کنترل پهنای پالس در فناوری کنترل پالس لیزر

کنترل پهنای پالسکنترل پالس لیزرفناوری

کنترل پالس لیزر یکی از پیوندهای کلیدی در ...فناوری لیزرکه مستقیماً بر عملکرد و کاربرد لیزر تأثیر می‌گذارد. این مقاله به طور سیستماتیک کنترل پهنای پالس، کنترل فرکانس پالس و فناوری مدولاسیون مرتبط را بررسی می‌کند و تلاش می‌کند تا حرفه‌ای، جامع و منطقی باشد.

۱. مفهوم پهنای پالس

پهنای پالس لیزر به مدت زمان پالس لیزر اشاره دارد که یک پارامتر کلیدی برای توصیف ویژگی‌های زمانی خروجی لیزر است. برای لیزرهای پالس فوق کوتاه (مانند لیزرهای نانوثانیه، پیکوثانیه و فمتوثانیه)، هرچه پهنای پالس کوتاه‌تر باشد، توان پیک بالاتر و اثر حرارتی کمتر است که برای ماشینکاری دقیق یا تحقیقات علمی مناسب است.

۲. عوامل مؤثر بر پهنای پالس لیزر پهنای پالس لیزر تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار می‌گیرد که عمدتاً شامل جنبه‌های زیر است:

الف. ویژگی‌های محیط تقویت. انواع مختلف محیط‌های تقویت، ساختار سطح انرژی و طول عمر فلورسانس منحصر به فردی دارند که مستقیماً بر تولید و پهنای پالس پالس لیزر تأثیر می‌گذارند. به عنوان مثال، لیزرهای حالت جامد، کریستال‌های Nd:YAG و کریستال‌های Ti:Sapphire محیط‌های لیزری حالت جامد رایجی هستند. لیزرهای گازی، مانند لیزرهای دی‌اکسید کربن (CO₂) و لیزرهای هلیوم-نئون (HeNe)، معمولاً به دلیل ساختار مولکولی و خواص حالت برانگیخته، پالس‌های نسبتاً طولانی تولید می‌کنند. لیزرهای نیمه‌رسانا، با کنترل زمان نوترکیبی حامل، می‌توانند به پهنای پالس‌هایی از نانوثانیه تا پیکوثانیه دست یابند.

طراحی حفره لیزر تأثیر قابل توجهی بر پهنای پالس دارد، از جمله: طول حفره، طول حفره لیزر زمان لازم برای حرکت یک بار و دوباره نور در حفره را تعیین می‌کند، یک حفره طولانی‌تر منجر به پهنای پالس طولانی‌تر می‌شود، در حالی که یک حفره کوتاه‌تر منجر به تولید پالس‌های فوق کوتاه می‌شود؛ بازتاب: یک بازتابنده با بازتاب بالا می‌تواند چگالی فوتون را در حفره افزایش دهد و در نتیجه اثر بهره را بهبود بخشد، اما بازتاب بیش از حد بالا ممکن است تلفات را در حفره افزایش دهد و بر پایداری پهنای پالس تأثیر بگذارد؛ موقعیت محیط بهره و موقعیت محیط بهره در حفره نیز بر زمان برهمکنش بین فوتون و محیط بهره تأثیر می‌گذارد و سپس بر پهنای پالس تأثیر می‌گذارد.

ج) فناوری سوئیچینگ Q و فناوری قفل حالت، دو ابزار مهم برای دستیابی به خروجی لیزر پالسی و تنظیم پهنای پالس هستند.

د. منبع پمپ و حالت پمپ پایداری توان منبع پمپ و انتخاب حالت پمپ نیز تأثیر مهمی بر پهنای پالس دارند.

۳. روش‌های رایج کنترل پهنای پالس

الف. تغییر حالت کار لیزر: حالت کار لیزر مستقیماً بر پهنای پالس آن تأثیر می‌گذارد. پهنای پالس را می‌توان با تنظیم پارامترهای زیر کنترل کرد: فرکانس و شدت منبع پمپ، انرژی ورودی منبع پمپ و درجه وارونگی جمعیت ذرات در محیط تقویت؛ بازتاب لنز خروجی، بازده بازخورد در تشدیدگر را تغییر می‌دهد و در نتیجه بر فرآیند تشکیل پالس تأثیر می‌گذارد.

ب. کنترل شکل پالس: به طور غیرمستقیم پهنای پالس را با تغییر شکل پالس لیزر تنظیم کنید.

ج. مدولاسیون جریان: با تغییر جریان خروجی منبع تغذیه برای تنظیم توزیع سطوح انرژی الکترونیکی در محیط لیزر و سپس تغییر پهنای پالس. این روش سرعت پاسخ سریعی دارد و برای سناریوهای کاربردی که نیاز به تنظیم سریع دارند، مناسب است.

د. مدولاسیون سوئیچ: با کنترل حالت سوئیچینگ لیزر برای تنظیم پهنای پالس.

ه. کنترل دما: تغییرات دما بر ساختار سطح انرژی الکترون لیزر تأثیر می‌گذارد و در نتیجه به طور غیرمستقیم بر پهنای پالس تأثیر می‌گذارد.

و. استفاده از فناوری مدولاسیون: فناوری مدولاسیون وسیله‌ای مؤثر برای کنترل دقیق پهنای پالس است.

مدولاسیون لیزرفناوری مدولاسیون داخلی، فناوری‌ای است که از لیزر به عنوان حامل استفاده می‌کند و اطلاعات را روی آن بارگذاری می‌کند. بر اساس رابطه با لیزر، می‌توان آن را به مدولاسیون داخلی و مدولاسیون خارجی تقسیم کرد. مدولاسیون داخلی به حالت مدولاسیونی اشاره دارد که در آن سیگنال مدوله شده در فرآیند نوسان لیزر بارگذاری می‌شود تا پارامترهای نوسان لیزر را تغییر دهد و در نتیجه ویژگی‌های خروجی لیزر را تغییر دهد. مدولاسیون خارجی به حالت مدولاسیونی اشاره دارد که در آن سیگنال مدولاسیون پس از تشکیل لیزر اضافه می‌شود و خواص لیزر خروجی بدون تغییر پارامترهای نوسان لیزر تغییر می‌کند.

فناوری مدولاسیون را می‌توان بر اساس اشکال مدولاسیون حامل نیز طبقه‌بندی کرد، از جمله مدولاسیون آنالوگ، مدولاسیون پالس، مدولاسیون دیجیتال (مدولاسیون کد پالس)؛ بر اساس پارامترهای مدولاسیون، به مدولاسیون شدت و مدولاسیون فاز تقسیم می‌شود.

مدولاتور شدت: پهنای پالس با تنظیم تغییر شدت نور لیزر کنترل می‌شود.

مدولاتور فاز: پهنای پالس با تغییر فاز موج نور تنظیم می‌شود.

تقویت‌کننده قفل فاز: از طریق مدولاسیون تقویت‌کننده قفل فاز، می‌توان پهنای پالس لیزر را به طور دقیق تنظیم کرد.