زيادة قوة الليزر

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

زيادة قدرة الليزر تعني زيادة طاقته الخارجة دون تغيير هندسته أو شكله أو مبدأ عمله. وتُعدّ قابلية زيادة القدرة ميزةً مهمةً في تصميم الليزر، إذ تعني إمكانية زيادة الطاقة دون تغيير خصائصه الخارجية .

عادةً، يتطلب رفع مستوى الطاقة مصدر ضخ أقوى، وتبريدًا أكثر فعالية، وزيادة في الحجم. وقد يتطلب أيضًا تقليل الفقد الخلفي في رنان الليزر ، وخاصةً في وسط التضخيم .

مضخم طاقة المذبذب الرئيسي (MOPA)

إحدى طرق تحقيق قابلية التوسع في القدرة هي تقنية MOPA. يُنتج المذبذب الرئيسي (وهو ليزر بذري يُراد تضخيمه) شعاعًا عالي التماسك، ويُستخدم مُضخِّم بصري لزيادة قدرة الشعاع مع الحفاظ على خصائصه الأساسية. لا يحتاج المذبذب الرئيسي إلى أن يكون قويًا، ولا إلى العمل بكفاءة عالية لأن الكفاءة تُحدد بشكل أساسي بواسطة مُضخِّم القدرة. يُعدّ الجمع بين عدة مُضخِّمات ليزرية مُغذّاة بواسطة مذبذب رئيسي مشترك مفهومًا أساسيًا في مرفق أبحاث طاقة الليزر عالية القدرة .

تصاميم قابلة للتطوير بطبيعتها

مخططات لأشكال هندسية مختلفة لأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة

كان أول ليزر تم بناؤه ليزرًا قضيبيًا . يحد تراكم الحرارة في مركز القضيب من زيادة قدرة الليزر، مما يؤدي إلى تكوين عدسة حرارية. ينتج عن ذلك ارتفاع في الإجهادات الداخلية بفعل الليزر، ومن ثم، عند حجم ودرجة حرارة معينين، قد يتلف قضيب الليزر. [ 1 ] يوضح الشكل نظرة عامة على مخططات التبريد المرتبطة أساسًا بزيادة القدرة.

ليزرات القرص

يُعد ليزر القرص أحد أنواع ليزرات الحالة الصلبة المصممة لزيادة القدرة بكفاءة . يمكن زيادة قدرة هذه الليزرات إلى عدة كيلوواط باستخدام عنصر نشط واحد في وضع التشغيل المستمر . [ 2 ] [ 3 ] وقد تم إثبات فعالية ليزرات بقدرات تصل إلى نطاق الكيلوواط في مضخمات القرص الرقيقة فائقة السرعة. [ 4 ] [ 5 ]

يبدو أن الانبعاث التلقائي المضخم ، وارتفاع درجة الحرارة، وفقدان الطاقة أثناء دورة الشحن والتفريغ هي أهم العمليات التي تحد من قدرة ليزرات القرص . ولزيادة القدرة في المستقبل، يلزم تقليل فقدان الطاقة أثناء دورة الشحن والتفريغ و/أو دمج عدة عناصر فعالة. [ 6 ]

ليزر الألياف

تُعدّ ليزرات الألياف نوعًا آخر من ليزرات الحالة الصلبة ذات قدرة عالية على زيادة الطاقة. إلا أن هذه القدرة محدودة بسبب تشتت رامان وتشتت بريلوين ، بالإضافة إلى قصر طول هذه الليزرات. ويُحدّ طول الألياف المزدوجة الغلاف من القدرة المُستخدَمة في ضخّ الضوء متعدد الأنماط ، نظرًا لعدم امتصاص الضخّ بكفاءة في اللب النشط للألياف. ويمكن تحسين هذه القدرة من خلال تحسين شكل الغلاف. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

ليزرات قرص الألياف

يمكن توسيع نطاق قدرة ليزرات الألياف عن طريق التوصيل الجانبي للمضخة. ويتحقق ذلك في ليزرات قرص الألياف. تُوصل المضخة في هذا النوع من الليزرات من جانب قرص مصنوع من ألياف ملفوفة ذات لب مطعّم. ويمكن دمج عدة أقراص من هذا النوع (مع وجود سائل تبريد بينها) في حزمة. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

ليزرات الغاز

بما أن زيادة القدرة محدودة بحجم وسط التضخيم، كانت ليزرات الغاز (وخاصة ليزرات ثاني أكسيد الكربون ) أول ليزرات تتجاوز حد الكيلوواط. ورغم أن زيادة أحجام الغاز ليست بالأمر الصعب في الأساس، إلا أن ضخ هذا الحجم بشكل متجانس حدّ من زيادة القدرة إلى بضع عشرات من الكيلوواط في سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي. [ 15 ]

