوية تباعد احلزمة احلقيقية مضرواب بقطرها إىل زاوية تباعد احلزمة احملدودة ابالنعراج مضرواب بقطرها Diffraction-limited beam ويعطى ابلعالقة التالية: M 2 = θω θ 0 ω 0 (4) حيث: : 0 تباعد احلزمة الليزرية الغوصية : نصف قطر احلزمة الغوصية. تباعد احلزمة الليزرية احلقيقة ω: نصف قطر احلزمة احلقيقية ω: 0 بناء على ما سبق فإن قيمة قياس معامل نوعية احلزمة M 2 M 2 دائما أكرب أو تساوي 1 )تساوي 1 فقط من أجل احلزمة الغوصية(. من أجل نقوم مبحرقة احلزمة الليزرية ابستخدام عدسة ذات بعد حمرقي حمدد f وخالية من العيوب البصرية )الزيوغ..( وبعد قياس قطر البقعة األصغري للحزمة يف احملرق حنسب M 2 من العالقة [5]: M 2 = d 0d 1 4 f λ (5) حيث: العدسة. d: 0 قطر احلزمة الليزرية يف حمرق العدسة f: البعد احملرقي للعدسة d: 1 قطر البقعة الليزرية على سطح يتعلق معامل نوعية احلزمة الليزرية بشكل رئيسي ابلوسط الفعال ومعامالت اجملاوب الليزري. فللحصول على حزمة غوصية = 1 2 M وبفعالية عالية جيب حتقيق عدة شروط )مرتبطة ابلعاملني الرئيسيني املذكورين أعاله( وأمهها: جتانس يف توزيع الضخ على طول الوسط الفعال. 38

39 تطابق حجم النمط الغوصي مع حجم املنطقة املثارة يف الوسط الفعال )تركيز الضخ يف منطقة النمط الغوصي( Hemispherical وهو الذي يسمى اجملاوابت أحد الشكل يبني 13 الكروي نصف اجملاوب جماوب مستقر بشرط حتقيق العالقة: 0 g 1 g 2 1 (6) g i = 1 L e R i (7) L: e الطول الفعال للمجاوب الليزري. حيث: i نصف قطر تقعر املرآة R: i كما يظهر على الشكل نفسه املعامالت األساسية للمجاوب الليزري واليت جيب أمثلتها للحصول على مواصفات احلزمة املطلوبة. يعطى الطول الفعال للمجاوب الليزري L e L e = L 1 + l n + L 2 (8) ابلعالقة التالية: حيث: n: قرينة انكسار الوسط الفعال l: طول الوسط الفعال L: 1 بعد بداية القضيب الليزري عن املرآة اخللفية. L: 2 بعد هناية القضيب الليزري عن مرآة اخلرج. يعطى نصف قطر البقعة الليزرية الغوصية TEM 00 على مرااي اجملاوب ابلعالقة التالية [4]: ω i = λ L e π g j g i (1 g 1 g 2 ) (9) حيث: i j و = 1,2 j.i, 39

40 g1 2 2 a 2 b(z) g Z L1 l L2 الشكل 13: خمطط توضيحي ملعامالت اجملاوب الليزري 2 :قطر a الوسط الفعال 2 :قطر b البقعة الليزرية ضمن اجملاوب. من أجل توصيف متكامل للحزمة الغوصية جيب حتديد معامل هام أال وهو طول رايليه الذي يعطى ابلعالقة التالية: π ω2 0 λ Z R = (10) ابلتايل فتغري قطر البقعة الليزرية الغوصية بداللة Z يعطى ابلعالقة التالية: ω(z) = ω ( Z Z R ) 2 (11) 4- آلية إصدار النبضات القصرية )مفتاح اجلودة :)Q-switch أصبحت عملية توليد نبضات ليزرية قصرية بطريقة حتويل معامل اجلودة )Q-switching( جماال حبثيا مهما يف السنوات األخرية فالنبضات العمالقة املتولدة من الليزرات الصلبة تستخدم يف الكثري من التطبيقات التقنية والعلمية والصناعية والعسكرية كاستخدامه يف قوائس املسافة الليزرية Rangefinders) )Laser وحمددات األهداف (Designators) حيث حتتاج هذه التطبيقات إىل نبضات قصرية من مرتبة 5 20 ns وطاقة نبضة ال تتجاوز 40

41 100mJ وتردد يصل حىت [3] 20Hz أما يف التطبيقات العلمية اخلاصة واملتنوعة فيستخدم بكثرة ليزرات مفتاح اجلودة سواء يف التوافقية األوىل µm) λ) = أوالثانية µm) λ) = أو الثالثة.(λ = µm) أو الرابعة (λ = µm) يعرف معامل اجلودة جملاوب ما أبنه نسبة الطاقة املختزنة يف الوسط الفعال ( st E( إىل الطاقة املفقودة يف كل دورة للشعاع الليزري ضمن اجملاوب ( r E( ويعطى ابلعالقة [5]: Q = 2 E st E r (12) واملقصود بتعديل معامل اجلودة تغيري قيمته بني قيمتني على األقل )بطرق سنذكرها الحقا ( قيمة صغرية تكون عندها الضياعات يف اجملاوب كبرية وابلتايل يتم أتخري حتقيق شرط العتبة لتوليد الليزر مما يؤدي إىل ختزين طاقة كبرية ضمن الوسط الفعال عند وصول الربح يف اجملاوب إىل قيمة تتجاوز الضياعات يف كل دورة يتم تغيري قيمة هذا املعامل إىل قيمة مرتفعة )ضياعات منخفضة( يتم عندها إطالق الطاقة املختزنة يف الوسط الفعال على شكل نبضة ليزرية قصرية زمنيا ذات استطاعة عالية. الشكل 14 يوضح تسلسل منوذجي لتوليد النبضة الليزرية العمالقة بداية تكون الضياعات ضمن اجملاوب عظمى والربح يزداد بشكل خطي أثناء الضخ حىت يتم الوصول إىل العتبة )النقطة a( بعد أتخري زمين قصري خترج النبضة الليزرية وتعود البلورة إىل حالتها البدائية وتزداد بذلك الضياعات وتبدأ املرحلة من جديد. 41

