3-2 پرتوهای هلمهولتز-گاوس………………………………………………………………………………………………….32
3-2-1 پرتو بسل-گاوس……………………………………………………………………………………………………………33
3-2-2 پرتو ماتیو-گاوس……………………………………………………………………………………………………………35
3-2-3 پرتو کسینوس-گاوس……………………………………………………………………………………………………37
3-2-4 پرتو سهموی-گاوس………………………………………………………………………………………………………37
3-3 مدل گرمایی……………………………………………………………………………………………………………………….39
3-4 محاسبه فاصله کانونی عدسی گرمایی و شبیه سازی توزیع شدت پرتوهای کسینوس-گاوس و سهموی-گاوس………………………………………………………………………………………………………………………..47
3-5 مقایسه تأثیر گرما بر تولید پرتوهای هلمهولتز-گاوس………………………………………………………66
3-6 نتیجه گیری ………………………………………………………………………………………………………………………73
فصل چهارم: بررسی اثر بازدیسی نیمرخ دمش بر مدل گرمایی پرتوهای هلمهولتز-گاوس یک لیزر حالت جامد
4-1 مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………..76
4-2 مدل گرمایی و انتقال پرتو در محیط عدسی-گونه القایی…………………………………………………77
4-3 نتایج…………………………………………………………………………………………………………………………………..79
4-3-1 چشمه گرمایی دارای نیمرخ بسل-گاوس………………………………………………………………………80
فهرست مطالب
عنوان صفحه
4-3-2 چشمه گرمایی دارای نیمرخ ماتیو-گاوس……………………………………………………………………..85
4-3-3 چشمه گرمایی دارای نیمرخ کسینوس-گاوس……………………………………………………………..91
4-4 بحث……………………………………………………………………………………………………………………………………95
4-5 نتیجه‌گیری………………………………………………………………………………………………………………………..96
فصل پنجم: نتیجه‌گیری
5-1 نتیجه‌گیری و پیشنهادات………………………………………………………………………………..97
منابع……………………………………………………………………………………………………………..100

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 2-1 انتقال گرما از یک صفحه فلزی داغ از طریق همرفت………………………………………………..13
شکل 2-2 ترازهای انرژی در یک لیزر چهار ترازی……………………………………………………………………16
شکل 2-3 سامانه‌های خنک کننده با سیال در حالت دمش طولی……………………………………………18

شکل 2-4 سطح مقطع سامانه خنک کننده و تصویر لکه دمش بر روی آن……………………………..18
شکل 2-5 سامانه خنک‌سازی میله لیزری توسط صفحه خنک‌کننده……………………………………….22
شکل 2-6 سطح مقطع میله لیزری با دمش جانبی از سه طرف………………………………………………..25
شکل 3-1 چیدمان آزمایشگاهی هاکولا برای تولید پرتوهای بسل-گاوس……………………………….34
شکل 3-2 چیدمان آزمایشگاهی برای تولید پرتوهای ماتیو-گاوس…………………………………………..34
شکل 3-3 تغییرات چگالی چشمه گرمایی بر حسب فاصله شعاعی …………………………………………41
شکل 3-4 تغییرات چگالی چشمه گرمایی در راستای شعاع میله برای کمرهای پرتو دمشی متفاوت در توان دمش 5وات……………………………………………………………………………………………………..41
شکل 3-5 توزیع دمای بلور در راستای شعاع میله برای توان دمش مختلف……………………………..43
شکل 3-6 توزیع دمای بلور در راستای محور میله برای توان دمش مختلف………………………………43
شکل 3-7 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله 2 سانتی متری از کمر پرتو برای توان دمش 1وات…………………………………………………………………………………………………50
شکل 3-8 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله 2 سانتی متری از کمر پرتو برای توان دمش 3وات…………………………………………………………………………………………………51
شکل 3-9 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله 2 سانتی متری از کمر پرتو برای توان دمش 5وات…………………………………………………………………………………………………52
شکل 3-10 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله 5 سانتی متری از کمر پرتو برای توان دمش 1وات……………………………………………………………………………………………..53
شکل 3-11 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله 5 سانتی متری از کمر پرتو برای توان دمش 3وات……………………………………………………………………………………………..54
