و تقدیم به اساتید بزرگوارم
که چراغ راه دانش من بوده‌اند و تنها کار من در قبال زحمتشان همیشه تشکر بوده است و بس.
سپاسگزاری
ضمن سپاس و ستایش به درگاه ایزد منان که به من توانایی داد که با استعانت از او بتوانم این پژوهش را انجام دهم، بر خود لازم می بینم از دلگرمی و تشویق اساتید و دوستان بزرگواری که در نگارش این مجموعه مرا یاری نمودند، قدردانی نمایم.
از جناب آقای دکتر حمید نادگران که در کمال سعه صدر، با حسن خلق و فروتنی، از هیچ کمکی در این عرصه بر من دریغ ننمودند و زحمت راهنمایی این رساله را بر عهده گرفتند، تقدیر و تشکر می‌کنم. همچنین از آقایان دکتر عباس بهجت و دکتر عباس قاسم‌پور که زحمت داوری این رساله را متقبل شدند، کمال تشکر و قدردانی را دارم.
از اساتید بزرگوار، آقایان دکتر محمد مهدی گلشن، دکتر عبدالناصر ذاکری، دکتر محمود حسینی‌فرزاد به خاطر مطالعه این رساله و راهنمایی‌های ارزنده‌شان تشکر و قدردانی می‌کنم، باشد که این خردترین، بخشی از زحمات آنان را سپاس گوید.
و در خاتمه از دوستان ارجمندم آقایان محمد عسکریان و حسین نیک منش و دیگر دوستانی که مرا در انجام این تحقیق یاری نمودند، تشکر می‌کنم.
چکیده
بررسی اثرات گرمایی و بازدیسی نیمرخ دمش بر پرتوهای خاص
ماتیو-گاوس، کسینوس-گاوس و سهموی-گاوس
به کوشش:
رضا فلاح
در این رساله، تأثیر گرما و بازدیسی نیمرخ دمش بر تولید پرتوهای خاص ماتیو-گاوس، کسینوس-گاوس و سهموی-گاوس که جزء پرتوهای خانواده هلمهولتز-گاوس هستند بررسی شده است.
به منظور بررسی تأثیر گرما بر تولید پرتوهای خانواده هلمهولتز-گاوس، ابتدا چگونگی توزیع دما و چشمه‌ی گرمایی در میله لیزری شبیه‌سازی شده است، سپس با استفاده از یک مدل گرمایی، اثرات گرما بر تولید پرتوهای کسینوس-گاوس و سهموی-گاوس بررسی و در ادامه میزان تأثیر گرما بر تولید چهار پرتو خاص خانواده هلمهولتز-گاوس مقایسه شده است. نتایج و محاسبات نشان می‌دهد که در دمش با توان بالا، اثرات گرمایی به شدت بر تولید پرتوهای خانواده هلمهولتز-گاوس تأثیرگذار است، ولی با افزایش دادن کمر پرتو دمشی، گرادیان دمایی در محیط فعال کاهش می‌یابد و رفتار عدسی-گونه محیط به شدت تضعیف می‌گردد، لذا برای حالتی که کمر پرتو دمشی بزرگ است، می‌توان از اثرات گرما بر پرتو خروجی لیزر چشم‌پوشی کرد.
اثر بازدیسی نیمرخ دمش و به تبع آن بازدیسی نیمرخ چشمه گرمایی بر تولید پرتوهای هلمهولتز-گاوس است که در این رابطه، تأثیر بازدیسی نیمرخ دمش بر مدل گرمایی پرتوهای خاص ماتیو-گاوس، کسینوس-گاوس و بسل-گاوس بررسی شده است. نتایج نشان می‌دهد که میزان تأثیر بازدیسی نیمرخ دمش بر مدل گرمایی پرتوهای خاص، بستگی به توان دمش دارد، بطوریکه برای دمش با توان کم، بازدیسی نیمرخ دمش بر تولید پرتوهای خاص بی‌تأثیر است، اما با افزایش توان دمش، رفتار عدسی-گونه محیط نسبت به حالت قبل تقویت می‌گردد. بنابراین بازدیسی نیمرخ دمش در توان دمش بالا، بر مدل گرمایی پرتوهای خاص هلمهولتز-گاوس تاثیرگذار است و باید به خوبی در مطالعات و طراحی لیزرهای حالت جامد درنظرگرفته شود.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه
مقدمه و تاریخچه ……………………………………………………………………………………………………………۲
آنچه در رساله خواهد آمد ……………………………………………………………………………………………..۶
فصل دوم: تأثیر گرما بر عملکرد لیزرهای حالت جامد
۲-۱ مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………………..۹
۲-۲ اصول اساسی انتقال گرما……………………………………………………………………………………………………۱۰
۲-۲-۱ انتقال گرما از طریق رسانش ………………………………………………………………………………………۱۰
۲-۲-۲ انتقال گرما از طریق همرفت………………………………………………………………………………………..۱۲
۲-۲-۳ انتقال گرما از طریق تابش……………………………………………………………………………………………۱۳
۲-۳ گرما در میله‌های لیزری…………………………………………………………………………………………………..۱۴
۲-۳-۱ ایجاد گرما در اثر دمش………………………………………………………………………………………………….۱۴
۲-۳-۲ عدسی گرمایی……………………………………………………………………………………………………………….۱۷
۲-۳-۳ انتقال گرما در سامانه لیزری خنک‌کننده با سیال………………………………………………………….۱۸
۲-۴ تأثیر گرما بر عملکرد لیزر حالت جامد با دمش از انتها………………………………………………………۲۰
۲-۴-۱ توزیع دما در میله لیزری با دمش از انتها……………………………………………………………………….۲۰
۲-۴-۲ فاصله‌ی کانونی عدسی گرمایی القایی در میله لیزری با دمش از انتها…………………………..۲۳
