دانشگاه شیراز

دانشکده علوم

پایان نامه ی کارشناسی ارشد در رشته­ ی فیزیک

گرایش اتمی( مولکولی)

عنوان:

طراحی لیزر فیبری رامان با بازده بالا در محدوده طول موجی 2-1 میکرومتر

استاد راهنما:

دکتر عبدالناصر ذاکری

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب:

فصل اول:  مقدمه

1-1-فیبرها……………………………………………………………………………………………………………………………… 6

1-2- مواد و ساخت………………………………………………………………………………………………………………… 7

1-2-1 روش ته نشینی بخار تصحیح یافته(MCVD)…………………………………………………… 9

1-3- تلفات فیبر……………………………………………………………………………………………………………………. 10

1-3-1جذب ماده…………………………………………………………………………………………………………….. 11

1-3-2 پراکندگی رایلی…………………………………………………………………………………………………… 13

1-4-نقص های موجبری………………………………………………………………………………………………………. 14

1-5 -غیر خطی بودن فیبرها……………………………………………………………………………………………….. 14

1-5-1 ضریب شکست غیر خطی………………………………………………………………………………….. 15

1-6-پراکندگی رامان ……………………………………………………………………………………………………………. 16

1-6-1 پراکندگی خود به خودی رامان………………………………………………………………………….. 16

1-6-2 پراکندگی القایی رامان………………………………………………………………………………………… 17

فصل دوم:

پراکندگی رامان در فیبرهای نوری

2-1 پراکندگی القایی رامان در فیبرها…………………………………………………………………………………. 22

2-1- 1طیف بهره رامان………………………………………………………………………………………………….. 22

2-1-2 آستانه رامان………………………………………………………………………………………………………… 25

2-1-3-تولید مولفه استوکس در اثر پراکندگی رامان با یک بار عبور…………………………. 26

2-1-4 لیزرهای فیبری رامان…………………………………………………………………………………………. 28

2-2 صفحات براگ فیبری…………………………………………………………………………………………………….. 29

2-2-1-پراش براگ………………………………………………………………………………………………………….. 30

فصل سوم:لیزرهای فیبری آبشاری رامان

3-1 انواع لیزرهای رامان فیبری بر اساس ناخالصی های درون فیبر………………………………… 33

3-2 انواع لیزرهای رامان فیبری بر اساس توان………………………………………………………………….. 34

3-3 طرح کلی لیزر رامان فیبری ………………………………………………………………………………………… 35

3-4 انواع طراحی های لیزرهای فیبری رامان …………………………………………………………………… 38

3-4-1 لیزرهای فیبری رامان برای کاربردهای پزشکی………………………………………………… 38

3-4-2 لیزر رامان فیبری چند طول موجی برای کاربردهای حسگری دور برد………….. 39

3-4 -3 لیزر رامان فیبری دو بار گذار با کاربرد زیست پزشکی…………………………………… 44

فصل چهارم:حل معادلا ت مربوط به لیزرهای فیبری آبشاری رامان

به روش تحلیلی

4-1 شکل کلی لیزر فیبری آبشاری رامان…………………………………………………………………………… 48

4-1-1 دستگاه معادلات مربوط به توان موج های پمپ و مولفه های استوکس ………. 49

4-1-2 ضرایب بازتاب صفحات براگ……………………………………………………………………………… 50

4-1-3 اعمال تغییر متغیردر دستگاه معادلات ……………………………………………………………. 51

4-1-4 اعمال تقریب برای حل دستگاه معادلات بالا……………………………………………………. 54

4-2 الگوریتم تقریب اولیه…………………………………………………………………………………………………….. 56

4-3 پیاده سازی الگوریتم تقریب اولیه برای چیدمان لیزر پیشنهادی …………………………….. 60

4-3-1 پارامترهای مورد نیاز……………………………………………………………………………………………. 60

4-3-2 نتایج بدست آمده با استفاده از الگوریتم تقریب اولیه……………………………………… 60

4-4 مقایسه روش تقریب اولیه با داده های تجربی…………………………………………………………….. 60

فصل پنجم:حل معادلا ت مربوط به لیزرهای فیبری آبشاری رامان به روش عددی

5-1  حل گر عددی ode45…………………………………………………………………………………………………. 67

5-2 روش طیفی……………………………………………………………………………………………………………………. 70

5-2-1 روش طیفی فوریه……………………………………………………………………………………………….. 72

5-2-2 روش طیفی چبیشف………………………………………………………………………………………….. 75

5-3 حل دستگاه معادلات توان توسط روش طیفی فوریه…………………………………………………. 76

5-4 مقایسه روش های تقریب اولیه، حل گر عددی ode45 و طیفی چبیشف با سایر

روش های عددی به کار رفته در مقالات……………………………………………………………………………… 81

نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………………………………………………. 84

پیشنهاد برای ادامه کار ………………………………………………………………………………………………………………. 86

فهرست منابع ………………………………………………………………………………………………………………………….. 87

فهرست جدول ها

جدول2-1 طول موج مولفه های استوکس مختلف تولید شده طی فرآیند SRS…………………. 27

جدول3-1 مقایسه ویژگی های لیزرهای رامان فیبری با چیدمان های مختلف…………………….. 39

جدول 4-1 پارامترهای مربوط به چیدمان لیزر شکل 4-1……………………………………………………… 60

جدول 4-2 پارامترهای مورد نیاز مربوط به چیدمان آزمایشگاهی لیزر فیبری رامان …………… 63

فهرست شکل ها

شکل 1-1 فیبر با ضریب درجه ای و مرحله ای ………………………………………………………………………. 7

شکل 1-2  دستگاهی که برای کشیدن فیبر استفاده می شود………………………………………………… 8

شکل 1-3  روش ته نشینی بخار تصحیح یافته را نشان می دهد……………………………………………. 9

شکل1-4 جذب بر حسب طول موج یک فیبر تک مد با قطر هسته 9.4 میکرومتر…………….. 11

شکل1-5تلفات و پاشندگی فیبرها و فیبر خشک که میزان یون OHدر آن بسیار

پایین است……………………………………………………………………………………………………………………………………. 13

شکل1-6پایستگی انرژی پراکندگی القایی رامان………………………………………………………………………. 17

شکل1-7توصیف مولکولی پراکندگی القایی رامان……………………………………………………………………. 18

شکل2-1 طیف بهره رامان برای سیلیکای فیوز شده در طول موج پمپ 1 میکرومتر………….. 22

شکل2-2 طیف بهره رامان به عنوان تابعی از جابجایی فرکانسی برای مقادیر مختلف

ناخالصی اکسید ژرمانیم………………………………………………………………………………………………………………. 23

شکل2-3 نقاطs1 تا s5 مولفه های استوکس همزمان تولید شده را با استفاده از توان

پالسی 1.06 میکرومتر نشان می دهند………………………………………………………………………………………. 27

شکل 2-4 شمای یک لیزر رامان کوک پذیر…………………………………………………………………………….. 28

شکل2-5 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…………………………………………….. 30