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 3-12 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله 5 سانتی متری از کمر پرتو برای توان دمش 5وات……………………………………………………………………………………………..55
شکل 3-13 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله 10سانتی متری از کمر پرتو برای توان دمش 1وات …………………………………………………………………………………………..56
شکل 3-14 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله 10سانتی متری از کمر پرتو برای توان دمش 3وات ……………………………………………………………………………………………57
شکل 3-15 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله 10سانتی متری از کمر پرتو برای توان دمش 5وات……………………………………………………………………………………………..58
شکل 3-16 از بالا به پایین) توزیع شدت پروهای سهموی-گاوس در فاصله 2 سانتی‌متری از کمر پرتو به ترتیب برای توان دمش 1، 3 و 5وات. خطوط نقطه چین مدل گرمایی پرتو سهموی-گاوس و خطوط ممتد برای مدل بدون گرما……………………………………………………………………………….60
شکل 3-17 سمت چپ از بالا به پایین) لکه لیزری مدل گرمایی پرتو سهموی-گاوس در فاصله 2 سانتی‌متری از کمر پرتو به ترتیب برای توان دمش 1، 3 و 5وات. سمت راست: لکه لیزری سهموی-گاوس در فاصله 2 سانتی‌متری از کمر برای مدل بدون گرما…………………………………….61
شکل 3-18 از بالا به پایین) توزیع شدت پرتوهای سهموی-گاوس در فاصله 5 سانتی‌متری از کمر پرتو به ترتیب برای توان دمش 1، 3 و 5وات. خطوط نقطه چین مدل گرمایی پرتو سهموی-گاوس و خطوط ممتد برای مدل بدون گرما…………………………………………………………………………….62
شکل 3-19 سمت چپ از بالا به پایین) لکه لیزری مدل گرمایی پرتو سهموی-گاوس در فاصله 5 سانتی‌متری از کمر پرتو به ترتیب برای توان دمش 1، 3 و 5وات. سمت راست: لکه لیزری سهموی-گاوس در فاصله 5 سانتی‌متری از کمر برای مدل بدون گرما………………………………………63
شکل 3-20: از بالا به پایین) توزیع شدت پروهای سهموی-گاوس در فاصله 10 سانتی‌متری از کمر پرتو به ترتیب برای توان دمش 1، 3 و 5وات. خطوط نقطه چین مدل گرمایی پرتو سهموی-گاوس و خطوط ممتد برای مدل بدون گرما……………………………………………………………………………….64
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 3-21 سمت چپ از بالا به پایین) لکه لیزری مدل گرمایی پرتو سهموی-گاوس در فاصله 10سانتی‌متری از کمر پرتو به ترتیب برای توان دمش 1، 3 و 5وات. سمت راست: لکه لیزری سهموی-گاوس در فاصله 10سانتی‌متری از کمر برای مدل بدون گرما……………………………………65
شکل 3-22 توزیع شدت پرتوهای خاص در فاصله‌ی 2سانتی متری از کمر پرتو برای توان دمش 1، 3 و 5 وات………………………………………………………………………………………………………………………………67
شکل 3-23 لکه لیزری برای مدل گرمایی در فاصله‌ی 2سانتی متری از کمر پرتو، به ترتیب برای توان دمش 1، 3 و 5 وات……………………………………………………………………………………………………………68
شکل 3-24 توزیع شدت پرتوهای خاص در فاصله‌ی 5سانتی متری از کمر پرتو برای توان دمش 1، 3 و 5 وات………………………………………………………………………………………………………………………………69
شکل 3-25 لکه لیزری برای مدل گرمایی در فاصله‌ی 5سانتی متری از کمر پرتو، به ترتیب برای توان دمش 1، 3 و 5 وات……………………………………………………………………………………………………………70
شکل3-26: از بالا به پایین: توزیع شدت مدل گرمایی پرتوهای خاص در فاصله‌ی 5 سانتی متری از کمر پرتو، به ترتیب برای کمر پرتو دمش 200 ,100 و 300 ?m در توان دمش 5 وات…….72
شکل3-27: از بالا به پایین: لکه لیزری برای مدل گرمایی در فاصله‌ی 5 سانتی متری از کمر پرتو، به ترتیب برای کمر پرتو دمش 200 ,100 و 300 ?m در توان دمش 5 وات……………73
شکل 4-1 شکل 4-1 شمای بلور لیزری دمش شده از انتها……………………………………………………80
