CO 2 بر حس ب پارامترهاي فش ار گاز و

Transcript

1 مجلة فیزیک کاربردی دانشگاه الزهرا )س( شمارة 1 پاییز و زمستان 1390 ص بررسي رفتار توان خروجي ليزر موجبر CO 2 بر حس ب پارامترهاي فش ار گاز و جريان تخليه الکتريکي سميه مرتضوي ]I[ سعيد جلواني ]II[ بتول سجاد *]III[ هديه پازكيان ]II[ محسن منتظرالقائم ]II[ سعيد امين نعيمي ]II[ ]I[ گروه فيزيک دانشگاه الزهرا)س( ]II[ سازمان انرژي اتمي ايران پژوهشگاه علوم و فنون هستهاي پژوهشكده ليزر و اپتيك bsajad@alzahra.ac.ir گروه فيزيک دانشگاه الزهرا)س( ]III[ چكيده در اين مقاله رفتار توان خروجي ليزر موجبر گازکربنيک پيوسته بر حسب پارامترهاي موثر در عملکرد ليزر بررسي شده است. تغيير توان خروجي ليزر بر حس ب جريان تخليه الكتريكي فش ار و نسبت آميزهی گازی در دو لوله با قطر يکس ان 3 mm و طولهاي متفاوت 35 و 70 cm مطالعه و بهينهسازي شده است. بر اساس نتايج بهدست آمده بيشينه مقادير توانهاي خروجي حدود 6 و W 14/5 به ترتيب در فش ارهاي 78 و mbar 50 اين لولهها به دست آمده است. تاریخ دریافت: 1390/04/12 تاریخ تصویب: 1390/11/09 CO 2 بهينهسازی توان. واژههای کلیدی: ليزر موجبر مقدمه اندازهه ای عرضي کوچ ک کيفيت خيلی خوب مد پهناي به رهی افزايش يافته و کوکپذيري گستردهتر که با توجه به امکان اجرای ليزر در فشارهای باال به دست آمده است از ويژگيهاي برجسته CO 2 ميباش ند. همچنين كوچكی قطر تشديدگر ليزرهاي موجبر هدايت تابش از ليزرهاي موجبر طري ق ديوارههای لوله ليزر را در پی داش ته و تخليههاي الكتريكي پايدار در فش ارهايي به بزرگي CO 2 در فشارهاي باال پهناي برخوردي Torr ايجاد ش ده است. پيآمد مهم عملکرد ليزر بزرگ گذار ليزري است که گسترهي فرکانسي وسيعتري در اين ناحيه را دسترسپذير کرده است. با توجه به کوچک بودن پهنای بینایی لیزر نسبت به فاصله مدهای طولی امکان نوسان تک مدی در CO 2 براي بينابنگاري با قدرت تفکيک باال آشکارسازي این لیزر فراهم میگردد. ليزرهاي موجبر

