طراحی و ساخت لیزر حالت جامد Nd:YAG دمیده شده با لامپ درخش زنون در کاواک سرامیکی و اندازه‌گیری برخی پارامترهای فیزیکی آن

نوع مقاله: مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد

2 مربی

3 دانشوی دکتری شاغل در صنایع اپتیک اصفهان

4 دانشگاه شهید چمران اهواز

چکیده

در این مقاله، گزارش طراحی، ساخت و بهینه‌سازی لیزر حالت جامد Nd:YAG دمیده شده با لامپ درخش زنون در کاواک سرامیکی ارائه می‌شود. از یک میلۀ لیزری Nd:YAG با درصد آلایش %1/1 و ابعاد mm 5  mm80 به‌عنوان محیط فعال و از یک لامپ درخش زنون با قطر داخلی 7 میلی‌متر، طول قوس 3 اینچ و بسامد 2/0 هرتز به‌عنوان منبع دمش استفاده شد. ابتدا خروجی لیزر با استفاده از روش فایندلی-کلی بر اساس بهترین آینۀ خروجی، بهینه شد. مقدار بهره برای انرژی دمش الکتریکی 9/4 ژول، برابر با 9/0 و اتلاف برابر با 05/0 به‌دست آمدند. بنابراین، مقدار بازتابندگی بهینه برای این مقادیر حدود 32% به‌دست آمد. از آینۀ با بازتابندگی 25% (که نزدیک‌ترین مقدار توان بازتاب آینۀ موجود در آزمایشگاه و نزدیک به بازتابندگی بهینۀ بود) در چیدمان آزمایشگاهی استفاده کردیم. بازدة کل الکتریکی به نوری لیزر Nd:YAG در طول‌موج 1064 نانومتر به‌ازاء آینۀ 25% حدود 3% اندازه‌گیری شد. با بسامد تکرار دمش 2/0 هرتز و انرژی الکتریکی دمش 9 ژول، قطر لکه برابر با 98/3 میلی‌متر و عامل کیفیت برابر با 17 به‌دست آمد. نتایج به‌دست آمده، خاص لیزر طراحی شده در این مقاله است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Design and construction of xenon flash-lamp pumped solid-state laser in ceramic cavity and measuring some physical parameters

نویسندگان [English]

  • Azadeh Ebrahimzadeh 1
  • Seyed Mehdi Mousavi 3
  • mohammad sabaian 4
1 MSc. student
چکیده [English]

In this article, the report of design, construction and optimization of an xenon flash-lamp pumped solid-state Nd:YAG laser in a ceramic cavity are presented. A laser rod of Nd:YAG with a 1.1 wt% doping and a dimension of 80 mm×5 mm, as an active medium, and a xenon flash-lamp with a inner diameter of 7 mm, an arc length of 3 in, and a repetition frequency of 0.2 Hz, as the pump source, were used. At first, the laser was optimized with Findlay-Clay method, in terms of the output coupler reflectivity. The gain and the loss for pump energy of 4.9 J were achieved to be 0.9 and 0.005, respectively. Thus we calculated the optimum reflectivity as 32%. From a mirror with a reflectivity as 25% (which was the closest to our available reflectivity in laboratory) was used. A total electrical-to-optical efficiency of 3% was achieved at 1064 nm for 25% reflectivity for output coupler. For a 0.2 Hz repetition rate and a pumping energy of 9 J, a beam spot size of 3.98 and a quality factor of 17 were achieved. The results are valid for a cavity design with the mentioned parameters.    

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nd:YAG laser
  • quality factor
  • diverging angle
  • small signal gain
  • output coupler

[1] ی. هاتفی، ساخت محیط فعال لیزرهای حالت جامد پیشرفته، مجموعه مقالات نخستین همایش ملی مهندسی اپتیک و لیزر ایران، مرکز تحقیقات کاربردی فیزیک، دانشگاه امام حسین (ع)، تهران، اردیبهشت (1388).

[2] س. سادات هاشمی، س. قوامی صبوری، م. سلطان‌الکتابی، م. کاوش‌تهرانی، شبیه‌سازی محیط لیزری میله Nd:YAG دمش از پهلو با در نظر گرفتن اتلاف جذب مجدد، مجموعه مقالات چهاردهمین کنفرانس اپتیک و فوتونیک ایران، دانشگاه ولیعصر (عج) رفسنجان، بهمن (1386).

[3] A. Choubey, S. Mondal, R. Singh, B.N. Upadhyaya, P.K. Datta, S.M. Oak, Generation of 415W of p-polarized output power in long pulse operati, Optics and Laser Technology 60 (2014) 41– 48.

[4] Y. Wei. G. Zhang, C. Huang, L. Huang, and H. Shen, High power Nd: YAG lasers operating at 1.3 μm wave band, Infrared Physics & Technology 51 (2007) 91-94.

[5] Y.F. Chen, Y.P. Lan, Comparison between c-cut and a-cut Nd: YVO4 lasers passively Q-switched with a Cr4+: YAG saturable absorber, Applied Physics B 74 (2002)415-418.

[6] X. Li, X. Yu, J. Gao, J. Peng, F. Chen, J. Yu, D. Chen, Laser Physics Letter 5(2008) 429-432.

