در رابطه(۲-۱۱) مساحت موثر هسته است که به پارامترهایی از قبیل شعاع هسته و تفاوت ضریب شکست هسته-غلاف بستگی دارد.
تحلیلی مشابه رابطه بالا برای پراکندگی القایی رامان در مسیر برگشت، صورت گرفته که قسمت عددی آن به جای عدد ۱۶ عدد ۲۰ می باشد. بنابراین به این دلیل که شرایط آستانه برای پراکندگی رامان در مسیر رفت اول اتفاق می افتد، پراکندگی القایی رامان در مسیر برگشت به طورکلی در فیبرهای نوری دیده نمی شود.] ۱[
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
۲-۱-۳-تولید رامان با یک بار عبور
نمایش پراکندگی القایی رامان در سال ۱۹۷۲ روی فیبر شیشه ای در ناحیه مرئی با بهره گرفتن از لیزر Nd-YAG دوفرکانسی و پالسی با طول موج ۵۳۲ نانومتر انجام گرفت. توان پمپ مورد نیاز برای تولید تابش استوکس با طول موج ۵۴۵ نانومتر در یک فیبر تک مد به طول ۹ متر و قطر هسته ۴ میکرومتر حدود ۷۵ وات بود.]۱[
در آزمایشات بعدی فرایند SRS با بهره گرفتن از لیزرNd-YAG به طول موج ۱۰۶۴ نانومتر و پمپ پالسی ۱۵۰ نانوثانیه فرو سرخ تولید شد.
در آزمایشی با توان پمپ پالسی ۷۰ وات و طول موج پمپ ۱.۰۶ میکرومتر اولین مرتبه استوکس طبق شکل ۲-۳ در طول موج ۱.۲۲ میکرومتر تولید شد و رویهم رفته ۵ مولفه استوکس تولید شد که در جدول ۲-۱ آمده اند.
جدول۲-۱ طول موج مولفه های استوکس مختلف تولید شده طی فرایند SRS. ]۵[
شکل۲-۳ نقاطs1 تا s5 مولفه های استوکس همزمان تولید شده را با بهره گرفتن از توان پالسی ۱.۰۶ میکرومتر نشان می دهند.]۱[
پراکندگی خود به خود رامان تابش مولفه استوکس را در بازه درون فرکانسی طیف بهره رامان تولید می کند. بعد از طی مسافتی کوتاه از فیبر، این سیگنال های ضعیف با ضرایب بهره مناسب به خاطر اضافه شدن تابش های خود به خودی و جمع شدن آن ها با یکدیگر، تقویت می شوند. در توان های پمپ پایین، رشد طیف استوکس به صورت نمایی می باشد و به صورت است که این موضوع به خاطر فرایند تقویت نمایی است.
۲-۱-۴ لیزرهای فیبری رامان
یک کاربرد مهم SRS در فیبرهای نوری گسترش لیزرهای فیبری رامان است. چنین لیزرهایی می توانند در بازه جابجایی فرکانسی حدود THz10 کار کنند.]۱[
لیزرهای فیبری رامان به عنوان مبدل های طول موج تمام فیبری و منابع مناسب لیزری در ناحیه طول موجی ۹/۱-۱/۱ میکرومتر به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته و دارای کاربردهای زیادی در مخابرات نوری و حسگرها، به خاطر انعطاف پذیری در طراحی می باشند.]۲۰[
شکل ۲-۴ شمای یک لیزر رامان را نشان می دهد. یک قطعه فیبر تک مد درون یک کاواک فابری پرو با دو آینه بازتاب کنندهM1 و M2، قرار دارد. یک منشور درون کاواکی با پاشندگی طول موج مولفه های استوکس مختلف، طول موج لیزر را تنظیم می کند.هر طول موج را می توان با تنظیم آینه M2انتخاب کرد.