42 الشكل 14: تغري الربح والضياعات والنبضة الليزرية مع الزمن تستخدم عمليا العديد من الطرق للتأثري على قيمة معامل اجلودة للمجاوب الليزري وتصنف إىل نوعني: التعديل اإلجيايب ملعامل اجلودة Q-switch) )Active يتم من خالل استخدام التقنيات الكهرضوئية الصوتية الضوئية وامليكانيكية حيث تعتمد هذه الطرق استخدام حتكم خارجي إلحداث التحويل يف معامل اجلودة. التعديل السليب ملعامل اجلودة Q-switch( )Passive يتم من خالل استخدام مادة ماصة قابلة لإلشباع صبغية أو بلورية وهنا يتم إحداث التغيري يف معامل اجلودة من داخل احلجرة الليزرية سيتم احلديث عن هذه الطريقة ابلتفصيل الحقا كوهنا الطريقة املستخدمة يف هذا العمل. 42

43 1-4- التعديل اإلجيايب ملعامل اجلودة Q-switch( :)Active أتيت مفاتيح اجلودة امليكانيكية يف مقدمة هذه التقنيات وذلك لبساطتها معظم هذه األجهزة اعتمدت على منع حدوث الفعل الليزري ابستخدام مرااي أو مواشري دوارة موجودة داخل اهلزاز الليزري تؤمن هذه الطريقة حتويال فعال جدا ملعامل اجلودة ألهنا تفرض حدوث ضياعات عظمى من أجل قيمة متدنية ملعامل اجلودة وتعطي متريرا كامال من أجل القيمة العظمى ملعامل اجلودة ومع ذلك تعاين هذه التقنيات من بطء يف عملية التحويل نسبيا ولذلك استبدلت ابألجهزة الكهروبصرية والصوتية-البصرية. تقوم فكرة استخدام الفعل الكهروبصري يف عملية التحويل على استخدام بعض املواد اليت تصبح ذات انكسار مضاعف حتت أتثري حقل كهرابئي خارجي على الرغم من التكلفة العالية والتعقيدات التقنية اإلضافية يف هذه األجهزة اليت تتطلب الكرتونيات خاصة للقيادة والتحكم ابحلقل املطبق فهي تعطي حتويال سريعا ملعامل اجلودة حمدودا فقط بزمن تطبيق اجلهد الكهرابئي من أكثر األمثلة شيوعا على هذا النوع من الطرق الكهروبصرية خالاي كري وبوكلز cells( Pockels and Kerr يف( حالة مفاتيح اجلودة البصرية-الصوتية تعتمد خاصية املرونة الضوئية أو تغري قرينة االنكسار للمادة حتت أتثري إجهاد ميكانيكي دوري على البلورة يؤدي هذا التغري إىل أن تصبح البلورة كشبكة انعراج حترف بذلك جزء من احلزمة عن املسار النظامي يف اهلزاز عند إيقاف تطبيق احلقل الصويت تنتشر احلزمة بشكل طبيعي مؤدية إىل قيمة كبرية ملعامل اجلودة للهزاز إال أن سرعة حتويل معامل اجلودة يف هذه الطريقة أقل منها يف حالة املفتاح الكهروبصريكون سرعة التحويل مرتبطة بسرعة انتشار األمواج الصوتية عرب البلورة وبقطر احلزمة التعديل السليب ملعامل اجلودة Q-switch( :)Passive يتكون مفتاح اجلودة السليب من عنصر بصري )مثال بلورة مشابة بشوارد فعالة( تزداد نفوذيتها لطول موجة الليزر مع زايدةكثافة اإلشعاع الوارد عليها كما يبني الشكل 15. عند وضع هذه املادة ذات االمتصاص العايل لطول موجة الليزر داخل اجملاوب فإهنا ستمنع االهتزاز ضمن اجملاوب وسيبدأ ختزين الطاقة ضمن الوسط الفعال ونظرا لزايدة الربح أثناء عملية الضخ وجتاوز الضياعات ذهااب وإاياب تزدادكثافة اإلشعاع داخل اجملاوب مما يؤدي إىل إشباع املاص 43

44 القابل لإلشباع ويصبح شفافا لطول موجة الليزر مما يؤدي إىل حترير الطاقة املختزنة على شكل نبضة قصرية زمنيا ابستطاعة عالية. الشكل 15 :نفوذية املاص القابل لإلشباعكتابع لكثافة الطاقة ميزات معامل اجلودة السليب: نظرا ألن معامل اجلودة السليب يتم التحكم به بواسطة أشعة الليزر نفسها فإنه ال حيتاج إىل حتكم خارجي كتطبيق جهد ليبدأ عمله وابلتايل يوفر تصميم بسيط مما يؤدي إىل أنظمة صغرية ومنخفضة التكلفة. عيوب معامل اجلودة السليب: تتمثل العيوب الرئيسية ملفتاح اجلودة السليب يف عدم القدرة على التحكم بطاقة النبضة عند تثبيت التصميم إضافة إىل عدم التحكم بلحظة خروج النبضة بدقة. 44

45 استخدام معامل اجلودة السليب يضيف ضياعات على الوسط نتيجة امتصاصه لإلشعاع مما جيعل مردود الليزر يف حال استخدام معامل جودة سليب أقل منه يف حالة معامل اجلودة الصويت أو البصري. : الكروم ايغ كماص قابل لإلشباع Cr 4+ : YAG بدايةكانت املواد املاصة القابلة لإلشباع تعتمد على أصباغ عضوية خمتلفة إما مذابة يف حملول عضوي أو مشربة ضمن أغشية رقيقة من خالت السيللوز. عدم متانة هذه املواد ووثوقيتها وصعوبة التعامل معها قيدت بشدة تطبيقات مفاتيح اجلودة السلبية مع ظهور بلورات مشابة أبيوانت متتص أطوال موجية أدى إىل حتسنكبري يف وثوقية ومتانة مفاتيح اجلودة السلبية. املواد األكثر شيوعا يف االستخدامكماص قابل لإلشباع هي YAG( )Cr +4 : البنية الطيفية لشاردة الكروم يف الياغ: تتمتع شوارد الكروم مبقطع امتصاص عايل لطول موجة الليزر 1064nm( (. وتوفر بلورة الياغ اخلواص الكيميائية واحلرارية وامليكانيكية املرغوبة. يبني الشكل 16 خمطط سوايت الطاقة لشاردة الكروم ضمن بلورة الياغ: الشكل 16: خمطط سوايت الطاقة لشاردة الكروم يف الياغ [5] 45

