۲۰۹۸۸پ
per
بررسی اثر جاذب‌های اشباع‌پذیر گازی بر کارکرد برشگرهای پلاسمایی در لیزرهای گازکربنیک تپی فشار اتمسفری
Investigation of gasous saturable absorbers effects on plasma shutters operation in TEA CO۲ lasers
/صالحه بهشتی‌پور
: فیزیک
، ۱۳۹۶
، راشدی
۱۲۳ص
چاپی - الکترونیکی
۱۷۸ص
دکتری
فیزیک گرایش اپتیک ولیزر
۱۳۹۷/۱۰/۰۳
تبریز
برشگرهای پلاسمایی، یکی از کارآمدترین ابزارهایی هستند که در راستای دستیابی به تپهای با پهنای زمانی کوتاه در لیزرهای ۲CO گسترش یافته‌اند و کاربردهای فراوانی در مطالعه‌ی اثرات غیرخطی در نیمرساناها، دمش لیزرهای فروسرخ، شتاب‌دهنده‌های لیزری ذرات و جداسازی ایزوتوپی دارند .در این پژوهش، برای نخستین بار در کشور، برشگرهای پلاسمایی برای شکل‌دهی تپهای لیزرهای ۲CO طراحی و ساخته شدند و ویژگی‌های کارکردی آنها در شرایط کاری گوناگون بررسی و مشخصه‌یابی گردیدند .در این آزمایش‌ها، تغییرات پدید آمده در میخه و دنبالهی شکل تپهای لیزری در شرایط گوناگونی از شاریدگی لیزری، فشار گاز و نوع گاز با جزئیات کامل بررسی شدند .در این راستا، گازهای گوناگونی همچون هوا،He ،Ar ،Kr ،Xe ،۲H ،۲N ،۲CO ،۳NH ،۳NF ،۴CF ،۲Cl۲CF ، HCl۲CF و ۶SF با دو روش تابش‌دهی تشدیدی و غیرتشدیدی با عدسی‌هایی با فاصله کانونی‌هایcm ۵/۲ ، ۵ و ۱۰ آزموده شدند .برای انجام این تابش‌دهی‌ها و اندازه‌گیری‌های مربوطه، پنج اتاقک تابش‌دهی جداگانه با ویژگی‌های هندسی و اپتیکی گوناگون طراحی، ساخته و به‌کار گرفته شدند .در تابش‌دهی‌های غیرتشدیدی با اتاقک‌های با فاصله کانونی cm ۵ و۱۰ ، همان‌گونه که از رفتار برشگرهای پلاسمایی انتظار می‌رفت، برای همه‌ی گازها، تپ‌هایی با میخه‌های کوتاه شده و بدون دنباله به‌دست می‌آمدند .با به‌کارگیری اتاقک با فاصله کانونیcm ۵/۲ ، دیده شد که برای همه‌ی گازها، یک گاف زمانی یا زمان خاموشی میان میخهی کوتاه شده و دنبالهی تپها ایجاد میشود که بسته به نوع و فشار گاز، اندازه‌ای برابر با۲۵/۰ - s ۳دارد .با افزایش فشار گاز، پهنای این گاف زمانی افزایش می‌یابد و با نزدیک شدن به فشار اتمسفر، کل دنبالهی تپها را دربرمی‌گیرد .بررسی پهنای زمانی میخهی تپهای برش یافته نشان دادند که اندازه‌ی آن برای همه‌ی گازها با افزایش فشار افت می‌کند و در فشارهای نزدیک به اتمسفر، به حدود۱۵ - ns ۲۵می‌رسد .کوتاه‌ترین پهناهای زمانی به‌دست آمده برای میخه‌ها، مربوط به مولکول‌های چنداتمی سنگین بوده‌اند که برای گاز ۲Cl۲CF تا نزدیک به ns ۱۰ می‌رسد .در این میان، گاز Heرفتاری متفاوت از خود نشان می‌داد .بهگونهای که، نه تنها این زمان خاموشی برای آن در هر سه فاصله کانونی دیده می‌شد که اندازه‌ی آن نیز نزدیک به یک مرتبه‌ی بزرگی، کوچکتر از گازهای دیگر بود .شکل ظاهری جرقه‌های تولید شده در این تابش‌دهی‌ها، که نمایی کلی از توزیع فضایی توده‌های پلاسمایی تولید شده را به‌دست می‌دهد نیز، به‌کمک دوربین‌های دیجیتال ثبت شدند .سرانجام، با به‌کارگیری معادلاتی که برهمکنش لیزر-پلاسما و رفتار توده‌های پلاسمایی پدید آمده در این برهمکنش‌ها را توصیف می‌کنند، همه‌ی این رفتارهای دیده شده و تصویرهای گرفته شده بهگونهای سازگار توضیح داده شدند .در تابش‌دهی‌های تشدیدی، گاز جاذب اشباع‌پذیر۶SF ، با شاریدگی حجمی بالای آستانه‌ی گسست چندفوتونی و با خطهای گوناگون لیزری، تابش‌دهی شد .با بررسی شکل تپهای عبوری، روشن شد که افت میخهی تپها بهگونهای دور از انتظار شدیدتر از دنبالهی آنها است، بهگونهای که با رسیدن فشار گاز به فشار موثر، ارتفاع میخهی تپها با دنبالهی آنها برابر میشود و سرانجام در فشار قطع، کاملا حذف میشود و تنها دنبالهی تپها برجا میماند .با بیناب‌سنجی FTIR گازهای تابش‌دهی شده و برخی دیگر از آزمایش‌های تکمیلی، شواهد تجربی محکمی به‌دست آمدند که نشان از نقش اساسی فرآیند گسست چندفوتونی مولکول‌های ۶SF در تغییر شکل تپهای عبوری لیزری داشته‌اند .