الجمع المتماسك ودمج الحزم

الجمع المتماسك لأربعة ليزرات ليفية. [ 16 ] [ 17 ]

يمكن تحقيق قابلية التوسع أيضًا من خلال دمج أشعة ليزر منفصلة. لا يمكن عادةً دمج الأشعة المستقلة تمامًا لإنتاج شعاع ذي إشعاع أعلى من إشعاع كل شعاع على حدة. لا يمكن دمج الأشعة إلا إذا كانت متماسكة مع بعضها البعض. ويمكن دمج هذه الأشعة بشكل فعال أو غير فعال.

في عملية الدمج السلبي (أو الجمع المتماسك ) لأشعة الليزر، لا تتجاوز عتبة الليزر إلا الأنماط القليلة المشتركة بين جميع أشعة الليزر المدمجة . وقد تم الإبلاغ عن دمج سلبي فعال لثمانية أشعة ليزر. ويتطلب رفع القدرة بشكل أكبر زيادةً أسيةً في عرض نطاق الكسب و/أو طول أشعة الليزر الفردية.

تتضمن عملية الدمج النشط قياس طور خرج كل ليزر على حدة في الوقت الفعلي ، وضبطه بسرعة للحفاظ على توافق أطوارها. ويمكن إجراء هذا الضبط باستخدام البصريات التكيفية ، وهي فعالة في كبح ضوضاء الطور عند الترددات الصوتية . ويجري البحث حاليًا عن مخططات أسرع تعتمد على التبديل الضوئي بالكامل.