46 لكي تكون املادة مناسبة للعملكمفتاح جودة سليب جيب أن يكون املقطع العرضي المتصاص احلالة األرضية أكرب من مقطع امتصاص الشاردة الفعالة يف الوسط الفعال حبيث يكون إشباع املاص أسهل بكثري من إشباع الوسط الفعال ويف الوقت نفسه جيب أن يكون عمر السوية العليا طويال مبا يكفي إلفراغ السوية األرضية من ذراهتا وهذه املواصفات تتوفر وبقوة يف بلورة YAG( )Cr +4 : حيث يبني اجلدول 6 املواصفات الفيزايئية للماص القابل لإلشباع املصنع من هذه البلورة. [5]) Cr 4+ : YAG) (0.5 ns) (4.1µs( زمن حياة السوية 4 زمن حياة السوية 2 اجلدول 6: املواصفات الفيزايئية لبلورة gs = cm 2 es = cm 2 مقطع االمتصاص مقطع االمتصاص 3-4 -معادالت الليزر بوجود املاص القابل لإلشباع: نتيجة إضافة العنصر املاص القابل لإلشباع تضاف حدود جديدة ضمن معادليت الليزر األساسيتني اللتني تصفان تغري اإلسكان وتغريكثافة الفوتوانت يف اجملاوب وتضاف معادلة جديدة تصف تغري عدد الذرات يف املاص القابل لإلشباع [17]. قبل البدء بذكر املعادالت سندرج ضمن اجلدول 7 املعىن الفيزايئي للمعامالت املذكورة يف هذه املعادالت: 46

47 اجلدول 7: املعامالت املستخدمة يف معادالت الليزر بوجود املاص القابل لإلشباع الثابت φ σ الداللة الفيزايئية تدفق الفوتوانت ضمن اجملاوب مقطع اإلصدار احملثوث للوسط الفعال مقطع االمتصاص القابل لإلشباع مقطع االمتصاص الغري قابل لإلشباع تركيز شوارد الكروم الكلي ضمن املاص تركيز شوارد الكروم اللحظي يف السوية )1( تركيز شوارد الكروم اللحظي يف السوية )2( إسكان السويتني الليزريتني يف الوسط الفعال مساكة املاص القابل لإلشباع طول الوسط الفعال الضياعات غري املفيدة ضمن اجملاوب معامل يعرب عن النقص الصايف ابإلسكان بعد إصدار فوتون n s0 n s1 n s2 n l s l L γ 47

48 املعادلة األوىل: تصف تغريكثافة الفوتوانت ضمن الوسط الفعال dφ = φ [2σnl 2σ dt t 13 n s1 l s 2σ 24 (n s0 n s1 )l s ln ( 1 ) L] (13) r R احلد األول ميثلكثافة الفوتوانت املتولدة ابإلصدار احملثوث احلد الثاين ميثلكثافة الفوتوانت اليت تضيع نتيجة االمتصاص القابل لإلشباع ضمن املاص القابل لإلشباع. احلد الثالث ميثلكثافة الفوتوانت اليت تضيع نتيجة االمتصاص الغري قابل لإلشباع ضمن املاص القابل لإلشباع احلد الرابع ميثل الضياعات نتيجة مرآة اخلرج. احلد اخلامس ميثل الضياعات الكلية غري املفيدة ضمن اجملاوب. املعادلة الثانية: تصف تغري اإلسكان ضمن الوسط الفعال: dn dt = γσcφn (14) حيث أن معامل يعرب عن النقصان الصايف يف إسكان السويتني الليزريتني نتيجة إصدار فوتون واحد يف الليزرات املستمرة الرابعية املستوى أيخذ القيمة 1 بينما قيمته 2 ابلنسبة لليزرات الثالثية املستوى [5] املعادلة الثالثة: تصف تغري عدد الذرات يف السوية األساسية يف املاص القابل لإلشباع dn s1 dt = σ 13 cφn s1 (15) يقود حل هذه املعادالت إىل إجياد ثالث عالقات للبارامرتات اهلامة )طاقة النبضة واالستطاعة وعرض النبضة( اليت توصف نبضة الليزر. تعطى الطاقة النبضية ابلعالقة: E = hυa 2σγ ln (1 R ) ln (n i n f ) (16) حيث n i عدد الذرات البدائية وتعطى ابلعالقة: 48

49 n i = ln(1 R )+2σ 13n s0 l s +L 2σl = ln( 1 R )+ln( 1 T 0 2 )+L 2σl عدد الذرات النهائية وترتبط مع n i ابلعالقة: (17) n f P = hυal γt r 1 n f n i + ( n t0 n i ) ln ( n f n i ) (1 n t0 n i ) 1 α [1 (n f n i ) α ] = 0 (18) n t0 = ln( 1 1 )+δ ln( R T 2 )+L 0 2σl n t0 تعطى ابلعالقة: α = σ 13 ; γσ (19) δ = σ 24 تعطى االستطاعة ابلعالقة: σ 13 ln ( 1 ) [n R i n t n t0 ln ( n i ) (n n i n t0 ) 1 (1 n α t t α n α)] (20) i n s1 = ( n ) α حيث: n s0 n i من أجل وسط فعال معني هناك قيمة أمثلية لعاكسية مرآة اخلرج ونفوذية املاص القابل لإلشباع يضمنان استخراج أكرب كمية من الطاقة املختزنة يف الوسط الفعال وابلتايل احلصول على أعلى مردود. أجريت عدة دراسات هتدف إىل أمثلة املعامالت الرئيسية لليزرات النبضية من طاقة واستطاعة خرج وعرض نبضة ومردود[ 16 ]. اقرتح العامل ديغنان Degnan طريقة ألمثلة معامالت ليزر نبضي نتيجة هذه الطريقة أنكل املعامالت األساسية لليزر ميكن التعبري عنها بداللة مقدار دون واحدة ( (G02) ) z = ln وقام بتوليد عدة منحنيات هلذه الربامرتتكتابع للمتحول [16]. z ال أتخذ طريقة Degnan بعني االعتبار االمتصاص يف املاص القابل لإلشباع لذلك ال تطبق مباشرة على الليزرات اليت تستخدم ماص قابل لإلشباع. الحقا استند العامل زانغ (Zhang) [17] على طريقة Degnan وأخذ بعني االعتبار وجود املاص القابل لإلشباع وتوصل إىل منحنيات يتم من خالهلا حتديد قيم نفوذية املاص القابل لإلشباع وعاكسية مرآة اخلرج اليت تعطي أفضل طاقة واستطاعة لنبضة اخلرج. 49