همچنین، نشان داده شد که با ترکیب دو گاز مختلف، می‌توان به رفتارهای جالبی در تغییر شکل تپهای عبوری لیزری بر حسب نسبت گازها دست یافت .برای نمونه، با تغییر فشار گاز He در ترکیب‌هایHe - ۲N وHe - Ar با فشار کل ثابتmbar ۵۰۰ ، زمان خاموشی تپها از اندازه‌ی بیشینه‌ی ۵ s تا کمینه‌ی ۲/۰ s کاهش داده شد .در پایان، برای بررسی نظری کارکرد برشگرهای پلاسمایی، از کد نرم‌افزاریMULTI ، برای شبیه‌سازی برهمکنش لیزر-پلاسما و تغییر شکل‌های رخ داده در تپهای لیزری عبوری برای هدف‌های گازی سود جسته شد .نتایج شبیه‌سازی برای گاز ۲H حاکی از آن است که پهنای زمانی تپهای برش‌یافته مستقل از شدت لیزری است و با نتایج تجربی سازگاری بسیار خوبی دارد .همچنین، برهمکنش تپهای لیزر ۲CO با هدف جامد Al شبیه‌سازی شد و رفتار زمانی پارامترهای مختلف پلاسمای آلومینیم در گاز زمینه‌ی هلیوم با فشارهای گازی گوناگون و در شدت‌های مختلف لیزری مطالعه شد .برای محاسبه‌ی پارامترهای پلاسما از یک مدل گرمایی کندگی لیزری استفاده شد که دربرگیرنده‌ی معادلات رسانش گرمایی، معادلات اویلر، معادلات ساها-اگرت، لایه‌ی نادسن، روابط تعادل جرم و انرژی و اثرات حفاظ پلاسمایی می‌باشد .همچنین، مدل جامعی که دربرگیرنده‌ی همه‌ی اتلاف‌های تابشی و برانگیختگی می‌باشد، در معادله‌ی بقای انرژی اضافه شده است .برای نمونه، با شبیه‌سازی تغییرات زمانی چگالی الکترونی پلاسما، زمان تأخیر مناسب میان دو تپهای لیزری اصلی و شلیک برای شرایط گوناگون تخمین زده شد
Plasma shutters are one of the most efficient tools that have been developed in the CO2 lasers in order to achieve the short laser pulses and they have many applications in the study of nonlinear effects in semiconductors, laser chemistry, pumping of infrared lasers, laser particle accelerators and isotopic separation. In this research, for the first time in the country, the plasma shutters have been designed and constructed in order to CO2 lasers pulse shaping and have been characterized at different operational condition. In these experiments, the changes appeared in the spike and tail parts of the laser pulses have been investigated in detail at different conditions of laser fluence, gas pressure and gas type. To do this, various gases such as air, He, Ar, Kr, Xe, H2, N2, CO2, NH3, NF3, CF4, CF2Cl2, CF2HCl and SF6 were examined with resonant and non-resonant irradiation methods with 2.5, 5 and 10 cm focal length lenses. In order to perform these irradiations as well as the related measurements, five individual irradiation cells with different geometrical and optical properties were designed and constructed. As would be expected for plasma shutters behavior, tail-free shortened spike pulses were obtained in the non-resonant irradiations using the cells with 5 and 10 cm focal lengths for all the applied gases. By using the cell with 2.5 cm focal length for all the gases however, a time gap or quenching time has been observed between the tail and shortened spike parts of the pulses that has a value of 0.25-3 s depending on the type and pressure of the gases. The width of this time gap increases with the gas pressure so that, it covers the whole of the pulse tail at pressures near the atmospheric value. Surveying of the time duration of the transmitted pulsed spike have shown that its value decreases with pressure for all the gases so that, it reaches to 15-25 ns at pressures near to atmospheric value. The minimum durations obtained for the pulses spike