شکل 4-2 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای بسل-گاوس در فاصله 2سانتی متری از کمر پرتو برای توان پمپ 1وات………………………………………………………………………………………………………….82
شکل 4-3 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای بسل-گاوس در فاصله 2سانتی متری از کمر پرتو برای توان پمپ 3وات………………………………………………………………………………………………………….83
شکل 4-4 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای بسل-گاوس در فاصله 2سانتی متری از کمر پرتو برای توان پمپ 5وات………………………………………………………………………………………………………….83
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4-5 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای بسل-گاوس در فاصله 5سانتی متری از کمر پرتو برای توان پمپ 1وات…………………………………………………………………………………………………………84
شکل 4-6 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای بسل-گاوس در فاصله 5سانتی متری از کمر پرتو برای توان پمپ 3وات………………………………………………………………………………………………………….84
شکل 4-7 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای بسل-گاوس در فاصله 5سانتی متری از کمر پرتو برای توان پمپ 5وات…………………………………………………………………………………………………………85
شکل 4-8 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای ماتیو-گاوس در فاصله 2سانتی متری از کمر پرتو برای توان پمپ 1وات………………………………………………………………………………………………………….88
شکل 4-9 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای ماتیو-گاوس در فاصله 2سانتی متری از کمر پرتو برای توان پمپ 3وات………………………………………………………………………………………………………….88
شکل 4-10 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای ماتیو-گاوس در فاصله 2سانتی متری از کمر پرتو برای توان پمپ 5وات………………………………………………………………………………………………………….89
شکل 4-11 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای ماتیو-گاوس در فاصله 5سانتی متری از کمر پرتو برای توان پمپ 1وات………………………………………………………………………………………………………….89
شکل 4-12 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای ماتیو-گاوس در فاصله 5سانتی متری از کمر پرتو برای توان پمپ 3وات………………………………………………………………………………………………………….90
شکل 4-13 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای ماتیو-گاوس در فاصله 5سانتی متری از کمر پرتو برای توان پمپ 5وات………………………………………………………………………………………………………….90
شکل 4-14 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله 2سانتی متری از کمر پرتو برای توان پمپ 1وات……………………………………………………………………………………………….92
شکل 4-15 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله 2سانتی متری از کمر پرتو برای توان پمپ 3وات……………………………………………………………………………………………….92
شکل 4-16 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله 2سانتی متری از کمر پرتو برای توان پمپ 5وات………………………………………………………………………………………………93
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4-17 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله 5سانتی متری از کمر پرتو برای توان پمپ 1وات………………………………………………………………………………………………93
شکل 4-18 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله 5سانتی متری از کمر پرتو برای توان پمپ 3وات………………………………………………………………………………………………94
شکل 4-19 توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله 5سانتی متری از کمر پرتو برای توان پمپ 5وات………………………………………………………………………………………………94
فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول 3-1 فاصله کانونی عدسی گرمایی بر حسب توان دمش………………………………………………….48
جدول 3-2 فاصله کانونی عدسی گرمایی بر حسب کمر پرتو دمش…………………………………………..48
