بررسی پراکندگی بریلوئین و کاربرد آن در تولید لیزر فیبری بریلوئین word

فهرست مطالب

عنوان شماره صفحه

چکیده1

فصل اول:کلیات تحقیق

1-1- توضیحات مقدماتی.. 3

1-2- پراکندگی برانگيخته بريلوئین در فيبرهای نوری.. 4

1-3- لیزر فیبر بریلوئین – بررسی اجمالی.. 6

1-4- هدف این فرضیه ها8

1-5- تحقیقات انجام شده8

فصل دوم:لیزهای فیبری بریلوئین

2-1- انتشار موج الکترومغناطیس در محیط های خطی و غیر خطی.. 11

2-2- اثرات غیر خطی در فیبر های نوری.. 12

2-3- اصول پراکندگی برانگیخته بریلوئین.. 14

2-4- نظریهپایه. 15

2-5- فرایند فیزیکی.. 19

2-6- بهرهطیفبریلوئین.. 22

فصل سوم:تولید لیزرهای فیبری بریلوئین

3-1- مقدمه. 27

3-2- آستانهبریلوئین.. 30

3-3- لیزر. 31

3-4- توليد ليزرهاي فيبري بريلوئين.. 35

3-5- توليد ليزرهاي فيبري بريلوئين چند طول موجي.. 38

3-5-1 توليد ليزر فيبري بريلوئين چند طول موجي در كاواكهاي حلقوي.. 38

3-5-2 توليد ليزر فيبري بريلوئين چند طول موجي در كاواك‌هاي خطي.. 41

فصل چهارم:بررسی پراکندگی بریلوئین و کاربرد آن در تولید لیزر فیبری بریلوئین

4-1- مقدمه. 44

4-2- مرحله اول: بررسی پارامتر ضریب انعکاس در عملکرد لیزر فیبری بریلوئین در طول ثابت.. 46

4-3- مرحله دوم: بررسی تاثیر تغییر طول در بازده و محاسبه ضریب انعکاس بهینه در لیزر فیبری بریلوئین.. 48

4-4- مرحله سوم: محاسبه بازده برای ضریب انعکاس بهینه در طولهای مختلف... 49

4-5- پیکربندی لیزر فیبری بریلوئین جدید با توان خروجی بالا. 50

4-5-1 چکیده مطلب.. 50

4-5-2 مقدمه. 50

4-5-3 تنظیمات آزمایشی.. 51

4-5-4 نتیجه و بررسی.. 52

4-5-5 نتیجه گیری.. 54

فصل پنجم:نتیجه گیری

5-1- نتیجه و پیشنهادات.. 57

منابع و ماخذ. 59

فهرست منابع انگلیسی.. 59

پیوست ها63

پیوست الف... 63

چکیده انگلیسی.. 66

فهرست جداول

عنوان شماره صفحه

جدول(4-1): داده های مورد استفاده برای شبیه سازی.. 45

جدول (4-2): شدت آستانه لیزر برای طول های مختلف... 50

فهرست اشکال

عنوان شماره صفحه

 

شکل(2-1): نمودار فرکانس بر حسب عددموج برای دو شاخه فونون نوری و صوتی.18

شکل(2-2): شمایی از مقایسه امواج استوکس و آنتی استوکس از نظر طول موج.19

شکل (2-3) طیف بهره بریلوئین از 3 فیبر در : (a) فیبر هسته سیلیکا. (b) فیبر روکش فشرده و (c) فیبر تغییر پراکندگی.. 23

شکل (3-1): اختلاف شدت در پمپ و استوکس... 31

شکل (3-2): طرح پیکربندی کاواک خطی (a) و کاواک حلقوی (b) را نشان می دهد.37

شکل(3-3): یک کاواک حلقوی برای تولید لیزر فیبری بریلوئین را نمايش مي دهد.37

شكل(3-4): مجموعه پيشنهادي تجربي براي تولید ليزر چند طول موجي با جدائي GHz 10 و GHz 20 39

شكل(3-5): توليد ليزر چند طول موجي با فاصله جدائي nm 16/0 (20 گیگاهرتز) بين خطوط متوالي در جهت‌هاي مستقيم و معكوس را نشان مي‌دهد. 40

شكل(3-6): توليد يك ليزر چند طول موجي با تعداد 8 خط و جدايي بين خطوط nm 08/0 كه از تركيب موجهاي در شكل قبل حاصل شده است.. 40

شكل (3-7): كاواك خطي پيشنهادي براي توليد ليزر فيبري چند طول موجي بريلوئين را نشان مي‌دهد. 41

شكل (3-8): ليزر چند طول موجي حاصل در طيف خروجي كاواك خطي را با تغييرات نسبتهاي متفاوت پايه B از گرداننده اپتيكي OC2 را نشان مي‌دهد. 42