۲-۵ تأثیر گرما بر عملکرد لیزر حالت جامد با دمش از پهلو……………………………………………………….۲۵
۲-۵-۱ توزیع دما در میله لیزری دمش از پهلو…………………………………………………………………………..۲۵
۲-۵-۲ فاصله‌ی کانونی عدسی گرمایی القایی در میله لیزری با دمش از پهلو……………………………۲۶
فهرست مطالب
عنوان
صفحه
فصل سوم: مدل گرمایی پرتوهای کسینوس-گاوس و سهموی-گاوس، مقایسه تأثیر گرما بر تولید پرتوهای هلمهولتز-گاوس
۳-۱ مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………۳۰
۳-۲ پرتوهای هلمهولتز-گاوس………………………………………………………………………………………………….۳۲
۳-۲-۱ پرتو بسل-گاوس……………………………………………………………………………………………………………۳۳
۳-۲-۲ پرتو ماتیو-گاوس……………………………………………………………………………………………………………۳۵
۳-۲-۳ پرتو کسینوس-گاوس……………………………………………………………………………………………………۳۷
۳-۲-۴ پرتو سهموی-گاوس………………………………………………………………………………………………………۳۷
۳-۳ مدل گرمایی……………………………………………………………………………………………………………………….۳۹
۳-۴ محاسبه فاصله کانونی عدسی گرمایی و شبیه سازی توزیع شدت پرتوهای کسینوس-گاوس و سهموی-گاوس………………………………………………………………………………………………………………………..۴۷
۳-۵ مقایسه تأثیر گرما بر تولید پرتوهای هلمهولتز-گاوس………………………………………………………۶۶
۳-۶ نتیجه گیری ………………………………………………………………………………………………………………………۷۳
فصل چهارم: بررسی اثر بازدیسی نیمرخ دمش بر مدل گرمایی پرتوهای هلمهولتز-گاوس یک لیزر حالت جامد
۴-۱ مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………..۷۶
۴-۲ مدل گرمایی و انتقال پرتو در محیط عدسی-گونه القایی…………………………………………………۷۷
۴-۳ نتایج…………………………………………………………………………………………………………………………………..۷۹
۴-۳-۱ چشمه گرمایی دارای نیمرخ بسل-گاوس………………………………………………………………………۸۰
فهرست مطالب
عنوان صفحه
۴-۳-۲ چشمه گرمایی دارای نیمرخ ماتیو-گاوس……………………………………………………………………..۸۵
۴-۳-۳ چشمه گرمایی دارای نیمرخ کسینوس-گاوس……………………………………………………………..۹۱
۴-۴ بحث……………………………………………………………………………………………………………………………………۹۵
۴-۵ نتیجه‌گیری………………………………………………………………………………………………………………………..۹۶
فصل پنجم: نتیجه‌گیری
۵-۱ نتیجه‌گیری و پیشنهادات………………………………………………………………………………..۹۷
منابع……………………………………………………………………………………………………………..۱۰۰
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل ۲-۱ انتقال گرما از یک صفحه فلزی داغ از طریق همرفت………………………………………………..۱۳
شکل ۲-۲ ترازهای انرژی در یک لیزر چهار ترازی……………………………………………………………………۱۶
شکل ۲-۳ سامانه‌های خنک کننده با سیال در حالت دمش طولی……………………………………………۱۸
شکل ۲-۴ سطح مقطع سامانه خنک کننده و تصویر لکه دمش بر روی آن……………………………..۱۸
شکل ۲-۵ سامانه خنک‌سازی میله لیزری توسط صفحه خنک‌کننده……………………………………….۲۲
شکل ۲-۶ سطح مقطع میله لیزری با دمش جانبی از سه طرف………………………………………………..۲۵
شکل ۳-۱ چیدمان آزمایشگاهی هاکولا برای تولید پرتوهای بسل-گاوس……………………………….۳۴
شکل ۳-۲ چیدمان آزمایشگاهی برای تولید پرتوهای ماتیو-گاوس…………………………………………..۳۴
شکل ۳-۳ تغییرات چگالی چشمه گرمایی بر حسب فاصله شعاعی …………………………………………۴۱
شکل ۳-۴ تغییرات چگالی چشمه گرمایی در راستای شعاع میله برای کمرهای پرتو دمشی متفاوت در توان دمش ۵وات……………………………………………………………………………………………………..۴۱
شکل ۳-۵ توزیع دمای بلور در راستای شعاع میله برای توان دمش مختلف……………………………..۴۳
شکل ۳-۶ توزیع دمای بلور در راستای محور میله برای توان دمش مختلف………………………………۴۳
شکل ۳-۷ توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله ۲ سانتی متری از کمر پرتو برای توان دمش ۱وات…………………………………………………………………………………………………۵۰
شکل ۳-۸ توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله ۲ سانتی متری از کمر پرتو برای توان دمش ۳وات…………………………………………………………………………………………………۵۱
شکل ۳-۹ توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله ۲ سانتی متری از کمر پرتو برای توان دمش ۵وات…………………………………………………………………………………………………۵۲
شکل ۳-۱۰ توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله ۵ سانتی متری از کمر پرتو برای توان دمش ۱وات……………………………………………………………………………………………..۵۳
شکل ۳-۱۱ توزیع شدت و لکه لیزری برای پرتوهای کسینوس-گاوس در فاصله ۵ سانتی متری از کمر پرتو برای توان دمش ۳وات……………………………………………………………………………………………..۵۴
فهرست شکل‌ها
عنوان