جدول 4-1: فاصله کانونی عدسی گرمایی برای نیمرخ چشمه گرمایی بسل-گاوس…………………81
جدول 4-2: فاصله کانونی عدسی گرمایی برای نیمرخ چشمه گرمایی ماتیو-گاوس………………..86
جدول 4-3: فاصله کانونی عدسی گرمایی برای نیمرخ چشمه گرمایی کسینوس-گاوس…………91
فصل اول:
مقدمه
مقدمه
مقدمه و تاریخچه
اثرات گرمایی در لیزرهای حالت جامد غیرقابل اغماض هستند، به ویژه هنگامی که دمش با توان بالا صورت می‌گیرد، بنابراین در سال‌های اخیر، پژوهش‌ها و تحقیقات فراوانی می‌توان یافت که به بررسی اثرات ناشی از تولید گرما در لیزرهای حالت جامد پرداخته‌اند ]1-3[. تخمین گرمای تولید شده در ماده فعال لیزری، می‌تواند در طراحی لیزر به ویژه در مشخص‌کردن اندازه بلور، بازده و توان خروجی، نوع سیستم خنک کننده لیزر اهمیت داشته باشد. عوامل تولید گرما در بلور لیزری را می‌توان در انتقال بالاسوی انرژی1]4[، فرو افت‌های غیرتابشی و نقص‌های کوانتومی2]5[، فروافت تراکمی3]6[، گرمای همراه فرآیندهای فلورسانس و گسیل القایی]6[ برشمرد که البته سهم هر کدام از این عوامل در تولید گرما، متفاوت است و گاهی اوقات می‌توان در بعضی مواد مختلف از برخی از این عوامل ذکر شده صرفنظر کرد.
در لیزرهای حالت جامد، تمرکز انرژِی دمش در منطقه‌ی کوچکی حول محور طولی بلور، منجر به تولید گرما شده و در نتیجه منجر به توزیع غیریکنواخت دما در میله لیزری می‌شود. گرمای تولید‌شده در این منطقه، برای رسیدن به تعادل گرمایی، از طریق رسانش به سمت مرزهای خنک‌تر حرکت کرده و از آنجا از طریق فرآیند همرفت و تا حدودی تابش به محیط پیرامون منتقل می‌شود. این فرآیند باعث ایجاد شیب دمایی4 در میله لیزری شده که خود زمینه‌ساز بروز اثرات منفی بر خروجی لیزر می‌شود. توزیع غیریکنواخت دما در بلور لیزری، باعث به وجود آمدن اثرات ناخوشایند نظیر پاشندگی گرمایی5 ناشی از تغییر ضریب شکست، انحنای سطوح بلور (اثر انتها)، تنش6 و کرنش7 گرمایی می‌شود. پاشندگی گرمایی و اثر انتها باعث القای اختلاف فاز بین پرتوهای عبوری روی محور بلور و پرتوهای عبوری از سایر فواصل می‌شوند، لذا در محیط‌های بلوری، این اثرات به مانند عدسی محدب رفتار می‌کنند. شکل این عدسی گرمایی القایی کاملاً به نیمرخ دمش بستگی دارد. از دیگر اثرات گرمایی، می‌توان به ایجاد دوشکستی القایی 8در بلور‌های لیزری همسانگرد اشاره کرد که در اثر وجود تنش و کرنش گرمایی در آن به وجود می‌آید. اصطلاح دوشکستی به این دلیل به کار می‌رود که نور در ابتدا مولفه‌ی میدان در راستای انتشار ندارد اما در حین عبور از محیط، بردار قطبش خطی اولیه آن به دو بردار عمود برهم تجزیه می‌شود. به علت القای دوشکستی، واقطبیدگی در بلور همسانگرد رخ می‌دهد که به صورت نسبت انرژی صرف شده برای تولید مولفه عمود بر قطبش اولیه به کل انرژی نور قطبیده خطی اولیه تعریف می‌شود. کنترل اعوجاج جبهه موج و واقطبیدگی ناشی از دوشکستی شدن، موضوعاتی هستند که ذهن طراحان لیزر را به خود مشغول ساخته‌اند، به این دلیل که عدم شناخت و جبران آن‌ها باعث کاهش کیفیت پرتو خروجی لیزر می‌شود]7,8[. از طرفی میزان اعوجاج گرمایی9 و دوشکستی‌شدن، به میزان گرمای تولید شده بر واحد حجم و خصوصیات گرمایی-اپتیکی بلور لیزری بستگی دارد. انبساط‌های غیر یکنواخت ماده لیزری ناشی از وجود توزیع غیریکنواخت دما، باعث تغییر در خواص مکانیکی و گرمایی بلور نظیر ظرفیت گرمایی ویژه، رسانندگی ویژه، سختی و حد شکست آن می‌شود. بنابراین وجود اثرات گرمایی در ماده فعال لیزری، تغییر خواص نوری و اپتیکی بلور، ناپایداری کاواک لیزر، کاهش کیفیت پرتو10 و اعوجاج جبهه موج11 را در پی دارد]9-11[. بنابراین بررسی اثرات گرمایی در لیزرهای حالت جامد پرتوان دارای اهمیت فراوانی است و باید با ارائه پیکربندی و طراحی مناسب، اثرات گرمایی در این لیزرها کاهش داده شود.