شکل(4-1): شدت استوکس بر حسب شدت پمپ در طول 1 متر. 47

شکل 4-2: شدت استوکس بر حسب شدت پمپ.. 47

شکل(4-3): بازده مرتبه اول استوکس در ضریب های انعکاس های مختلف... 48

شکل(4-4): شدت استوکس بر حسب شدت پمپ در ضریب انعکاس بهینه 0.5 در چهار طول 0.3 ، 0.5، 1 و 1.5 متر(به ترتیب از بالا به پایین).49

شکل(4-5): در این نمودار بازده در ضریب انعکاس بهینه و در طولهای0.3، 0.5، 1 و 1.5 رسم شده است.49

شکل(4-6): تنظیمات آزمایشی برای (a) لیزر فیبر بریلوئین معمولی و (b) پیکربندی جدید فیبر بریلوئین ارائه شده52

شکل (4-7): مقایسه طیف خروجی لیزر فیبربریلوئین بین پیکربندی معمولی (پیکربندی a) و پیکربندی جدید لیزر فیبر بریلوئین ارائه شده (پیکربندی b)53

شکل (4-8): جستجوی خروجی لیزر فیبر بریلوئین در نسبت های متصل کننده خروجی مختلف. پیوست آن شکل بزرگ شده ناحیه قله خروجی است.54

 

چکیده

هدف در این پایان نامه حل معادله شدت استوکس و پمپ برای یک لیزر خطی فیبری بریلوئین بهینه سازی بازده لیزر می باشد. فرایند فیزیکی براکندگی برانگیخته بریلوئین به وسیله برهمکنش غیرخطی بین نور تابشی (موج پمپ) با نور پراکندگی بریلوئین (موج استوکس) و موج آکوستیکی است که در طی یک فرایندی به نام الکترواستیرکشن تولید می شود لیزرهای فیبری بریلوئین توجه وسیعی را به دلیل آستانه کم و بهره بالا در انتقال توان پمپ به لیزر به خود جذب کردند. پراکندگی بریلوئین به عنوان یک پدیده اپتیک غیر خطی، کاربردهای زیادی به شکل تقویت کننده لیزر، سنسور و ... در صنعت مخابرات یا پزشکی دارند. در این میان لیزرهای فیبری بریلوئبن از جایگاه ویژه ای برخوردارند. در فصل های 1 ، 2 و 3 اصول پراکندگی بریلوئین وهمچنین کاربرد آن را در تولید لیزرهای فیبری به تفصیل توضیح داده ایم. هدف اصلی این پایان نامه در فصل 4 آمده که در این فصل کار ما بهینه سازی لیزر خطی فیبری بریلوئین است. بنابراین از حل معادلات لیزر بریلوئین شروع می­کنیم که این معادلات تا مرتبه اول بریلوئین نوشته شده است و از مراتب بالاتر استوکس صرف نظر شده است. عوامل زیادی برکارکرد لیزر بریلوئین اثرگذار هستند. از این میان می توان به ضریب انعکاس آیینه ، شدت پمپ ورودی و طول لیزر اشاره کرد. در فصل چهارم پنج فرضیه در نظر گرفته ایم که فرضیه اول شبیه سازی لیزر فیبری مرتبه اول بریلوئین است یعنی یک لیزر تک طول موج. فرضیه دوم این است که هیچ پدیده غیر خطی دیگری در محیط فیبر تولید نمی شود. فرضیه سوم شکل کاواک است، کاواک های معمول لیزر فیبری یه صورت خطی و یا حلقوی است که در اینجا از فیبر خطی با طول معین استفاده شده است. فرضیه چهارم برای سادگی و حل معادلات فرض کردیم دو انتهای فیبر از آیینه ها فاصله کمی دارد و از این اتلاف صرفنظر می­کنیم. فرضیه پنجم شرایط مرزی است.

 

کلمات کلیدی: فیبر، پراکندگی برانگیخته بریلوئین، پراکندگی برانگیخته رامان، لیزر فیبری بریلوئن، تقویت کننده نوری