2 الکتريکي تخليه جريان و گاز فشار پارامترهاي حسب بر CO 2 موجبر ليزر خروجي توان رفتار بررسي 46 استفاده کوکپذير محلي نوسانگر و وسيع نوار توان تقويتکنندههاي ليزري ارتباطهاي آلودگيها CO 2 موجبر ليزرهای راهاندازی مختلف روشهای دربارهی پژوهشهايي 1972 س ال از ش دهاند. هک کرد اشاره گزارشهايي به ميتوان جمله از اس ت. شده انجام آن اجرای ش رايط بهينهس ازی و پايداری بررسي E/P نسبت بررس ي گازکربنيک تپي يا و پيوس ته موج ليزرهای دمش نحوهی به ]1-7[. است پرداخته ليزر نوع اين کاربردهای و کوک گسترهی اندازهگيری خروجي مقاله اين در ]8[. اس ت ش ده گزارش پيشتر ليزر اين از نمونه يک راهاندازی و س اخت طراحي ليزر خروجي توان رفتار است. شده گزارش بار نخستين برای CO 2 پيوسته موجبر ليزر يک بهينهسازی طولهاي با لولههاي در ليزر عملکرد فشار و گازی آميزهي نسبت الکتريکي تخليه جريان حسب بر بيشينهی آوردن دست به براي نياز مورد تجربي شرايط تا شده سعي سپس است. شده بررسي مختلف شود. اندازهگيری ليزر طول واحد در خروجي توان آزمايشگاهی چيدمان پيركس استوانهاي لوله يك است. شده داده نشان )1( شکل در آزمايشگاهي چيدمان از طرحوارهاي است. شده برده کار به ليزر لولهي عنوان به 70 cm طول و 3 mm قطر با شده ايجاد 500 ma جريان بيشينه با 20 KV تغذيه منبع يک از استفاده با طولي DC الکتريکي تخليه تخليههای الکترودها نوع اين شدهاند. انتخاب برنج جنس از توخالی استوانهاي الکترودهاي اس ت. الکترود میروند. بهکار CO 2 ليزرهای س اخت در رو اين از میآورند وجود به را پايدار الکتريکی در کاتد سمت به آندها از گاز شارش و شده داده قرار آن انتهاي دو در آندها و لوله مرکز در کاتد نيز و آن تخريب و مثبت يون با طال آينه بمباران از جلوگيري براي آرايه اين است. ش ده گرفته نظر فعال محيط ترتيب اين به 10[. و ]9 است شده اس تفاده الکتريکي تخليه نياز مورد کلي ولتاژ كاهش قرار سري طور به که ميباش د 35 cm کاتد تا آند فاصله با الکتريکي تخليه ناحيهی دو ش امل ليزر است. شده گرفته نظر در 130 KΩ ناحيه هر محافظ مقاومت گرفتهاند. است. ش ده اس تفاده ليزر لوله پيرامون در درجه صفر دماي با آب جريان از گاز کردن خنک براي است. ش ده اس تفاده گاز ش ارش و تخليه براي 25 m 3 h/ قدرت با خال س امانهي يک از همچنين تخت آينهي يک و 5 m انحناي شعاع با 95% طال آينهي يک شامل تخت-کروي نوري تش ديدگر دما به نس بت ژرمانيوم آينههای با مقايس ه در ZnSe آينههای جذب ضريب ميباش د. ZnSe 60% آينه عنوان به معمول طور به نيز طال آينه و جلو آينه عنوان به بيشتر اينرو از و دارد کمتری نوسان شده داده قرار موجبر انتهاي از 5 cm فاصله در طال آينه شدهاند. استفاده CO 2 ليزرهای کامل بازتابنده به موجبر از عبور در تابشي اتالفهای از تا باشد كوچك میشود که آنجا تا بايد فاصله اين اس ت. 11[. و ]9 شود جلوگيري موجبر به آن بازگشت و آزاد فضاي اندازهگيریهای برای دستساز فشارسنج يک و )Coherent, LM-P105FS HTD( توانسنج يک

3 47 نعيمي امين سعيد منتظرالقائم محسن پازكيان هديه سجاد بتول جلواني سعيد مرتضوي سميه کاتد الکترود مسير در که آمپرمتری طريق از جريان اندازهگيری است. شده استفاده ليزر فشار و توان است. شده انجام دارد قرار زمين و mirror ZnSe anode Gas outlet water inlet water inlet anode mirror Au water outlet gas inlet cathode water outlet gas inlet R b A Ampermeter R b Power Supply شكل 1 : طرحوارهاي از چيدمان CO 2 موجبر ليزر آزمايشگاهی چيدمان از طرحوارهاي 1. شكل.CO 2 موجبر ليزر آزمايشگاهی نتايج بررسي و آزمايشها نسبتهای با گازي آميزههای در الکتريکي تخليه جريان حسب بر ليزر خروجي توان رفتار نخس ت تخليه جريان به ليزر خروجي توان وابستگي از نمونهاي اس ت. شده بررس ي CO 2 : N 2 : He نتايج بررسي و آزمايشها مختلف شده داده نشان )2( شکل در 50mbar کل فشار در و مختلف گازي آميزه نسبت س ه در الكتريكي ليزر خروجي توان رفتار نخست در باالتري توان :1 :1 3 نس بت با گازی آميزهی در میشود ديده ش کل در که طور همان اس ت. در الکتريکي تخليه جريان حسب بر آمده دست به الكتريكي تخليه جريان افزايش با آن س ريعتر افت با همراه :1 :1 4 نسبت با مقايس ه بستگي خروجي توان He و بوده مختلف هموارتر نسبتهای منحني اين :1 :1 با 4 نسبت گازي در هليوم آميزههای افزايش با حاليکه در است. نتيجه نيز ديگر کل فشار نمونهاي چند در آزمايشها اس ت.است. دادهشده بررسي نش ان الكتريكي CO 2 : تخليه جريانN 2 : به را كمتري ديگر طرف از 13[. بهو ]12 اس ت ليزر سازگار خروجي نيز توانديگران گزارشهاي وابستگي با که است ازداده نش ان را مش ابهي ميزان افزايش از امر اين نسبت است. داده افزايشسه در چشمگيری الكتريكي ميزان به تخليه را ليزر خروجی جريان توان نيتروژن افزايش میشود. ناشیکل فشار گازکربنيک در به نيتروژنو مختلف مولکولهای برانگيختگیگازي انرژیآميزه انتقالهای نهايت در ش د. انجام شده دادهگازی آميزه بهينهي نشان نس بت )2( شکلآوردن بهدس ت در براي 37mbar نيز ديگری آزمايشه اي که شده اندازهگيری CO 2 : N 2 : He = 1: 1/4: 3 بهينه نس بت در ~14/5 W خروجي توان بيش ينهي ديده شکل در که طور همان است. توجه با مقدار اين ميباش د. 3W/cm 3 حجم واحد بر توان و 0/2W/cm طول واحد در توان با برابر 3 نسبت با گازی آميزهی در میشود بهکار ولتاژهای است. شده محدود باالتر فش ارهاي در گاز شکس ت براي تغذيه منبع محدوديت به مه آزمايشهايی در حتی میکرد. تغيير الکتريکی تخليه جريان تغيير با همراه آزمايشها در رفت ه اب ليزر گازهای آميزهی مقاومت در که تغييراتی بهدليل میکرده تغيير فشار اما بوده ثابت جريان که ولتاژ بود. خواهند متفاوت مختلف فشارهای در رفته کار به ولتاژهای میآيد وجود به فش ار تغيير توان اندازهگيریهای دقت اس ت. بوده 8/3-11/3KV گس تره در آزمايشها اين در ليزر عملکرد است. بوده 0/1Wا± نيز آزمايشها اين در ليزر خروجي