مراجع

  1. ↑ كوشنر، و. (1970-11-01). "العدسة الحرارية في قضيب ليزر Nd:YAG" . البصريات التطبيقية . 9 (11): 2548-2553 . doi : 10.1364/AO.9.002548 . ISSN 2155-3165 . 
  2. ↑ شاد، سفين-سيلفيوس؛ كون، فنسنت؛ غوتوالد، تينا؛ نيغويتا، فيوريل؛ كيلي، ألكسندر؛ والميروث، كلاوس (28-02-2014). كلاركسون، دبليو. أندرو؛ شوري، راميش ك. (محررون). "ليزر قرص رقيق عالي القدرة قريب من النمط الأساسي". ليزرات الحالة الصلبة XXIII: التكنولوجيا والأجهزة : 89590U. doi : 10.1117/12.2046689 .
  3. ^ فيوختينباينر ، ستيفاني. زاسكي، سيباستيان. شاد، سفين سيلفيوس؛ جوتوالد، تينا؛ كون، فنسنت؛ كومكار، سورين؛ كيلي، الكسندر. هوج، باتريك؛ سبيكر، نيكولاي؛ ميتزجر ، بيرند (2018/02/15). "جيل جديد من أجهزة الليزر القرصية المدمجة عالية الطاقة" . ليزر الحالة الصلبة السابع والعشرون: التكنولوجيا والأجهزة . SPIE: 82- 89. دوى : 10.1117 / 12.2289916 .
  4. ↑ نيجل، يان-فيليب؛ فوس، أندرياس؛ أحمد، مروان عبدو؛ باور، دومينيك؛ سوتر، ديرك؛ كيلي، ألكسندر؛ غراف، توماس (15-12-2013). "متوسط ​​قدرة خرج 1.1 كيلوواط من مضخم متعدد المسارات ذي قرص رقيق لنبضات ليزر فائقة القصر" . رسائل البصريات . 38 (24): 5442-5445 . doi : 10.1364/OL.38.005442 . ISSN 1539-4794 . 
  5. ↑ نيجل، يان-فيليب؛ لوشر، أندريه؛ باور، دومينيك؛ سوتر، ديرك؛ كيلي، ألكسندر؛ أحمد، مروان عبدو؛ غراف، توماس (30 أكتوبر 2016). "مضخم متعدد المسارات ذو قرص رقيق من الجيل الثاني يُنتج نبضات بيكوثانية بقدرة خرج متوسطة تبلغ 2 كيلوواط" . مؤتمر الليزر 2016 (ASSL، LSC، LAC) . مجموعة أوبتيكا للنشر. doi : 10.1364/ASSL.2016.ATu4A.5 .
  6. ↑ د. كوزنيتسوف؛ ج. ف. بيسون؛ ج. دونغ؛ ك. أويدا (2006). "حد فقد السطح لتوسيع نطاق قدرة ليزر القرص الرقيق". مجلة الجمعية البصرية الأمريكية ب . 23 (6): 1074-1082 . رمز Bibcode : 2006JOSAB..23.1074K . doi : 10.1364/JOSAB.23.001074 .
  7. ↑ كوزنيتسوف، د.؛ مولوني، ج. ف. (2003). "مضخم/ليزر ألياف ضوئية عالي الكفاءة، وعالي الكسب، وقصير الطول، وقابل لتوسيع الطاقة، يعمل بتقنية الصمام الثنائي غير المتماسك". مجلة IEEE للإلكترونيات الكمية . 39 (11): 1452-1461 . Bibcode : 2003IJQE...39.1452K . CiteSeerX 10.1.1.196.6031 . doi : 10.1109/JQE.2003.818311 . 
  8. ↑ كوزنيتسوف، د.؛ مولوني، ج. ف. (2003). "كفاءة امتصاص المضخة في مضخمات الألياف ذات الغلاف المزدوج. 2: كسر التناظر الدائري". مجلة الجمعية البصرية الأمريكية ب . 39 (6): 1259-1263 . رمز Bibcode : 2002JOSAB..19.1259K . doi : 10.1364/JOSAB.19.001259 .
  9. ↑ ليبرو، ب.؛ س. فيفرييه؛ ف. دويا؛ ب. روي؛ د. باجنو (2003). "نمذجة وتحسين مضخمات الألياف ثنائية الغلاف باستخدام الانتشار الفوضوي للمضخة". تكنولوجيا الألياف البصرية . 7 (4): 324-339 . Bibcode : 2001OptFT...7..324L . doi : 10.1006/ofte.2001.0361 .
  10. ↑ أ. ليو؛ ك. أويدا (1996). "خصائص امتصاص الألياف المزدوجة الغلاف الدائرية والمائلة والمستطيلة". اتصالات البصريات . 132 ( 5-6 ): 511-518 . Bibcode : 1996OptCo.132..511A . doi : 10.1016/0030-4018(96)00368-9 .
  11. ↑ ك. أويدا؛ أ. ليو (1998). "مستقبل ليزرات الألياف عالية الطاقة" . فيزياء الليزر . 8 : 774-781 .
  12. ↑ ك. أويدا (1999). "فيزياء قياس ليزرات الألياف القرصية لإنتاج طاقة بالكيلوواط". وقائع مؤتمر الاجتماع السنوي لجمعية IEEE LEOS لعام 1999. المجلد 2. جمعية الليزر والإلكترونيات الضوئية. الصفحات 788-789 . doi : 10.1109/leos.1999.811970 . ISBN   978-0-7803-5634-4.
  13. ↑ أويدا، ك؛ سيكيجوتشي، هـ؛ ماتسوكا، ي؛ مياجيما، هـ؛ كان، هـ (1999). "التصميم المفاهيمي لأشعة الليزر القرصية والأنبوبية المدمجة بالألياف من فئة الكيلوواط". مؤتمر CLEO/Pacific Rim '99. مؤتمر حافة المحيط الهادئ حول الليزر والإلكترونيات الضوئية . المجلد 2. الصفحات 217-218 . doi : 10.1109/CLEOPR.1999.811381 . ISBN   978-0-7803-5661-0.
  14. ↑ هاماماتسو ك.ك. (2006). "شرح ليزر القرص الليفي" . مجلة نيتشر فوتونيكس . عينة: 14-15 . doi : 10.1038/nphoton.2006.6 . مؤرشف من الأصل بتاريخ 19 فبراير 2008.
  15. ↑ ديماريا، أ. ج. (1973). "مراجعة ليزرات ثاني أكسيد الكربون عالية القدرة ذات الموجة المستمرة" . وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . 61 (6): 731-748 . doi : 10.1109/PROC.1973.9153 . ISSN 0018-9219 . 
  16. ↑ أ. شيراكاوا؛ ت. ساتو؛ ت. سيكيجوتشي؛ ك. أويدا (2002). "الجمع المتماسك لأشعة الليزر الليفية باستخدام موصل ألياف" . مجلة أوبتكس إكسبرس . 10 (21): 1167-1172 . رمز Bibcode : 2002OExpr..10.1167S . doi : 10.1364/oe.10.001167 . PMID 19451976 . 
  17. ↑ د. كوزنيتسوف؛ ج. ف. بيسون؛ أ. شيراكاوا؛ ك. أويدا (2005). "حدود الجمع المتماسك لأشعة الليزر: تقدير بسيط" . مراجعة بصرية . 12 (6): 445-447 . رمز Bibcode : 2005OptRv..12..445K . doi : 10.1007/s10043-005-0445-8 . S2CID 27508450. مؤرشف من الأصل في 27-09-2007 . تم الاسترجاع في 18-03-2007 .