شکل3-1 طیف بهره رامان برای فیبرهای سیلیکات فسفر و سیلیکات ژرمانیم…………………….. 33

شکل3-2 شمای کلی یک لیزر فیبری رامان…………………………………………………………………………….. 35

شکل3-3 شمای کلی یک لیزر فیبری آبشاری رامان……………………………………………………………….. 36

شکل3-4 شمای لیزر فیبری رامان ترکیبی………………………………………………………………………………. 38

شکل3-5 چیدمان آزمایشی لیزر فیبری رامان چند طول موجی که از چندین صفحه

براگ جابجایی فاز برای سیستم حسگری دوربردتشکیل شده است……………………………………… 40

شکل3-6(a) طیف بازتاب اندازه گیری شده یک صفحه براگ با جابجایی فاز

و شکل3-6 (b) طیف بازتاب اندازه گیری شده یک صفحه براگ

تنظیم پذیر را نشان می دهد……………………………………………………………………………………………………. 41

شکل3-7 طیف خروجی اندازه گیری شده لیزر رامان چند طول موجی با یک صفحه

براگ جابجایی فاز……………………………………………………………………………………………………………………….. 42

شکل3-8 جابجایی طول موج لیزر به عنوان تابعی از دما. حساسیت دمایی هر دو طول

موج یکسان است و حدود  است……………………………………………………………………………….. 43

شکل3-9 جابجایی طول موج لیزر به عنوان تابعی از فشار……………………………………………………… 43

شکل3-10 چیدمان لیزر رامان فیبری دوبار عبور تنظیم پذیر پرتوان……………………………………. 45

شکل 3-11 طیف مولفه های استوکس آبشاری در ناحیه 527-360 نانومتر تولید شده

در نتیجه گسیل پمپ لیزر یک بار عبور از فیبر رامان…………………………………………………………….. 45

شکل 3-12 مولفه های استوکس آبشاری در ناحیه1.01-0.54 میکرومتر تولید شده در

نتیجه گسیل پمپ لیزر یک بار عبور از فیبر رامان…………………………………………………………………… 46

شکل4-1 لیزر رامان فیبری سیلیکات فسفر با تولید دو مولفه استوکس……………………………….. 48

شکل 4-2 بازتاب پرتو از صفحه براگ0 را نشان می دهد. …………………………………………………….. 50

شکل 4-3 بازتاب صفحات براگ از جفت صفحات 1و4 را نشان می دهد. نوری

که درون کاواک تشکیل شده از صفحات 1 و 4 رفت و برگشت می کند

در هر بار عبور از 4 نقطه اتصال و 2 صفحه براگ عبور می کند……………………………………………. 50

شکل4-4  بازتاب صفحات براگ از جفت صفحات2و3 را نشان می دهد. …………………………….. 51

شکل 4-5 چیدمان آزمایشگاهی لیزرآبشاری فیبری رامان …………………………………………………….. 63

شکل5-1 شبکه نقاط گسسته روی بازه تناوبی ………………………………………………………. 72

شکل5-2 نقاط شبکه چبیشف روی بازه ………………………………………………………………….. 75

شکل5-3 لیزر رامان فیبری سیلیکات فسفر با تولید دو استوکس………………………………………….. 81

فهرست نمودارها

نمودار4-1 توان های رفت و برگشت موج های پمپ و مولفه های استوکس رسم شده

توسط نرم افزار مطلب با استفاده از روش تقریب اولیه…………………………………………………………… 61

نمودار4-2 توان های رفت و برگشت موج های پمپ و مولفه های استوکس رسم شده

توسط نرم افزار مطلب در مقایسه با یکدیگر………………………………………………………………………………. 62

نمودار4-3 توان خروجی مولفه دوم استوکس  بر حسب توان ورودی پمپ

نقاط مثلثی، داده های تجربی، خط چین نمودارعددی با ضریب عبور1درصد و خط صاف

نمودار عددی با ضریب عبور 15 درصد را نشان می دهد………………………………………………………… 64

نمودار4-4 توان خروجی مولفه دوم استوکس  بر حسب توان ورودی پمپ

با استفاده از روش تقریب اولیه…………………………………………………………………………………………………… 65

نمودار5-1 توان های رفت و برگشت موج های پمپ و مولفه های استوکس رسم شده

توسط نرم افزار مطلب با استفاده از حل گر عددی ode45……………………………………………………… 68

نمودار5-2 توان های رفت و برگشت موج های پمپ و مولفه های استوکس رسم شده

توسط نرم افزار مطلببا استفاده از حل گر عددی ode45 در مقایسه با یکدیگر ………………….. 69