1-1- توضیحات مقدماتی

اختراع لیزرها باعث تغییر جهت فیزیک نوری و اتمی به سمت دینامیک و پیگیری بیشتر بعد از حوزه تحقیقات شده است؛ محدودیت نیرو با زمینه پایین از بین رفته است، بنابراینبعضی مواد جالب که به غیرخطی بودن بر روی استحکام ناحیه وقوع بستگی دارند اجازه تاثیرگذاری می­دهد. یکی از خصوصیات بسیار جالب فیبرهای نوری غیرخطی ظهور لیزرهای فیبر نوری است که لیزرهایی هستند که در آنها حد وسط بدست آمده فعالیت می تواند توسط فیبر نوری بدست آمده از عناصر کمیاب زمینی مانند اربیوم، ایتربیوم و تولیم ساخته شود. با این وجود، با استفاده از تاثیرات غیر خطی، مانند پراکندگی بریلوئین تحریک شده و پراکندگی رامان تحریک شده، می توانیم بهره وری در فیبر نوری را برای تولید به ترتیب لیزرهای فیبر بریلوئین(BFL_s)[1] و لیزرهای فیبررامان(RFL_s)[2] مهیا کنیم. نویز با شدت و فرکانس پایین و کانون متحرک به عنوان یکی از مزایای لیزرهای فیبری از تنوع کاربردها نتیجه می شود مانند میکروویوهای فتونی (Geng, Staines and Jiang 2008, 16-18: 33 )، طیف نمایی (Walsh and Barnes 2004, 325-333: 74)، ارتباطات نوری همسان (Polynkin et al 2007, 1328-1330)، آشکارسازی لیدار همسان (Koroshetz 2005, 3: 5-6)، پردازش مواد احساس اینترفرومتری (Hack 2003, 18) و نیز برای اهداف پزشکی. لیزرهای فیبر بریلوئین همچنینعلاقه­مندی­هایی برای تعداد دیگری از کاربردها به وجود آورده اند مانند ژیروسکوپ­ها که به دلیل پهنای باند بسیار نازک انهاست که می تواند با Hz بسیار کم باشد. در این مکالمه، قصد بحث کردن درباره تولید لیزرهای فیبر بریلوئین و اندازه گیری پهنای باند لیزرهای فیبر بریلوئینرا داریم؛ بنابراین خلاصه ای از مباحث مربوطه به لیزرهای فیبر بریلوئین به عنوان مقدمه مابقی در بخش های بعدی ارائه خواهد شد.

 

1-2- پراکندگی برانگيخته بريلوئین در فيبرهای نوری

هنگام انتشار نور در محيط ممکن است دو نوع پراکندگی برای آن رخ دهد،پراکندگی کشسان که همان پراکندگی ريلی (Hill, Kawasaki and Johnson 1976, 608-609) است و پراکندگی‌های نا کشسان ازجمله پراکندگی بريلوئن و پراکندگی رامان.در پراکندگی ريلی در واقع يک اتلاف بنيادی در انتشار نور رخ می‌دهد و برای آن فرکانس نور منتشرشده بدون تغيير باقی می‌ماند.از طرف ديگر، فرکانس نور پراکنده‌شده در طول پراکندگی برای پراکندگی‌های غير کشسان بريلوئن و رامان کاهش می‌يابد.

اولين مطالعه نظری پراکندگی بريلوئن نور به وسيله فونون های گرمايی(که با ارتعاشات مولکول‌های محيط به وسيله امواج آکوستیک مرتبط هستند)در سال 1918توسط مندلشتام انجام شد (Olsson and van der Ziel 1986, 1329-1330: 48; Desuvire, Simpson and Becker 1987, 888-889: 12) و در سال 1926فقط منتشر شد (Bayvel and Giles 1989, 581-583).

لئون بريلوئن به صورت مستقل در سال1922پراکندگی نور را از امواج آکوستيکی برانگيخته گرمايی پیش‌بینی کرد. پس از آن،پیش‌بینی بريلوئن توسط ای.گروس در مايعات و بلورها به صورت تجربی در سال 1930مورد تأیید قرار گرفت (Agrawal 2005, 12-19; Kaminow and Eds 2002, 4A and 4B).

پراکندگی برانگيخته بريلوئن(SBS)[3] زمانی رخ می‌دهد که تداخل بين پمپ و نور پراکنده‌شده به عقب با فرکانسی کاهش‌یافته(امواج استوکس) امواج آکوستيکی درون محيط را تقويت کند (Ramaswami and Sivarjan 2000, 166).

پراکندگی برانگيخته بريلوئن در سيستم‌های مخابرات نوری همدوس می‌تواند زیان‌آور هم باشد،به طوری که مجبوريم توان سيگنال را به کمتر از توان آستانه پراکندگی، که نوعاً چند ميلی وات است،محدود کنيم (Hill et al 1987, 647-649). اما در بعضی از کاربردهای عملی نظير ويژگی‌های فيبر نوری (Kashyap 1999,147)، اندازه‌گیری‌های توزيع دما (Knight et al 1996, 1547-1549: 21 )، اندازه‌گیری‌های توزيع کرنش (Broeng et al 1999, 305-330: 5)، اندازه‌گیری‌های توزيع تضعيف (Monro 1999, 1093-1102: 17)، تقويت پهنای باند کم(Koyamada 2004, 631-639: 24)، جا بجا کننده فرکانس (Headly and Agrawal 2005, 136 ) و توليد فرکانس ميکرو موج (Yaman, Lin and Agrawal 2006, 7) پراکندگی برانگيخته بريلوئن مورد استفاده قرار می‌گيرد.علاوه براين بزرگ‌ترین استفاده پراکندگی برانگيخته بريلوئن در زمينه ليزر فيبری بريلوئن است (Born and Wolf 1999, 126; Jenkins and White 2001, 189). در ضمن ليزر فيبری بريلوئن که نوعاً پهنای باريک چند هرتز دارد، به عنوان يک منبع نوری بسيار همدوس، کاربردهايی نظير حسگرهای نوری و ژيروسکوپ نيز دارد (Boyd 2008, 122).

[1] Brillouin fiber laser

[2] Raman fiber laser

[3]Stimulated Briluin Scattering