50 الفصل الثاني القسم العملي 50

51 األول: اجلزء تصميم وتنفيذ مرسل ليزري نبضي وأمثلة معامالت اجملاوب )شكل اجملاوب القابل لإلشباع( هبدف احلصول على طاقة نبضية mj) 10) وأبعلى مردود. عاكسية مرآة اخلرج ونفوذية املاص 1 -ملخص: يهدف هذا القسم إىل تصميم وتنفيذ مرسل ليزري نبضي ابملردود األعظم مع طاقة خرج mj) 10) برتدد.30HZ يف هذا اجلزء مت استخدام قضيب ليزري من مادة نيودميوم ايغ نظرا ملا تتمتع به هذه البلورة من ميزات مت ذكرها يف الفقرة )2-2( )Stack( موضوع الختيار القيم ضمن جماوب لعاكسية األمثلية )مستوي-مستوي(. R مرآة اخلرج حاسوبية هتدف إىل استنتاج سلوك طاقة اخلرج ومردود االستخراج نتيجة هذه النمذجة مت اختيار ومت الضخ ابستخدام أربعة ديودات ليزرية ونفوذية املاص القابل لإلشباع T 0 R = 0.48, T 0 = 0.4 من النوع قمنا إبجراء منذجة مع تغري عاكسية ونفوذية املاص القابل لإلشباع وابلتايل مت احلصول على نبضات ليزرية بطاقة )10.4mJ) وعرض نبضة )29ns( ابستطاعة )0.36MW( ومردود استخراج )28.8%(. قبل البدء إبجراء التجارب العملية قمنا بقياس املواصفات الرئيسية للديودات الليزرية واليت تؤثر بشكلكبري على أداء الليزر. 2 -مبدأ النمذجة الرايضية: قمنا بكتابة برانمج حاسويب يقوم )ملحق 1 ( هذا الربانمج من أجل قيم خمتلفة لنفوذية املاص القابل لإلشباع ولعاكسيات مرآة اخلرج حبساب عدد الذرات النهائية وعدد الذرات عند العتبة ومن مث حساب طاقة اخلرج النبضية ومردود االستخراج. ويقوم بعرضها على شكل مصفوفة من القيم حبيث ميكننا اختيار قيمة نفوذية املاص القابل لإلشباع والعاكسية اللتان حتققان الطاقة واملردود املطلوابن. كما أنه ميكننا حتديد قيمة الطاقة املطلوبة ويقوم الربانمج إبعطاء قيمة عاكسية مرآة اخلرج ونفوذية املاص القابل لإلشباع الذين حيققان قيمة الطاقة السابقة. وذلك ابستخدام املعادالت ) ( املذكورة يف الفقرة )3-4( 51

52 ت- Normalized Intensity 3 وصيف الديودات املستخدمة يف الضخ: 1-3- قياس تغري طول موجة إصدار الديود الليزري بداللة درجة احلرارة: ابستخدام مقياس طول املوجة Spectrometer( )Compact مت قياس طول موجة إصدار الديود الليزري عند درجة حرارة 25 C حيث يظهر على الشكل 17 نتائج هذا القياس الذي يبني أن طول موجة اإلصدار املركزي هي 808nm مع عرض طيفي أقل من 3nm عند منتصف االرتفاع كما يظهر اجلدول 8 تغيري طول موجة إصدار الديود بداللة درجة احلرارة. Wavelength )nm( الشكل 17 طول موجة إصدار الديود عند درجة احلرارة ( 25(. 52

53 جدول 8: تغري طول موجة إصدار الليزر بداللة درجة احلرارة: T( C) (nm) نالحظ من اجلدول أن كل ارتفاع لدرجة احلرارة مبقدار درجة واحدة ينتج عنه انزايح بطول موجة إصدار الديود مبقدار( 0.2nm 0.3) وكما ذكران سابقا فإن أعلى قمة امتصاص لليزر Nd: YAG تقع ضمن اجملال 53

54 nm) 808) لذلك البد من ضبط درجة حرارة الديودات الليزرية وتثبيتها على الدرجة 25 اليت توافق طول موجة إصدار 808 ابستخدام مربدكهرو-حراري thermo-electric من النمط 0714 TEC ذي التصاقية جيدة )تثبيت مع ضغط( من طرف أول مع الديود الليزري ومن طرف آخر مع مشع حراري Thermal Radiator لتبديد حرارة السطح الساخن من املربد. اجلدير ابلذكر أنه جيب االنتباه جيدا إىل ضرورة ملء الفراغات امليكروية السطحية بني سطحي املربد وكل من سطح الديود الليزري وسطح املشع احلراري وذلك من أجل أتمني انقلية حرارية عالية قياس املردود الكهرضوئي للديودات الليزرية: مت حتديد املردود الكهرضوئي للديودات املستخدمة عن طريق تغيري قيمة استطاعة الضخ الكهرابئية وقياس استطاعة اخلرج األعظمية Power( )Peak ابستخدام مقياس االستطاعة S425C من انتاج Thorlabs يبني الشكل 18: منحين استطاعة اخلرج الضوئية بداللة استطاعة الدخل الكهرابئية للديود الليزري. تظهر نتائج القياسات أن عتبة الضخ تساوي تقريبا P th 77 W ومعامل الفعالية الكلية 38%. s من أجلكل الديودات املستخدمة كانت القيم متقاربة جدا لذلك سنرسم املنحين املميز ألحد هذه الديودات. P OUT = 0.38P in 29.3 الشكل 18: منحين استطاعة اخلرج الضوئية بداللة استطاعة الدخل الكهرابئية للديود الليزري 54