نمودار5-3 توان های رفت و برگشت موج های پمپ و مولفه های استوکس رسم شده

توسط نرم افزار مطلببا روش تقریب اولیه به صورت خط و با استفاده از حل گر عددی

ode45به صورت ستاره……………………………………………………………………………………………………………….. 7

نمودار5-4 توان های رفت و برگشت موج های پمپ و مولفه های استوکس رسم شده

توسط نرم افزار مطلب با روش طیفی چبیشف……………………………………………………………………….. 78

نمودار5-5 توان های رفت و برگشت موج های پمپ و استوکس ها رسم شده توسط

نرم افزار مطلب با روش طیفی چبیشف به صورت خط صاف در مقایسه با روش

حل گر عددیode45 به صورت ستاره…………………………………………………………………………………….. 78

نمودار5-6 توان های رفت و برگشت موج های پمپ و مولفه های استوکس رسم شده

توسط نرم افزار مطلب با روش طیفی چبیشف به صورت علامت مثبت در مقایسه با

روش تقریب اولیه به صورت خطوط صاف سیاه رنگ………………………………………………………………. 80

نمودار 5-7 توان پمپ و مولفه های استوکس اول و دوم در مسیر رفت و برگشت………………. 8

چکیده

در دهه های اخیر لیزرهای فیبری آبشاری رامان به خاطر بازه فرکانسی وسیع و کاربردهای متنوعی که دارند بسیار مورد توجه قرار گرفته اند.

در این بررسی چیدمان آزمایشگاهی لیزر فیبری رامان را در نظر گرفته و معادلات مربوط بهتوان پرتوهای پمپ و مولفه های استوکس اول و دوم را می نویسیم.سپس این معادلات را که به صورت دستگاه معادلات دیفرانسیل غیر خطی مرتبه اول با شرایط مرزی در ابتدا و انتهای فیبر هستند،با اعمال تغییر متغیر و با استفاده از الگوریتم تقریب اولیه به صورت دستگاه معادلات خطی با شرایط اولیه در آورده و با روش تحلیلی و تهیه برنامه آن در نرم افزار متلب، حل نموده ونمودارتوانپرتوهای پمپ و مولفه های استوکس رفت و برگشت را برحسب طول فیبر رسم می کنیم.

در مرحله بعد معادلات مربوطه را به دو روش عددی حل گرode45 و روش طیفی با استفاده از نرم افزار متلب حل نموده و نمودار توان پرتوهای پمپ و مولفه های استوکس رفت و برگشت را برحسب طول فیبر با این دو روش رسم می نماییم.

در نهایت می توان دید که نمودارهای رسم شده توان پمپ و مولفه دوم استوکس برحسب طول فیبر به روش تحلیلی، با نمودارهای مشابه به روش های عددی ode45 و روش طیفی بر هم منطبقند و نمودار رسم شده توان مولفه اول استوکسبه روش عددی ode45 با نمودار های مشابه با دو روش دیگر کاملا منطبق نیستند اما توافق خوبی با هم دارند.

هم چنین نمودار توان پمپ و مولفه های اول و دوم استوکس را که از طریق داده های تجربی مربوط به چیدمان آزمایشگاهی بدست آمده اند، با نمودارهای مشابه بدست آمده از روش های عددی مقایسه می نماییم. دیده می شود که نمودار تجربی نیز با نمودارهای رسم شده توسط روش های تحلیلی و عددی توافق نسبتا خوبی نشان می دهند. به گونه ای که برای مثال توان پمپ پیشرو در نمودار تجربی از مقدار حدود 5/4 واتدر ابتدای فیبر به مقدار 1 وات در انتهای فیبر می رسد. در حالی که سایر نمودارها متفقا این مقدار را  حدود  5/4 وات در ابتدای فیبر و 5/0 وات در انتهای فیبر پیش بینی می کنند.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.