[7] V. Knappe, F. Frank, E. Rohde, Principles of lasers and biophotonic effects, Photomedicine and Laser Surgery 22 (2004) 411-417.

[8] J.M. White, H.E. Goodis, C.L. Rose, Use of the pulsed Nd: YAG laser for intraoral soft tissue surgery, Lasers in Surgery and Medicine 11 (1991) 455-461.

[9] ر. خویی، م. بختیاری، م. اسماعیلی، مجموعه مقالات ساخت مسافت سنج لیزری با استفاده از لیزر نئودمیوم یاگ تپی با کلید زنی Q فعال، نخستین همایش ملی مهندسی اپتیک و لیزر ایران، دانشگاه صنعتی مالک اشتر اصفهان، اردیبهشت (1388).

[10] W. Koechner, Solid-state laser engineering, Vol. 1. Springer Science, Business Media, (2006).

[11] A. Ikesue, T. Kinoshita, K. Yoshida, Fabrication and optical properties of high‐Performance polycrystalline Nd: YAG ceramics for solid‐State lasers, Journal of the American Ceramic Society 78 (1995) 1033-1040.

[12] H. Yagi, T. Yanagitani1, K. Ueda, Flashlamp-pumped Nd: YAG ceramic laser, In 2005 Pacific Rim Conference on Lasers &amp, Electro-Optics (2005) 282-283.

[13] N. Bidin, Z. Roslinda, M.D. Yaacob, S.E. Pourmand, B. Hazri, Prominent 946 lines induced from flashlamp pumped Nd: YAG rod, AIP Conference Proceedings 1455 (2012) 187.

[14] W. Demtroder, Atoms, molecules and photons, Heidelberg, Springer, Verlag Berlin Heidelberg (2006).

[15] E. Eryilmaz, Design and construction of a cw mode Nd:YAG laser prototype, Doctoral dissertation, Middle East Technical University, (2004) 31-49.

[16] T.Y. Fan, R.L. Byer, Diod laser-pumped solid-state lasers, IEEE Journal of Quantum Electronic 24 (1988) 895-912.

[17] B. Le Garrec, Laser-diode and flash lamp pumped solid-state lasers, In Proceedings of Conference Light at Extreme Intensities, Brasov (2009) 111-116.

[18] H.Yagi, T.Yanagitani, H. Yoshida, M. Nakatsuka, & K. I Ueda, Highly efficient flashlamp-pumped Cr3+ and Nd3+ codoped Y3Al5O12 ceramic laser, Japanese Journal of Applied Physics 45 (2006)133.

[19]J. Khalilzadeh, Influence of dyes doped in solid state polymeric matrices as spectral converters on efficiency of a flash-lamp pumped Nd:YAG laser, Optical Materials 30 (2008) 1527–1530.

[20] H. Yagi et al., Nd3+:Y3Al5O12 laser ceramics: Flash lamp pumped laser operation with a UV cut filter, Journal of Alloys and Compounds 421 (2006) 195–19

[21] K. Kawakami, H. Okamura, K. Komurasaki, Optical phase conjugation by four-wave mixing in Nd:YAG laser oscillator for optical energy transfer to a remote target, Journal of Applied Physics 117 (2015) 083106.

[22] Wilson R. Molina, Igor N. Silva, Rodrigo D. da Silva, D. Gustafson, D. Sehrt, and F. J. Kim, Influence of saline on temperature profile of laser lithotripsy activation, Journal of Endourology 29 (2015) 235-239

[23] c. Bowness, On the Efficiency of Single and Multiple Elliptical Laser Cavities, Applied Optics 4 (1965) 103-107.

[24] P.H. Bernardes, D. Liang, Tailoring the absorption distribution in lamp-pumped solid-state lasers with fused silica light-guides, Optics & Laser Technology 39 (2007) 929-934.

[25] F. Dochio, L.O. Pallaro, Svelto, Pump cavities for compact pulsed Nd: YAG lasers: a comparative study, Applied Optics 24 (1985) 3752.

[26] N. Hodgson, H.Weber, Laser resonator and beam propagation, Springer, SecondEdition, 108 (2004).

[27] ر. آزموده سرودی، س. طالش علیخانی، الف. مشایخی و ج. صباغ زاده، اندازه‌گیری فاکتور کیفیت باریکه لیزر Nd:YAG پالسی به‌روشKnife-Edge ، مجموعه مقالات سومین کنفرانس مهندسی فوتونیک ایران، مرکز بین المللی علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی، ماهان کرمان، بهمن (1389).

[28] D.L. Yu, D.Y. Tang, Experimental study of a high-power CW side-pumped Nd: YAG laser. Optics & Laser Technology 35 (2003) 37-42.

[29] Y. Inoue, S. Fujikawa, Diode-pumped Nd: YAG laser producing 122-W CW power at 1.319 µm, IEEE Journal of Quantum Electronics 36 (2000) 751-756.

[30] الف. مزنگی، م. سلطان الکتابی، م. دهقان باغی، س. م. موسوی، ع. طاهری و س. ناظم، لیزر Nd:YAG با دمش لامپ درخشی: شبیه سازی عددی و برپایی تجربی، مجموعه مقالات شانزدهمین کنفرانس انجمن اپتیک و فوتونیک ایران، دانشگاه یزد، بهمن (1388).