شکل ۲-۴ شمای یک لیزر رامان کوک پذیر]۱[
آستانه لیزر به توان پمپ که در آن تقویت رامان در طول یک رفت و برگشت به اندازه کافی برای غلبه بر تلفات بزرگ است، بستگی دارد. این تلفات بیشتر شامل تلفات عبور از آینه ها در دو انتهای فیبر هستند.
اگر ما برای تلفات یک رفت و برگشت مقدار۱۰ دسی بل را فرض کنیم، شرایط آستانه به صورت زیر است:
(۲-۱۲)
(۲-۱۳)
اگر فیبر نوری قطبیدگی را حفظ نکند، در رابطه بالا با عامل ۲ کاهش می یابد. در
توان های پمپ بالا، طول موج های مرتبه بالاتر استوکس درون فیبر تولید می شوند. این طول موج ها را می توان توسط منشور درون کاواکی به صورت فضایی پراکنده نمود و با قرار دادن آینه های مجزا برای هر پرتو استوکس، یک لیزر رامان هم زمان چند طول موجی درست کرد. که هر کدام را می توان به صورت مستقل توسط تنظیم آینه های کاواک کوک نمود.
توسعه لیزرهای رامان در طول دهه ۱۹۹۰ صورت گرفت. با ظهور صفحات براگ فیبری، تعویض آینه های کاواکی با این صفحات امکان پذیر شد.]۱[
۲-۲ صفحات براگ فیبری
خواص نوری فیبرهای سیلیکا وقتی در معرض تابش های پرشدت لیزری در ناحیه طیفی آبی یا فرابنفش قرار می گیرد به صورت دائمی تغییر می کند.این اثر حساس به نور را می توان برای ایجاد تغییرات دوره ای در ضریب شکست در طول فیبر مورد استفاده قرار داد که نتیجه آن تشکیل صفحه براگ درون هسته ای است. صفحات براگ فیبری را می توان برای کاربرد روی ناحیه وسیعی از طول موج ها از فرا بنفش تا فرو سرخ طراحی نمود. ]۲[
صفحات پراش از یک مولفه نوری استاندارد تشکیل شده اند که به صورت مداوم در ابزارهای نوری مختلف مثل طیف سنج ها استفاده می شوند. یک صفحه پراش به هر عنصر نوری که توانایی ایجاد تغییرات پریودیک در دامنه یا فاز نور ورودی را داشته باشد اطلاق می شود. بنابراین یک محیط نوری که در آن ضریب شکست به صورت دوره ای تغییر می کند مثل صفحه ای عمل می کند که باعث ایجاد تغییرات دوره ای در فاز نوری می شود که درون آن منتشر می شود. چنین صفحاتی را صفحات شاخص[۲۷] می نامند]۲[
شکل ۲-۵ شمایی از صفحات براگ فیبری را نشان می دهد.
شکل۲-۵ شمای یک صفحه فیبری براگ را نشان می دهد. نواحی تیره و روشن درون هسته فیبر تغییرات دوره ای ضریب شکست را نشان می دهند. ]۲[
۲-۲-۱-پراش براگ
پدیده شکست نور نشان می دهد که وقتی نور با زاویه فرود وارد صفحات براگ می شود، با زاویه شکست پیدا می کند و رابطه آن به صورت زیر است.
(۲-۱۴)
که دوره صفحات، طول موج نور درون ماده با ضریب شکست میانگین و mمرتبه پراش براگ است.شرط بالا شبیه شرط جور شدگی فاز عمل می کند و به صورت زیر نوشته می شود:
(۲-۱۵)
که و بردار های موج مربوط به نور ورودی و نور شکسته شده هستند. بردار موج دارای مقدار است و جهت این بردار موج در جهتی است که ضریب شکست ماده به صورت دوره ای تغییر می کند.
در مورد یک فیبر تک مد سیلیکا هر سه بردار موج در راستای محور فیبر می باشند. بنابراین و نور شکسته شده در جهت عقب منتشر می شود و با توجه به شکل ۲-۵ یک صفحه فیبری براگ برای طول موج های خاصی از نورکه در آن شرایط جور شدگی فاز برقرار است، شبیه یک بازتاب کننده عمل می کند.