4 CO 2 بر حسب پارامترهاي فشار گاز و جريان تخليه الکتريکي 48 بررسي رفتار توان خروجي ليزر موجبر l= 70 cm CO 2 : N 2 : He = 1: 1.4: 3 CO 2 : N 2 : He = 1: 1: 4 CO 2 : N 2 : He = 1: 1: 3 Pt= 50 mbar Discharge Current )ma( شكل 2. توان خروجي ليزر بر حسب جريان تخليه الکتريکي براي فشار کل 50 mbar در نسبتهاي مختلف آميزه گازي. س پس رفتار توان خروجي ليزر بر حس ب جريان الکتريکي در فشارهاي كل مختلف و در آميزهی CO 2 بررسي شد. نتيجهي اين آزمايشها در نمودارهاي : N 2 گازي با نسبت بهينهی = 1: 1/4: 3 He : شکل )3( نشان داده شده است l= 70 cm p t = 49 mbar p t = 43 mbar p t = 38 mbar p t = 32 mbar Discharge Current )ma( شكل 3. توان خروجي بر حسب جريان تخليه برای آميزهی گازي CO 2 در فشارهاي مختلف. : N 2 با نسبت = 1: 1/4: 3 He : همانطور که از نمودارها پيداست در هر فشار ثابت با افزايش جريان تخليه الکتريکي توان خروجي نخس ت افزايش مييابد. اين امر ريشه در افزايش تعداد الکترونهايي دارد که منجر به برانگيختگي CO 2 واروني بيشتر مولکولهای نيتروژن ميشود که خود با افزايش دمش برخوردی مولکولهای جمعي ت بيشتری را ب ه دنبال دارد. پس از آن با افزايش بيشتر جري ان تخليه در اثر برخوردهاي