اخیراً روش‌هایی برای کاهش اثرات گرمایی ارائه شده است که می‌توان به تغییر طول موج دمش]12[، توزیع مناسب چگالی یون‌های فعال در بلور]13[، ساخت لیزرهای تیغه‌ای با دمش از کنار]14[، ساخت لیزرهای میله‌ای دمش از کنار با منعکس کننده‌هایی جهت پخش و توزیع یکنواخت گرما]15[ و ساخت لیزرهای دیسک نازک خنک‌شونده با صفحه ]16[ اشاره کرد. عیب این سیستم‌ها، پیچیدگی زیاد و انعطاف پذیر نبودن طراحی آن‌ها است. بنابراین به نظر می‌رسد که سیستم‌های متعارف دمش از انتها با مشددهای ساده هنوز به خاطر بازده بالا و کار در بازه وسیعی از طول‌موج‌ها، نسبت به سایر طراحی‌ها ترجیح داده می‌شوند. لذا این موضوع، اهمیت بررسی اثرات گرمایی را در این سیستم‌ها دوچندان می‌کند.
از طرفی با توجه به اهمیت تولید گرما و تأثیر آن بر خصوصیات اپتومکانیکی ماده فعال، اثرات گرمایی کاربردهای مهمی نظیر اندازه‌گیری خصوصیات گرمایی و اپتیکی مایعات، کریستال‌های مایع و شیشه‌ها دارد. برای اندازه‌گیری خصوصیات گرمایی-اپتیکی، پرتو لیزر از نمونه عبور داده می‌شود و باعث القای یک عدسی گرمایی متغیر با زمان می‌شود. با اندازه‌گیری تغییرات شدت بر حسب زمان و مقایسه آن با مدل نظری، می‌توان کمیت‌هایی مانند ضریب پخش گرمایی، رسانندگی گرمایی، بازده کوانتومی فرآیند فلورسانس و تغییرات غیرخطی ضریب شکست را اندازه‌گیری کرد. همچنین اثرات گرمایی در تقویت‌کننده‌ها و کاهش دهنده‌های فیبری، توان سیگنال را محدود می‌کند. بنابراین تمام موارد ذکر شده در بالا، معرف اهمیت بررسی، مدل‌سازی و اندازه‌گیری اثرات گرمایی برای کاهش، بهینه‌سازی و استفاده مفید این اثر در سیستم‌های اپتیکی و لیزری است.