اگر و باشندو m=1 باشد، دوره تناوب صفحه و طول موج به صورت با هم رابطه پیدا می کنند. در چنین شرایطی صفحات را صفحات براگ می نامند و به این شرط، شرط براگ گفته می شود. برای یک صفحه فیبری در ناحیه طول موجی ۱.۵ میکرومتر، دوره تناوب صفحات است.
صفحات براگ درون فیبرهای نوری اولین بار در سال ۱۹۷۸ توسط پرتو دهی یک فیبر سیلیکا با ناخالصی ژرمانیوم ساخته شدند. این فیبرها را به وسیله پرتو لیزر پرشدت یون- آرگون برای چند دقیقه پرتودهی می کردند تا صفحات براگ روی آن ها تشکیل شود. تناوب این صفحات با طول موج لیزر یون- آرگون ثابت می شد.
به خاطر کاربردهای صفحات براگ در مخابرات نوری، تکنیک هولوگرافی برای تولید صفحات فیبری براگ در ناحیه طول موجی ۱.۵۵ میکرومتر به سرعت روی کارآمد. در اوایل سال های ۱۹۹۰ کارهای قابل توجهی برای فهم مکانیزم فیزیکی خاصیت حساس به نور فیبرها انجام شد که باعث پیشرفت تکنیک هایی برای ایجاد تغییرات بزرگ در ضریب شکست شد. حوالی سال ۱۹۹۵ صفحات فیبری براگ به صورت تجاری در دسترس قرار گرفتند و حوالی سال ۱۹۹۷ تبدیل به یک مولفه استاندارد تکنولوژی موج نوری شدند.]۲[
فصل سوم
لیزرهای فیبری آبشاری رامان
۳-۱ انواع لیزرهای رامان فیبری بر اساس ناخالصی های درون فیبر
معمولا لیزرهای فیبری رامان بر اساس دو نوع فیبر مختلف سیلیکات فسفر[۲۸]یا سیلیکات ژرمانیوم[۲۹] هستند. شکل ۳-۱ طیف بهره رامان برای هر دو نوع فیبر را نشان می دهد.]۸[
شکل۳-۱ طیف بهره رامان برای فیبرهای سیلیکات فسفر و سیلیکات ژرمانیم. ]۲[
بهره فیبرهای سیلیکات ژرمانیم دارای قله ای نزدیک و فیبرهای سیلیکات فسفر دارای قله ای نزدیک هستند. کاربرد یک فیبر سیلیکات فسفر در مینی موم کردن تعداد مراحل تبدیل رامان و برای ساده کردن چیدمان لیزر رامان (از نظر کم تر کردن تعداد جفت صفحات براگ نسبت به فیبر سیلیکات ژرمانیم) است. فیبرهای سیلیکات ژرمانیم تلفات نوری کمتر و بازده بالاتری دارند. ]۸[
۳-۲ انواع لیزرهای رامان فیبری بر اساس توان
لیزرهای فیبری پیوسته مختلف را می توان به سه گروه تقسیم کرد: ]۹[
گروه اول
لیزر فیبری کم توان که درون هسته پمپ می شوند. توان خروجی این لیزرها محدود به توان پمپ منبع نیم رسانا است و در یک مد گسیل می کند و معمولا توان این لیزرها از چند صد میلی وات تجاوز نمی کند. چنین لیزرهایی در مخابرات نوری، سنسورها و طیف سنجی کاربرد دارند.
گروه دوم
لیزرهای با توان متوسط هستند که براساس فیبرهای فعال دو غلافی است که در آن منبع نیم رسانای چند مدی پرتوان به عنوان پمپ استفاده می شود. در این لیزرها توان ماکزیمم خروجی به چند ده وات میرسد و دارای کاربردهایی از قبیل مخابرات نوری، داروسازی، تجزیه مواد و حسگری دور برد[۳۰] می باشند.