55 الشكل يبني 19 صورة الديود الليزري املستخدم: الشكل 19 الديود الليزري املستخدم الضخ حجرة الضخ واجملاوب الليزري: مت استخدام وسط فعال )قضيب ليزري( من مادة نيودميوم ايغ ذي إشابة (1% at. ) أببعاد فيزايئية )قطر 3mm وطول )90mm حماط بعاكس من األملنيوم هبدف حتسني قيمة معامل امتصاص القضيب الليزري لطول موجة الضخ. مت وضع الوسط الفعال ضمن جماوب من النوع )مستوي - مستوي( حيث يؤمن هذا اجملاوب أكرب استفادة من الوسط الفعال. مت الضخ جانبيا ابستخدام أربعة ديودات ليزرية من النوع (Stacks) ويتألف كل ديود من 3 صفوف من املرسالت الليزرية قمنا بتأمني شروط التغذية الكهرابئية هلذا الديود عن طريقكتلة التغذية اخلاصة LDQCW Driver ملحق )3( اختبار صحة النمذجة: بغية التحقق من صحة النمذجة الرايضية قمنا إبجراء جتارب عملية ابستخدام اجملاوب الذي مت توصيفه أعاله حيث قمنا بقياس طاقة اخلرج من أجل عدة قيم لعاكسية مرآة اخلرج من أجل قيمة اثبتة لنفوذية املاص القابل 55

56 لإلشباع )0.3 = 0 T( يظهر الشكل 20 تغريات طاقة خرج الليزر بداللة عاكسية مرآة اخلرجكما يظهر أن اخلطأ األعظمي بني القيم التجريبية والنظرية هو %12.5 وهو انتج عن االرتياب يف قيمة عاكسية املرآة ومعامالت Q-SWITCH وقراءة مقياس االستطاعة. الشكل 20: تغري طاقة الليزر بداللة عاكسية مرآة اخلرج بعد التحقق من صحة الربانمج متت دراسة أتثري تغري عاكسية مرآة اخلرج على طاقة اخلرج من أجل قيم اثبتة لنفوذية املاص القابل لإلشباع. وابلعكس متت دراسة أتثري تغري نفوذية املاص القابل لإلشباع على طاقة اخلرج من أجل قيمة اثبتة عاكسية مرآة اخلرج. الحظنا يف احلالتني أن طاقة اخلرج تنقص بنقصان نفوذية املاص القابل لإلشباع )من أجل قيمة اثبتة لعاكسية مرآة اخلرج( ومع نقصان عاكسية مرآة اخلرج )من أجل قيمة اثبتة لنفوذية املاص القابل لإلشباع(كما يتضح من الشكلني 21 و

57 الشكل 21: تغيري طاقة اخلرج بداللة العاكسية من أجل ثالث قيم لنفوذية املاص القابل لإلشباع الشكل : 22 تغيري طاقة اخلرج بداللة النفوذية من أجل ثالث قيم للعاكسية إن زايدة طاقة اخلرج ال تعين ابلضرورة زايدة مردود االستخراج وهنا تكمن أمهية عملية األمثلة حيث أنه ميكن احلصول على الطاقة نفسها من أجل قيم خمتلفة للثنائيات (R T) 0, ولكن مبردود خمتلف ألجلكل ثنائية جوهر عملية األمثلة هو اختيار الثنائية (R T) 0, اليت تضمن استخراج هذه الطاقة أبكرب مردود استخراج. مت ابستخدام 57

58 الربانمج احلصول على جدول 9 الذي يوضح وجود عدة قيم متساوية لطاقة اخلرج من أجل قيم خمتلفة للثنائية (R T) 0, ومبردود استخراج خمتلف لكل ثنائية فمن أجل قيمة الطاقة 10 مثال mj هناك ثالث قيم للثنائيات تعطي هذه القيمة للطاقة. جدول 9: القيم النظرية اليت مت احلصول عليها من الربانمج كما نالحظ من اجلدول فإن الثنائية = R = 0.48, T تعطي أعلى مردود 28.8% الثنائية أفضل من ابقي الثنائيات ألهنا تعطي الطاقة نفسها أبعلى مردود استخراج. لذلك تعترب هذه حتقيقا هلدف هذا القسم من العمل )احلصول على طاقة نبضية 10mJ أبعلى مردود( وبناء على نتائج النمذجة السابقة مت اختيار 48% = R T 0 = 40% ومت وضعها ضمن جماوب )مستوي - مستوي ) شكل )23( وابلتايل مت احلصول على نبضات ليزرية مبردود )28.8%( طاقة )10.4mJ( وعرض نبضة )29ns( كما يبني الشكل

59 b c g a e h d f الشكل 23: صورة الرتتيب التجرييب الليزري املستخدم: (a): املرآة اخللفية )املستوية( (b): املرآة األمامية )اخلرج( (c): الديود الليزري (d): القضيب الليزري (e): تغذية الديود الليزري (f): املشع احلراري امللتصق ابملربد الكهرو-حراري (g): املاص القابل لإلشباع (h): عاكس األملنيوم 59

60 الشكل 24: عرض نبضة الليزر 60

61 اجلزء الثاين: 1 -ملخص: يهدف هذا اجلزء لتوليد حزمة ليزرية غوصية نظرا حلاجتها يفكثري من التطبيقات الطبية والصناعية واليت تتطلب استطاعة عالية ال ميكن احلصول عليها ابستخدام الضخ اخللفي. للحصول على حزمة غوصية جيب أن يتم الضخ يف منطقة النمط الغوصي وذلك ألنكل طاقة الضخ اليت ال تقع ضمن تلك املنطقة ستتحول إىل حرارة تشوه شكل احلزمة الناجتة لذلك يعترب تقدير قيمة معامل فعالية التغطية من أولوايت التصميم. خالل حبثنا يف األدبيات الحظنا عدم وجود طريقة دقيقة تسمح لنا بتقدير معامل فعالية التغطية من أجل طريقة معينة لتوزيع منابع الضخ وحجم النمط ضمن جماوب ما. بداية قمنا أبمثلة ابرامرتات اجملاوب اليت ميكننا التحكم هبا بغية احلصول على إصدار غوصي واستخدام النمط الذي مت توليده القرتاح طريقة جتريبية دقيقة حلساب معامل فعالية التغطية بني النمط الليزري والضخ وبناء عليها مت تقييم صحة اختياران لطريقة توزيع منابع الضخ والختيار اجملاوب. مت احلصول على حزمة ليزرية ابستطاعة 52Watt( P( = وعرض نبضة 189µs( ( p = وبرتدد 30 HZ ومبعامل نوعية )3.4 = 2 M( وذلك ابستخدام الوسط الفعال نفسه املستخدم يف القسم السابق واملوضوع ضمن جماوب )مستوي - مقعر( 518.3mm( R(. 1 =, R 2 = كما مت اقرتاح طريقة جتريبية لقياس معامل فعالية التغطية بني الضخ والنمط الليزري الذي مت احلصول عليه ومتت مقارنة هذه الطريقة مع الطريقة التقليدية املتبعة حلساب معامل فعالية الضخ ومع الطريقة التجريبية حلساب املعامل السابق. نتيجة املقارنة تبني أن الفرق بني طريقتنا املقرتحة والطريقة التجريبية )2%( بينما الفرق بني الطريقة التقليدية والطريقة التجريبية )14%(. 61