بررسی اثرات گرمایی در سیستم‌های لیزری به سال 1965 برمی‌‌گردد. در این سال گوردن و همکارانش، اثر عدسی گرمایی وابسته به زمان را در یک لیزر هلیوم-نئون مشاهده کردند]17[. آن‌ها نمونه حاوی مایع را تحت تابش پرتوهای قرمزرنگ با طول موج 6328 A? قرار داده و اثر عدسی‌گون شدن را مشاهده و آن‌را به جذب و انباشت انرژی در نمونه نسبت دادند. بعد از این اتفاق مهم، تحقیقات وسیعی در زمینه بررسی اثرات گرمایی در لیزرهای حالت جامد صورت گرفت تا اینکه والتر کوچنر توانست اولین مدل گرمایی را برای لیزر Nd:YAG برای دمش‌‌های مختلف ارائه کند و همچنین توزیع دما را در حالت‌های گذرا و پایا محاسبه کند]18[. مدل‌سازی و اندازه‌گیری اثرات گرمایی در لیزرهای حالت جامد ادامه پیدا کرد تا اینکه در سال 1985 گرینر و همکارانش توانستند با استفاده از برنامه نویسی کامپیوتری، توزیع دما، تنش و دوشکستی را شبیه‌سازی کنند اما به دلیل جامع و فراگیر‌نبودن آن، این کار مورد اقبال واقع نشد]19[. به هرحال کامل ترین مدل گرمایی که تاکنون ارائه شده، مدلی است که برای بلور‌های استوانه‌ای شکل در سال 2001 توسط بوریس یوسیویچ و همکارانش ارائه شده است. آن‌ها با درنظرگرفتن انتقال گرما از تمام سطوح میله از طریق همرفت، توزیع دما را در راستای شعاع و محور بلور بدست آورده‌اند]20[. در همین راستا، نادگران و صبائیان در سال 2006 با در نظر گرفتن نیمرخ12 سوپرگاوسی برای پالس‌های کوتاه، توزیع دما، پاشندگی گرمایی و اثر انتها را محاسبه کردند و در ادامه توانستد در سال 2008 اثرات گرمایی بر تولید پرتوهای بسل-گاوس را بررسی و نتایج آن را با کار تجربی هاکولا مقایسه کنند]21[. کلاً کسانی که در زمینه مطالعه اثرات گرمایی در لیزرها کار کرده‌اند را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد: گروه اول ادامه دهنده کار کوچنر بوده و توانسته‌اند مدل‌های گرمایی در حالت پایا را ارائه کنند. گروه دوم پیرو تحقیقات گوردن بوده و دنبال ارائه مدل گرمایی در حالت گذرا بوده‌اند.
آنچه در رساله خواهد آمد
با توجه به آنچه گفته شد، بررسی اثرات گرمایی در سیستم‌های اپتیکی و لیزری به ویژه لیزرهای حالت جامد پرتوان بسیار حائز اهمیت است. این رساله برای تبیین این اهمیت، به بررسی و تحقیق تأثیر گرما و تأثیر بازدیسی نیمرخ دمش بر تولید پرتوهای خاص خانواده هلمهولتز-گاوس پرداخته است.
فصل دوم رساله به بیان اصول انتقال گرما و شیوه‌های متداول آن می‌پردازد و سپس چگونگی تولید و انتقال گرما در لیزرهای حالت جامد را بررسی و ارتباط آن با نحوه دمش را تشریح می‌کند. فصل سوم، تأثیر گرما بر تولید پرتوهای‌ خاص خانواده هلمهولتز-گاوس را بررسی می‌کند، برای این منظور، چگونگی توزیع دما و چشمه‌ی گرمایی در میله شبیه‌سازی‌ و فاصله کانونی عدسی گرمایی القایی برای توان دمش و کمر پرتو دمش مختلف محاسبه می‌شود. سپس با استفاده از یک مدل گرمایی که یک محیط با ضریب شکست متغیر را توصیف می‌کند، با درنظرگرفتن اثرات گرمایی، توزیع شدت و لکه لیزری پرتوهای کسینوس-گاوس و سهموی-گاوس را بر حسب فاصله شعاعی شبیه‌سازی و با توزیع شدت و لکه لیزری مدل بدون گرمای این پرتوها مقایسه می‌شود. در انتهای این فصل، میزان تأثیر گرما بر تولید چهار پرتو خاص خانواده هلمهولتز-گاوس بررسی و مقایسه می‌گردد.
فصل چهارم این رساله، اثر بازدیسی نیمرخ دمش و به تبع آن بازدیسی نیمرخ چشمه‌ی گرمایی بر مدل گرمایی پرتوهای خاص را بررسی می‌کند. در این فصل، از مدل گرمایی فصل سوم که یک محیط با ضریب شکست متغیر را توصیف می‌کند، استفاده شده و تأثیر بازدیسی نیمرخ دمش بر رفتار عدسی-گونه محیط فعال و همچنین تولید پرتوهای خاص بسل-گاوس، ماتیو-گاوس و کسینوس-گاوس را بررسی می‌کند.