belong to the heavy polyatomic molecules which for CF2Cl2 gas is about 10 ns. Among all the gases, He exhibited different behavior such that, its quenching time was about one order of magnitude smaller than that of the other gases and also was observed for all the three focal. A digital camera was used to record the external shape of the generated sparks, representing a general view of the spatial distribution of the created plasma plumes. Then, it has been shown that all the observed behaviors of the transmitted laser pulses shapes as well as the taken photos of the plasma plumes are consistently describable based on the equations governing the laser-plasma interactions and the associated plasma plumes behaviors. In resonant irradiations, SF6 gas has been irradiated with various laser lines with volume fluences above its multiphoton dissociation threshold. It has been found that in this condition the drop in the tail part of the pulses is unexpectedly higher than that of their tail part. Such that, the spikes height was equalized with that of the tails at 40 mbar so-called the effective pressure, and was completely disappeared at 50 mbar, so-called the cut-off pressure. By FTIR spectroscopy of the irradiated gases and some other complementary tests some strong experimental evidences have been provided that reveal the essential role of the SF6 molecules multiphoton dissociation in the alterations occurred in the laser pulses shapes. It has been shown also that interest behaviors in the transmitted laser pulses shapes can be found by combining two different gases in the irradiation cell. For example, by increasing the pressure of the He gas in He-N2 and He-Ar mixtures with a constant total pressure of 500 mbar the quenching time of the transmitted pulses decreases from its maximum value of 5 s to 0.2 s. Finally, the MULTI software code has been used in order to simulation of the laser-plasma interactions and the consequent variations in the laser pulses shapes for gaseous targets. The simulation results have revealed that the sliced pulses duration is independent of the laser intensity and also is in good agreement with the experimental findings. The interaction of the CO2 laser pulses with solid Al targets was also simulated and the temporal behavior of the different parameters of the Al plasma within He environment with different pressures for various laser intensities were studied. The calculations of the plasma parameters were done using a THERMAL MODEL for lASER ABLATION has been used which includes thermal conduction equations, Euler equations, Saha-Eggert equation, Knudsen layer, mass and energy equilibrium as well as the plasma shielding effects. Also, a comprehensive model has been added to the energy conservation equation including all the radiation losses and excitations. For instance, by simulating the temporal variations of the electron density of the Al plasma the suitable time delay between the main and triggering pulses has been evaluated for different conditions
Investigation of gasous saturable absorbers effects on plasma shutters operation in TEA CO۲ lasers
بهشتی‌پور، صالحه
Beheshtipour, Saleheh
صفری، ابراهیم، استاد راهنما
مجدآبادی، عباس، استاد راهنما
رضائی، فاطمه، استاد مشاور
سیاه و سفید
نمایه‌سازی قبلی