62 2 ت- صميم اجملاوب: 1-2 -اختيار اجملاوب: يبني الشكل 25 تصميم اجملاوب الليزري املستخدم والذي هو من النوع املستقر والنمط نصف كروي Hemispherical حيث تكون املرآة اخللفية Rear mirror مستوية )نصف قطر تقعر الهنائي( مع إمكان تغيري املسافة بني املرآة األمامية وطرف القضيب )تغيري L1( وكذلك ابلنسبة للمرآة اخللفية )تغيري L2( وذلك للوصول جتريبيا إىل القيم املثالية اليت تؤمن أعظم حجم للنمط ضمن اجملاوب وأفضل استقرار للمجاوب. الوسط الفعال هو قضيب ليزري من النيودمييوم ايغ ذي اإلشابة 1% ويتمتع ابألبعاد اهلندسية التالية: قطر 3mm وطول.90mm 2-2 -أمثلة ابرامرتات اجملاوب ) 2 :(r; R; L 1 ; L يف اجملاوب النصفكروي أكرب حجم للنمط يقع على مرآة اخلرج لذلك لالستفادة قدر اإلمكان من الوسط الفعال جيب تقريبه أقرب ما ميكن ملرآة اخلرج يف جتربتنا أقرب مسافة ممكنة 33mm( L( 1 = ابلنسبة ل L 2 مت اختيارها حبيث:.1.2 حتقق أكرب حجم للنمط الليزري )وذلك ألن حجم النمط يكون أصغر ما ميكن على املرآة املستوية يف اجملاوب النصفكروي وابلتايل هناك قيمة ل L 2 جتعل حجم النمط على هذه املرآة أكرب ما ميكن(. حتقق أكرب استقرار للمجاوب. إلجياد قيمة L 2 اليت حتقق الشرطني السابقني قمنا ابخلطوات التالية : انطالقا من العالقة اليت تعطي عنق احلزمة الغوصية يف اجملاوب )املقعر- املستوي( [2]. w 2 0 = ( ) [L e (R 2 L e )] 1 2 (21) 0 (z) = ( 1 1 ) 2 [ (z + L1 ) 2 + (R 2l ) (z + L n 1) + Rl ( l 4 n n )2 ] (22) 62 متتلك العالقة السابقة هناية حملية عندما = 0 (z) 0

63 0 ابلتايل حنصل على قيمة z max اليت جتعل أعظم ما ميكن واجملاوب أكثر استقرارا Z max = ( 1 2l ) (R ) L 2 n 1 (23) 1 0 max = ( R ) 2 2 (24) أما اختيار نصف قطر تقعر مرآة اخلرج فإنه وضوحا من العالقة )24( يزداد حجم النمط ضمن الوسط الفعال مع زايدة نصف قطر تقعر مرآة اخلرج وفقا لذلك مت اختيار R 2 = 518.3mm )أكرب نصف قطر تقعر متوفر لدينا( ومن أجل اختيار العاكسية املثالية ملرآة اخلرج قمنا جتريبيا بتحديد قيمة هذه العاكسية من خالل تغيري عدة قيم لعاكسية مرآة اخلرج وحتديد قيمة العاكسية اليت تعطي أعلى استطاعة خرج يبني اجلدول 10 التايل القيم التجريبية اليت مت احلصول عليها: جدول 10: قيم استطاعة خرج الليزر [mw] بداللة عاكسية مرآة اخلرج r (%) P avg (mw) من اجلدول السابق نستنتج أن القيمة األمثلية لعاكسية مرآة اخلرج هي )90% = r( ألهنا تعطي أعلى استطاعة خرج P avg = 258 mw 3-2- اختيار طريقة توزع منابع الضخ: تؤثر طريقة اختيار توزيع منابع الضخ بشكل مباشر على قيمة معامل فعالية التغطية الذي يؤثر بشكل أساسي على املردود الكلي لعملية الضخ ومبا أن هدفنا هو توليد حزمة بنوعية جيدة فيجب قدر اإلمكان توزيع احلرارة بشكل متجانس على طول الوسط الفعال منعا حلدوث تشوه يف شكل احلزمة الليزرية املتولدة لذلك قمنا ابستخدام أربعة جمموعات من الديودات الليزرية املوصفة أعاله لضخ القضيب جانبيا يف أربعة مواضع متساوية البعد عن بعضها وعن طريف القضيب مبقدار 10 mm حبيث تتكون كل جمموعة من تسبقها. 180 ديودين متعامدين وتدوركل جمموعة عن اليت بزاوية 63

64 الشكل 25 :خمطط متثيلي حلجرة الضخ واجملاوب الليزري. من أجل انتقاء النمط الغوصي ومنع تضخيم األمناط العليا يف اجملاوب قمنا إبضافة حظارDiaphragm )قطره ) 2mm بني املرآة املقعرة والقضيب الليزري. القيم املثالية الناجتة هي التالية: R oc = mm, r = 90%, L2 = 177mm, L1 = 33 m 4-2 -النتائج العملية: ضمن البارامرتات اليت مت اختيارها مت احلصول على حزمة ليزرية ذات استطاعة نبضية )52W( وعرض نبضة )M 2 = 3.4( ومعامل نوعية احلزمة 30 HZ برتدد (189µs) الشكل )26: منحين توزع الشدة للحزمة الناجتة - 27: صورة حزمة الليزر الناتج( 64