فصل دوم:
تأثیر گرما بر عملکرد لیزرهای حالت جامد
2- تأثیر گرما بر عملکرد لیزرهای حالت جامد
2-1 مقدمه
تولید گرما در لیزرهای حالت جامد پرتوان، اثرات مهمی بر عملکرد لیزر دارد، لذا باید در طراحی و ساخت این گونه لیزرها، نقش و تأثیر گرما به صورت صحیح در نظر گرفته شود. مهمترین عامل در طراحی یک کاواک لیزری، توجه به میزان بازده انتقال انرژی از منبع دمش به محیط فعال لیزر است. در کاواک لیزری باید جفت‌شدگی خوبی میان تابش منبع دمش و محیط فعال لیزری وجود داشته باشد. این جفت‌شدگی، باعث توزیع یکنواخت انرژی در میله لیزر شده و به تبع آن شیب دمایی یکنواختی در آن به وجود می‌آید. از طرفی توزیع غیریکنواخت و نامنظم دما در میله لیزر، باعث بروز اعوجاج در پرتو خروجی لیزر خواهد شد.
برای دمش کاواک‌های لیزری، طراحی‌های مختلفی نظیر دمش انتهایی13 و دمش جانبی14 وجود دارد که هرکدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. با توجه به نوع و کاربرد لیزر، می‌توان از دمش با لیزر نیم‌رسانا یا دمش با چشمه غیرهمدوس (لامپ درخشی) استفاده کرد. دمش میله لیزر با لامپ درخشی معایب بسیاری از جمله اثرات گرمایی بالا و بازده لیزری بسیار پایین دارد. در حالی که در دمش با لیزر نیم‌رسانا این بازدهی بسیار بهتر، اثرات گرمایی کمتر و به تبع آن کیفیت لکه لیزری نیز بهتر از دمش میله لیزر با لامپ درخشی است.
2-2 اصول اساسی انتقال گرما
انتقال گرما علمی است که انتقال انرژی به واسطه وجود اختلاف دما بین دو جسم را توضیح می‌دهد. با توجه به مفاهیم ترمودینامیک، این انرژی انتقال یافته، گرما تعریف می‌شود. علم انتقال گرما نه تنها چگونگی انتقال را تشریح می‌کند بلکه نرخ این تبادل تحت شرایط خاص را نیز پیش‌بینی می‌کند. سه طریق رسانش، همرفت15و تابش برای انتقال گرما معرفی می‌شود که سازوکار این سه روش مذکور در ادامه تشریح می‌گردد.
2-2-1 انتقال گرما از طریق رسانش
هنگامی‌که در جسمی اختلاف دما وجود داشته باشد، انتقال گرما از ناحیه‌ی دارای دمای بالا به ناحیه‌ی دارای دمای پایین‌تر صورت می‌گیرد. در این حالت می‌گوییم گرما از طریق رسانش انتقال یافته است. نرخ انتقال گرما در واحد سطح متناسب با گرادیان دما می‌باشد:
q/A??T/?x (2-1)
با استفاده از ضریب تناسب K که موسوم به ضریب رسانندگی گرمایی16 است، رابطه فوق به‌صورت زیر بیان می‌شود]22[:
q=-KA ?T/?x (2-2)
به طوری که در رابطه فوق q نرخ انتقال گرما، A سطح مقطع شارش و ?T/?x گرادیان دمایی در جهت جریان گرما می‌باشد. رابطه (2-2) قانون فوریه در هدایت گرما نام دارد و علامت منفی به این دلیل در این رابطه قرار می‌گیرد که اصل دوم ترمودینامیک برقرار شود. مطابق این اصل جهت جریان گرما به طرف دمای پایین‌تر است. معادله انتقال گرما در مختصات دکارتی با استفاده از رابطه (2-2) و در نظرگرفتن رسانش گرمایی ورودی و خروجی به واحد حجم یک عنصر دیفرانسیلی، به صورت زیر می‌باشد]22[:
?/?x (K ?T/?x)+?/?y (K ?T/?y)+?/?z (K ?T/?z)+S=?c ?T/?t (2-3)
در رابطه فوق S چگالی چشمه گرمایی17 یا انرژی تولید شده در واحد حجم، ? چگالی جرمی، c ظرفیت گرمایی ویژه ماده و T دمای درون محیط بر حسب کلوین است و می‌تواند تابع مکان و زمان نیز باشد. ضریب رسانندگی گرمایی K می‌تواند تابع دما، مکان و زمان باشد. برای مواد همسانگرد گرمایی، K یک اسکالر است اما در مواد ناهمسانگرد گرمایی، یک تانسور مرتبه دوم است. با فرض انتشار گرما در یک محیط همگن و همسانگرد گرمایی، معادله انتقال گرما به صورت زیر در می‌آید]22[:
(2-4) (?^2 T)/(?x^2 )+(?^2 T)/(?y^2 )+(?^2 T)/(?z^2 )+S/K=1/? ?T/?t
در رابطه فوق ?=K/?C ضریب پخش گرمایی ماده18 نامیده می‌شود. هرچه مقدار ? بیشتر باشد، نفوذ و پخش گرما در جسم سریع‌تر خواهد بود. مقدار زیاد ? می‌تواند ناشی از زیاد‌ بودن مقدار ضریب هدایت گرمایی که خود بیانگر نرخ سریع انتقال گرما است، بوده یا می‌تواند به دلیل کم بودن مقدار ظرفیت گرمایی ویژه ماده ‌باشد. از آنجا که در میله لیزر تقارن استوانه‌ای وجود دارد، لازم است معادله انتقال گرما در چارچوب مختصات استوانه‌ای، به صورت زیر بیان ‌شود]22[:
(?^2 T)/(?r^2 )+1/r ?T/?r+1/r^2 (?^2 T)/(??^2 )+(?^2 T)/(?z^2 )+S/K=1/? ?T/?t (2-5)
در حالت شارش پایای گرما که تغییرات زمانی دما صفر است، معادله‌ی فوق به صورت زیر در نظر گرفته می‌شود]22[:
(?^2 T)/(?r^2 )+1/r ?T/?r+1/r^2 (?^2 T)/(??^2 )+(?^2 T)/(?z^2 )=-S/K (2-6)
این معادله برای سیستم‌های لیزری که به طور پیوسته دمیده می‌شوند کاربرد دارد (فصل سوم و چهارم را بینید). با حل معادله‌ی فوق، می‌توان چگونگی توزیع دما در میله لیزری را محاسبه کرد.
2-2-2 انتقال گرما از طریق همرفت (جابجایی)
شیوه دیگری از انتقال گرما که در سیالات اتفاق می‌افتد، انتقال گرما از طریق جریان همرفت است. این شکل انتقال گرما به دو روش انجام می‌پذیرد، که عبارتند از انتقال گرما از طریق جریان همرفت آزاد و اجباری. خنک‌شدن یک جسم داغ در مجاورت هوا را می‌توان مثالی از انتقال گرما از طریق جریان همرفت آزاد نام برد. همچنین در سامانه‌هایی که خنک‌سازی آن‌ها از طریق آب یا هر سیال دیگر انجام می‌شود را می‌توان نمونه‌ای از انتقال گرما از طریق جریان همرفت اجباری در نظر گرفت.
با توجه به اهمیت جریان همرفت اجباری، تنها به بررسی این حالت پرداخته و از بحث در مورد جریان همرفت آزاد صرفنظر می‌کنیم. برای این منظور صفحه فلزی داغ شکل (2-1) را در نظر می‌گیریم. در این شکل مشاهده می‌شود که از تماس یک سیال با صفحه فلزی به منظور خنک‌سازی و کاهش دمای آن استفاده شده است. در این شکل دمای سیال Tc و دمای صفحه فلزی Tw می‌باشد.

دسته بندی : پایان نامه ها

پاسخ دهید