عنوان پایان‌نامه
آنالیز سیستمی یک لیزرفمتوثانیه
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-مخابرات-میدان
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2786;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 70389
- تاریخ دفاع
- ۲۷ خرداد ۱۳۹۴
- دانشجو
- مریم رضوانی
- استاد راهنما
- محمود شاه آبادی
- چکیده
- در این پایان نامه، ابتدا تاریخچه لیزرهای پالسی و به خصوص لیزرهای فمتوثانیه و کاربردهای این نوع از لیزرها در زمینه های گوناگون علمی، صنعتی و پزشکی معرفی می شود. سپس انواع اندرکنش نور و ماده و ساختار کلی لیزرها اعم از تشدید کننده فبری-پرو، محیط تقویت کننده و منبع پمپ انرژی معرفی می گردد. تکنیک های مختلف تولید پالس های نوری از جمله سوییچ ضریب تقویت لیزر، سوییچ ضریب کیفیت کاوک لیزر و قفل مود معرفی و مزایا و معایب هر یک بررسی شده است. به دلیل شدت میدان زیاد تولید شده در لیزرهای پالسی طی فاصله زمانی کوتاه، نیاز به ابزار عددی برای تعیین مشخصات پالس خروجی با در نظر گرفتن غیر خطی بودن محیط تقویت کننده لیزر و پاشندگی المان های تشکیل دهنده کاوک آن است. بدیهی است که عدم دقت در تخمین انرژی پالس ها ارزش یک مدل را برای کاربردهای مهندسی کم خواهد کرد. در این پایان نامه مدل‌هایی برای شبیه سازی لیزرهای پالسی سوییچ ضریب کیفیت کاوک و قفل مود معرفی و به منظور بررسی عملکرد و دقت آن‌ها، با مدل‌های موجود مقایسه می‌شود. برای به دست آوردن مشخصات پالس خروجی در لیزرهای سوییچ ضریب کیفیت کاوک دو روش معرفی شده است. نقطه شروع به کار در روش اول، استفاده از معادلات نرخ لیزر در محیط فعال آن است. در حالی که در روش دوم، اثر المان‌های فعال و غیرفعال لیزر در نظر گرفته شده است و دستگاه معادلاتی برای توصیف رفتار آن تشکیل داده می‌شود. سپس نقاط قوت و ضعف این دو روش بررسی و روش مبتنی بر معادلات نرخ لیزر بسط داده شده است تا با کمک آن بتوان نرخ تکرار و نوسان پالس‌ها از شروع به کار لیزر تا رسیدن به پایداری را توصیف کرد. برای آنالیز لیزرهای قفل مود، به عنوان نمونه لیزر Ti:Sapphire مورد بررسی قرار گرفته است. با کمک مدل یک بعدی در حوزه زمان و اعمال اصلاحاتی در آن، مشخصات پالس خروجی به دست آمده و اثر پارامترهای مختلف کاوک لیزر بر پهنای زمانی پالس نوری، حداکثر توان آن و انرژی هر پالس بررسی شده است. در پایان فعالیت های صورت گرفته برای طراحی یک لیزر سوییچ ضریب کیفیت کاوک Nd:YAG و اندازه گیری های مقدماتی انجام شده به منظور ساخت این لیزر در آزمایشگاه فوتونیک دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر و بررسی عملکرد مدل های ارائه شده برای این نوع از لیزرهای پالسی، معرفی شده است.
- Abstract
- After a general introduction to pulsed lasers and a more specific introduction to femtosecond lasers, we review their applications in science, industry, and medicine. Thereafter, various kinds of interaction between light and matter are reviewed and the basic configuration of lasers comprised of a Fabry-Perot resonator and a gain medium is explained. Different techniques for generation of laser pulses such as gain-switching, Q-switching, and mode-locking are then introduced and their fundamental characteristics are discussed. To analyze the performance of femtosecond pulsed lasers, a numerical model capable of modeling the nonlinear and dispersive components of such lasers is required. In order to provide an accurate estimation of the characteristics of the generated pulses, the required system-level model has to take into consideration the nonlinearity of the gain medium and the dispersion of both the gain medium and the compensating components of the laser. Obviously, any error in this modeling may result in false characterization of the generated pulses, which may cause serious damages to the laser components. In this thesis, we propose different models for characterizing Q-switch and mode-locked pulsed lasers. These models are compared with the existing ones to demonstrate their applicability and advantages. We introduce two techniques to characterize the pulses generated in a Q-switch laser. The departure point of the first method is the rate equations in the active medium whereas the second method takes the dynamic behavior of both active and passive components into account to provide a mathematical description in terms of a system of differential equations. Their advantages and disadvantages are then discussed. Moreover, the method based on the rate equations is further developed to estimate the repetition rate of pulses and to investigate certain instabilities in the generated pulses. Moreover, we present a system analysis for mode-locked lasers where we consider a Ti: Sapphire laser as an example of such lasers. By using a one-dimensional time-domain model and after its generalization, we will characterize the pulses generated by a mode-locked laser more accurately. Furthermore, the impact of different laser parameters on the dynamics of the generated pulses is investigated. At the end, a Nd:YAG Q-switch laser is designed based on the techniques proposed in this thesis. We describe the design of this laser configured in the Photonics Research Lab. at the School of Electrical and Computer Engineering. The preliminary measurement results will be reported.