5 49 نعيمي امين سعيد منتظرالقائم محسن پازكيان هديه سجاد بتول جلواني سعيد مرتضوي سميه توان افت و يافته کاهش وارون جمعيت آن ش دن گرمتر و گاز مولکولهاي با الکترونها کشس ان بيشينهی آن در که يافت را بهينهای جريان ميتوان فشار هر برای رو اين از ميشود. مشاهده خروجي گازی آميزهی کل فشار افزايش با که آن توجه شايان نکتهی است. شده اندازهگيری خروجی توان بهدست بيش ينه توان آن در که بهينه جريان ولي مييابد افزايش خروجی توان بيش ينهی حاليکه در است. نداشته چشمگيری تغيير است آمده و 3 mm قطر همان با لولهاي خروجي توان بر ليزر لوله طول اثر بررس ي منظور به بعد مرحلهی در به توجه با حالت اين در است. ش ده گرفته بهكار 35 cm يعني پيش ين لولهی درازای نصف طول با از بنابراين بوده استفاده قابل باال فشارهاي در گاز شكست براي تغذيه منبع تشديدگر كوتاهتر طول آند الکترودهای از يک هر آن در که است شده استفاده ليزر لوله الکتريکي تخليه يکپارچه طرح اين با شده انجام آزمايشهای برای ليزر کار ولتاژ شدهاند. داده قرار ليزر لولهی انتهای دو در کاتد و است. شده گرفته نظر در 260 KΩ آن محافظ مقاومت و 5-9 KV لوله در تخليه جريان با لي زر خروجي توان وابس تگي ش د. تكرار كوتاهتر طول با لوله براي آزمايشها نمودارهاي در ~78 mbar کل فشار در 1: 1/2: 3/8 و 1: 1: 4 1: 1: 3 نسبتهای با گازی آميزههای نسبتهای در آمده بهدست آن در بيشينه خروجي توان كه جرياني است شده داده نشان )4( ش كل در نيتروژن چگالي افزايش با حاليکه در است. آمده بهدست يكسان حدی تا متفاوت هليوم ميزان با انجام نيز ديگر ورودي فشار چند در آزمايشها اين است. يافته افزايش بهينه جريان گازی مخلوط است. شده مشاهده مشابه نتايج و l= 35 cm CO 2 : N 2 : He = 1: 1: 3 CO 2 : N 2 : He = 1: 1: 4 CO 2 : N 2 : He = 1: 1.2: 3.8 Pt= 78 mbar Discharge Current )ma( الكتريكي تخليه جريان حسب بر ليزر خروجي توان 4. شكل کوتاهتر. لولهی در گازي آميزه مختلف نسبت سه در گازی آميزهی بهينهی نسبت در كل فشار برحسب ليزر خروجي توان تغييرات نمودار )5( شكل در نشان بود آمده بهدس ت آن در بيش ينه خروجي توان که 13~ ma ثابت جريان در و :1 :1/2 3/8

6 الکتريکي تخليه جريان و گاز فشار پارامترهاي حسب بر CO 2 موجبر ليزر خروجي توان رفتار بررسي 50 78mbar برابر تقريبا فشاري در 6W حدود خروجي توان بيشينه بهينه نسبت اين با است. ش ده داده ترتيب به ليزر لوله حجم واحد بر توان و طول واحد ازاي به توان مورد اين در است. آمده بهدس ت است. آمده بهدست 2/5W/cm 3 و 0/17W/cm برابر 7 6 CO2: N2: He = 1: 1.2: 3.8 I= 13 ma l= 35 cm Total Pressure )mbar( گازها آميزه بهينه نسبت در کل فشار حسب بر خروجي توان تغييرات 5. شكل کوتاهتر. لولهی در 13 ma ثابت جريان در و هليوم گاز مختلف نسبتهاي با گازي آميزههاي در کل فشار حسب بر ليزر خروجي توان تغييرات و :1 :1 4 گاز آميزه نسبت دو در آزمايشها اين نتايج است. شده بررسي 12 ma ثابت جريان در نيز افزايش با نسبت دو هر در ميشود مشاهده كه طور همان است. شده داده نشان )6( شکل در :1 :1 3 افزايش بيشينه مقدار يك تا ابتدا ليزر خروجي توان فعال ماده جمعيت افزايش به توجه با گاز فشار يافته كاهش توان برخوردي واهلشهاي ميزان افزايش دليل به فش ار بيش تر افزايش با آن از پس و نتايج هستند. متفاوت آمدهاند بهدست نسبت دو اين براي كه بهينهاي فشار مقادير حال اين با اس ت. ليكن بوده برابر تقريبا آميزه دو براي خروجي توان بيشينه كه حالي در كه ميدهد نش ان آزمايشها اين در است. شده ممکن باالتري فشار در ليزر عملکرد :1( :1 )4 هليوم بيشتر چگالي با نسبت در پايينی تراز در جمعيت کاهش و مطلوب واهلشهای افزايش سبب هليوم کمکی گاز افزايش حالت براي بهينه فشار مقادير است. آورده فراهم را باالتر فشارهای در ليزر عملکرد امکان که میشود ليزر توان بيشينهي آنها در كه ش ده برآورد 80 mbarا و 65 حدود ترتيب به :1 :1 4 و :1 :1 3 نس بتهاي است. آمده بهدست ~ 4/9W و 4/7 با برابر خروجي توانهای بيشينه ترتيب به 35 cm و 70 لوله مختلف طولهای با ليزر عملکرد شرايط بهينه در نهايت در است. شده حاصل ±0/5W و ±2 توان پايداریهای و % 4/3 و % 5/7 بازدهیهای با 6 W و 14/5 و اس ت بوده پايدار 10/6 µm موج طول با )20(10P خط روي همواره نيز ليزر اين خروجي بيناب است. داده نش ان را )20(10P خط روي هميش گي پايداري نيز جريان تغييرات با حتي ليزر گس يل