65 الشكل 26: منحين توزع الشدة للحزمة الناجتة 5-2 -طريقة حساب معامل نوعية احلزمة: الشكل 27: صورة حزمة الليزر الناتج مت أخذ صورة حلزمة الليزر على خمرج القضيب الليزري ورسم منحين توزع الشدة هلذه احلزمة الشكل 28 ومنه مت استنتاج عنق احلزمة 723µm) W) real = بينما لوكانت هذه احلزمة غوصية فإن عنقها عند هناية الوسط الفعال سيكون 393µm) W). gaussian = نعلم أن العالقة اليت تربط بني عنقي احلزمة الغوصية وشبه الغوصية W gaussian W real مبعامل جودة M هي [5] : 65

66 W real (Z) = M W gaussian (Z) (25) وابلتايل عند هناية القضيب الليزري يكون لدينا: M = M2 = 3.4 الشكل 28: منحين توزع الشدة الضوئية للحزمة اليت مت احلصول عليها 3- قياس معامل فعالية التغطية بني الضخ ومنط اإلصدار: سيتم يف هذه املرحلة قياس معامل فعالية التغطية أبربعة طرق: 1. الطريقة التقليدية: هذه الطريقة حلساب معامل فعالية التغطية تعترب أن الضخ ال يتغري على طول الوسط الفعالكما أهنا تعترب حجم النمط اثبت على طول الوسط الفعال. وفقا هلذه الطريقة يتم حساب هذا املعامل عن طريق أخذ صورة الضخ وصورة للنمط الليزري املتولد وتنظيمها هبدف احلصول على اتبع توزع الشدة الضوئية لكل منهما ومث حساب معامل التغطية ابستخدام العالقة (3). 66

67 طريقتنا املقرتحة للحساب تفرتض وجوب تقسيم الوسط الفعال إىل شرائح عنصرية وحساب معامل التغطية عندكل شرحية مث حساب القيمة الوسطية للمعامالت السابقة. الطريقة التجريبية: يف هذه الطريقة قمنا بتحديد املنحين املميز لليزر عمليا )استطاعة اخلرج بداللة استطاعة الدخل( ميل هذا املنحين عبارة عن جداء عدة ابرامرتات ميكن حساهبا بدقة وأحد هذه البارامرتات هو معامل فعالية التغطية. الطريقة نصف العملية: املقصود هبا أخذ صورة حقيقية للضخ بينما يتم توليد حزمة ليزرية هلا نفس مواصفات حزمتنا واهلدف األول من هذه اخلطوة هو التأكد من صحة توصيفنا للحزمة واهلدف الثاين هو إثبات إمكانية استخدامها يف التنبؤ بقيمة معامل فعالية التغطية قبل تشغيل الليزر عن طريق صورة الضخ فقط لكل منطقة وتوليد حزمة ليزرية ابملواصفات املرغوبة ومن مث احلكم على صحة توزيع منابع الضخ واختيار اجملاوب قياس معامل التغطية ابلطريقة التقليدية: يوضح الشكل 29 صورة الضخ وصورة الليزر مأخوذتني من هناية القضيب الليزري أعطت هذه الطريقة قيمة ملعامل B فعالية التغطية 33% = a b الشكل 29: صورة منطقة الضخ (a) وبقعة اخلرج الليزرية (b) من أجل احلالة املثالية للمجاوب. 67

68 2-3 -قياس معامل التغطية ابلطريقة نصف العملية: قمنا أبخذ صورة حقيقية للضخ بينما مت توليد حزمة غوصية هلا نفس مواصفات احلزمة اليت حصلنا عليها )حزمة غوصية( عنق احلزمة 723μm( )w 0 = مبعامل نوعية 3.4) = 2 )M الشكل 30 وحصلنا بنتيجة هذه الطريقة على قيمة ملعامل التغطية 32% الفرق بني الطريقة التجريبية والطريقة نصف التجريبية فقط 3%. a b الشكل 30: صورة منطقة الضخ (a) وبقعة اخلرج الليزرية النظرية (b) 3-3 -قياس معامل التغطية بطريقتنا املقرتحة: يف هذه املرحلة مت تشغيلكل جمموعة ضخ على حدى والتقاط صورة لكل منطقة ضخ وملعرفة حجم النمط الليزري عندكل منطقة ضخ متت االستفادة من صورة الليزر احلقيقية املأخوذة من هناية القضيب الليزريكما هو مبني يف الشكل 31 ومت تقييسها بنسبة معينة لتحاكي شكل احلزمة عندكل منطقة ضخ حيث أننا وبعد قياس معامل نوعية احلزمة جتريبيا وابستخدام معادالت انتشار احلزمة الغوصية نستطيع حتديد نسبة التقييس وابلتايل حنصل على منحين توزع الشدة الليزرية يف أي موضع ضمن الوسط الفعال. 68

69 (d) (c) (b) )a( الشكل 31 يوضح صور الضخ املأخوذة من املناطق األربعة للضخ وصور الليزر عندكل منطقة من املناطق صورة الضخ الليزر (a) عند املنطقة األوىل (b) عند املنطقة الثانية (c) عند املنطقة الثالثة (d) عند املنطقة الرابعة. بني اجلدول 11 نتائج قياس معامل التغطية عندكل منطقة ضخ حيث ميثل Z i موقع جمموعة ديودات الضخ على طول القضيب الليزري و ) i W(Z قطر البقعة الليزرية عندكل منطقة ضخ وS نسبة التقييس )نسبة نصف قطر النمط يف املوضع Z i إىل نصف قطر منط احلزمة احلقيقية املأخوذة عند هناية الوسط الفعال.( جدول 11: نتائج قياس معامل التغطية ملناطق الضخ األربعة Z i (mm) W(Z i ) S= W(Z i) % 94.4% 96.4% 98% B القيمة الوسطية ملعامالت التغطية السابقة هي 5%.29 69

70 4-3 -الطريقة املقرتحة نصف العملية لقياس معامل التغطية: يف هذه املرحلة أخذان صورة الضخ احلقيقية لكل منطقة من مناطق الضخ ومت توليد حزمة ليزرية )ابستخدام برانمج )Matlab هلا نفس مواصفات حزمة الليزر )نفس قطر احلزمة ونفس معامل نوعية احلزمة( عندكل منطقة ضخ ومن مث حساب معامل فعالية التغطية عندكل منطقة ضخ الشكل 32 واجلدول 12 يظهر قيم فعالية الضخ عند كل منطقة ضخ: جدول 12: قيم فعالية الضخ عندكل منطقة ضخ Z i (mm) W(Z i )µm B (%) القيمة الوسطية ملعامالت التغطية السابقة هي 3%.29 الشكل 32 : صور الضخ عند كل منطقة وصور الليزر النظري عند كل منطقة 70

71 5-3 -الطريقة التجريبية لقياس معامل التغطية: قمنا بقياس عملي ملعامل التغطية من خالل حتديد املنحين املميز لليزر أي قمنا بداية بتحديد فعالية الليزر الكلية وعتبة اإلصدار الليزري من أجل النمط الناتج وذلك من خالل تغيري قيمة استطاعة الضخ وتسجيل قيمة استطاعة اخلرج يفكل مرة ومن مث رسم املنحين الذي يعطي تغريات استطاعة اخلرج بداللة استطاعة الدخل الضوئية. الشكل 33: املنحين املميز لليزر يبني الشكل 33 املنحين املميز لليزر الناتج ويتضح من املنحين أن القيمة العملية ملعامل الفعالية الكلي هي 13% )ميل املنحين( قيمة ميل هذا املنحين هي جداء عدة برامرتات: σ s = η t η a η s η Q η C η B (26) حيث η: t فعالية االنتقال تتعلق بضياعات فرينل على وجه القضيب املقابل للديودات = 0.92 t [5] η η: a فعالية امتصاص الوسط الفعال لطول موجة الضخ يتعلق مبعامل امتصاص الوسط الفعال لطول موجة الضخ وبطول املسار الضوئي للحزمة ضمن الوسط الفعال 0.91 = a [5] η η: s معامل ستوكس أييت من الفرق الطاقي بني فوتوانت الضخ وفوتوانت الليزر الصادر. 71

72 η s = p = 808 = 0.76 (27) L 1064 [5] η Q فإن = 0.95 Nd: YAG يتعلق مبادة الوسط الفعال من أجل ليزر :η Q ابلنسبة للمعامل η C حيسب من العالقة [5]: (28) η C = (1 R)/(1 R + ) حيث R: عاكسية مرآة اخلرج ; : الضياعات الكلية ضمن اجملاوب. وابلتايل لتحديد قيمة η C جيب معرفة قيمة الضياعات الكلية ضمن اجملاوب اليت يتم حتديدها عمليا من خالل طريقة قياس منحين تغري( ln(r بداللة عتبة اإلصدار والذي يعطى ابلعالقة التالية [2]: ln (R oc ) = 2 K P th (29) يظهر على الشكل 34 منحين التغري املذكور حيث يتبني أن نقطة تقاطع املستقيم مع احملور (R) ln الضياعات الكلية )غري املفيدة( واليت تقدر تقريبا 3.3%. ميثل قيمة الشكل 34: منحين تغريات -ln(r).p in,th بداللة 72

73 ابلتعويض يف عالقة η: C η C = 1 R. B 28.9 % 1 R + = 0.75 وابلتايل من خالل عالقة فعالية الليزر الكلية (26) ميكن تقدير معامل التغطية 73

74 4- مناقشة النتائج الفرق بني الطريقة التجريبية حلساب معامل فعالية التغطية والطريقة التقليدية 14%. بينما الفرق بني الطريقة التجريبية حلساب معامل التغطية والطريقة املقرتحة 2%. وابلتايل تعترب طريقتنا املقرتحة أكثر دقة من الطريقة التقليدية وذلك ألن طريقتنا أتخذ بعني االعتبار تغريات حجم النمط على طول القضيب الليزري واليت تبلغ 10% تقريبا على عكس الطريقة التقليدية اليت هتمل هذه التغرياتكما هتمل تغريات الضخ على طول الوسط الفعال. ابستخدام الطريقة املقرتحة نصف التجريبية ميكننا التنبؤ بقيمة معامل فعالية التغطية ابستخدام صورة الضخ فقط وابلتايل ميكننا احلكم على طريقة توزيع منابع الضخ إذاكانت مناسبة لتوليد منط غوصي مبعامل نوعية ما حيث تبني أن الفرق بني هذه الطريقة وطريقتنا املقرتحة 0.7%. 5 -اخلالصة واآلفاق املستقبلية: مت يف هذه العمل تصميم وتنفيذ منوذجني خمربيني من مرسالت ليزرية حمقونة ابلديودات الليزرية: النموذج األول مرسل نبضي يعمل ابستخدام تقنية مفتاح اجلودة السليب حيث مت اختيار القيم األمثلية لعاكسية مرآة اخلرج ونفوذية املاص القابل لإلشباع األمثليتني اللتني تعطيان الطاقة املطلوبة أبعلى مردود عن طريق حل معادالت الطاقة وعدد الذرات النهائية والبدائية ابستخدام احلاسب النموذج الثاين مرسل يصدر حزمة ذات نوعية M 2 = 3.4 ابستطاعة وعرض نبضة 52W p =( 189µs (كما مت اقرتاح طريقة جتريبية دقيقة حلساب معامل فعالية التغطية بني الضخ والنمط ليزري متولد وقد تبني دقة هذه الطريقة حيث أعطت فرق 2% عن الطريقة العملية املستخدمة. على الرغم من دقة وفعالية الطريقة املقرتحة إال أن اهلدف النهائي )والذي يف إطاره مت تنفيذ هذه األطروحة كخطوة أوىل أتسيسية( هو احلصول على استطاعات أعلى ومناذج هندسية من هذه الليزرات ابلتايل فاملشاكل احلرارية تكون فيها حرجة أكثر وذات أتثري أكرب. 74

75 6 -املالحق: امللحق 1: الربانمج املستخدم حلساب نفوذية املاص القابل لإلشباع وعاكسية مرآة اخلرج: 75

76 76

77 77

78 امللحق 2: الربانمج املستخدم حلساب معامل فعالية التغطية: 78

79 79

80 80

81 امللحق : 3 املواصفات الفنية لوحدة التغذية: 81