7 51 نعيمي امين سعيد منتظرالقائم محسن پازكيان هديه سجاد بتول جلواني سعيد مرتضوي سميه CO 2 : N 2 : He= 1: 1: 3 CO 2 : N 2 : He= 1: 1: 4 l= 35 cm Total Pressure )mbar( متفاوت هليوم ميزان با نسبتهاي در کل فشار حسب بر خروجي توان تغييرات 6. شكل کوتاهتر. لولهی در 12 ma ثابت جريان در ليزر خروجی در که دارد وجود الکتريکی تخليه جريان در تغيير از پس گذرايي زمان وجود اين با ليزر خروجی دوباره نيز کوتاه زمان اين از پس که میشوند مشاهده )20(10P از غير ديگری خطوط ]14[. است شده پايدار خط اين روی بر نتيجهگيري ورودي فش ار و گازها آميزه تخليه جريان حس ب بر CO 2 موجبر ليزر خروجي توان بهينهس ازي رد آمده بهدست نتايج اس اس بر اس ت. گرفته قرار بررس ي مورد متفاوت طولهاي با لولههاي در بهترتيب خروجي توانهاي بيش ينهی 70 cm و 35 طولهاي و 3 mm قطر با اس توانهاي موجبرهاي ميباش د 0/2 W/cm و 0/17 W/cm طول واحد ازاي به توانهای با براب ر ك ه 14/5 W و 6 W باالتر فشارهای در ليزر اجرای نيز گازی آميزهی در هليوم گاز چگالي افزايش است. ش ده حاصل است. آورده فراهم را References [1] [2] [3] T.J. Bridge, et. al; Appl. Phys. Lett, Vol. 20, No. 10, (1972) 403. G. Schafer, H. Hofman, and W.D. Peterson; IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.QE-18, No. 1, (1982) 87. R.L. Abrams and W.B. Bridges, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.QE-9, No. 9, (1973) 940.

8 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [9] [10] [11] [12] T.J. Bridge, et. al; Appl. Phys. Lett, Vol. 20, No. 10, (1972) 403. G. Schafer, الکتريکي H. Hofman, تخليه جريان and و W.D. گاز فشار Peterson; پارامترهاي IEEE حسب Journal بر CO 2 of موجبر Quantum ليزر خروجي Electronics, توان رفتار بررسي 52 Vol.QE-18, No. 1, (1982) 87. R.L. Abrams and W.B. Bridges, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.QE-9, No. 9, (1973) 940. S.V. Deshmukh and C. Rajagopalan; Pramana- Journal of Physics, Vol. 61, No. 6, (2003) Smith P.W., P.J. Maloney, O.R. WoodII; Applied Physics letter; Vol. 31, No. 11, (2009) 738. L. Boscolo, G. Brauti, A. Raino, V. Stagno; Optics Communications, 507, (1987) 35. D.Q. Hall, R.M. Jenkins and E.K. Gorton; J. Phys. D: Appl. Phys, Vol. 11, (1978) 859. انرژی سازمان هستهای تحقيقات مرکز گازکربنيک«موج راهنمای ليزر ساخت و»طراحی همکاران و نعيمي امين سعيد ايران. اتمي D. Crocker; J. Phys. E: Sci. Instrum. Vol. 14, (1981) 121. A.E. Belyanko. et.al; Sov. J. Quantum Electron, 14(1). (1984). S. Avrillier and J. Verdonck; J. Appl. Phys, Vol. 48, No. 12, (1977) Z. Kucerovsky and E. Brannen; Rev. Sci. Instrum, 54(9). (1983) الزهرا)س( دانشگاه ارشد کارشناسي پاياننامة گازکربنيک«موجبر ليزر يک بهينهسازی و»طراحی مرتضوی سميه تخليه جريان و کمکي گاز فشار اثر تجربي»بررسي همکاران و جلوانی سعيد سجاد بتول سيالخوری کاوه مرتضوی سميه آزاد دانشگاه 39 مولکولي اتمي- فيزيک فصلنامه»CO 2 موجبر ليزر بينابي خطوط و خروجي توان بر الکتريکی [8] [13] [14]