مطالعه نظری تپ های لیزری بسیار کوتاه مدبندی شده با استفاده از جاذب اشباع پذیر

هدف از این پژوهش، بررسی نظری مدبندی ناکنای لیزرها با استفاده از جاذب اشباع پذیر است. ساز و کار مدبندی را می توان در دو حوزه زمان و بسامد توصیف کرد. ساز و کار تشکیل تپ های بسیار کوتاه به روش مدبندی در حوزه زمان، به صورت یک مسئله انتشار تپ بررسی می شود. ابتدا ساز و کار دو نوع مدبندی کنا و ناکنا را در حوزه بسامد بررسی کرده ایم. آن گاه فرآیندهای شکل دهی تپ در مدبندی ناکنا را مطالعه کرده ایم. این فرآیندها شامل بهره، اتلاف خطی، محدودیت پهنای باند، اتلاف قابل اشباع، پاشندگی و خود مدوله سازی فازی هستند. از طرفی بسته به ترکیب های متفاوت از فرآیندهای شکل دهی تپ، روش های متفاوتی برای مدبندی ناکنا وجود دارد و برای درک عمیق از ساز و کار مدبندی ناکنا، باید بر فرآیندهای شکل دهی تپ شناخت کافی پیدا کرد. در حوزه زمان، کنش متقابل تپ و مولفه های اپتیکی درون کاواک های لیزر مدبندی شده را در قالب معادلات دیفرانسیلی ارائه کرده ایم. این معادلات در بسیاری موارد جواب تحلیلی ندارند و برای رسیدن به جواب تحلیلی از تقریب های مناسبی کمک گرفته ایم. حل دقیق تر این معادلات به کمک شبیه سازی عددی امکان پذیر است. یک برنامه رایانه ای نوشته ایم که قادر است تحولات تپ در حال انتشار را تحت تأثیر فرآیندهای مختلف شکل دهی تپ در مدبندی ناکنا، به صورت عددی شبیه سازی کند. در این برنامه از روش دو مرحله ای تبدیل فوریه استفاده می شود. در این روش تأثیر عوامل خطی در حوزه بسامد و تأثیر عوامل غیر خطی در حوزه زمان محاسبه می شود. برای انتقال از حوزه زمان به حوزه بسامد و یا بالعکس از تبدیل سریع فوریه استفاده شده است. به کمک این برنامه تأثیر مولفه های اپتیکی را بر شکل پوش و دیگر ویژگی های تپ های سکانت هایبربولیک و گاوسی و در گستره وسیعی از داده های مربوط به ویژگی های تپ اولیه و مشخصات مولفه های اپتیکی بررسی کرده ایم. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد که هنگامی که محیط بهره (با در نظر گرفتن اثر محدودیت پهنای باند بهره) بر روی یک تپ اثر می کند سبب افزایش انرژی و بیشینه توان تپ، افزایش دوام و کاهش پهنای طیفی و جابجایی تپ روی محور زمان می شود. از طرفی با افزایش ضریب بهره سیگنال کوچک محیط، انرژی و بیشینه توان و دوام تپ افزایش می یابد. در نتیجه افزایش انرژی اشباع محیط بهره و یا کاهش انرژی تپ فرودی، بهره به صورت ضعیف تری اشباع شده و انرژی تپ مذکور بیش تر تقویت می شود. با افزایش زمان بازیابی بهره، محیط بهره با شدت بیش تری اشباع شده و انرژی تپ ورودی کم تر تقویت می شود. بسته به زمان بازیابی جاذب اشباع پذیر می توان جاذب را به دو دسته آرام و سریع تقسیم کرد. شبیه سازی نشان می دهد که جاذب های اشباع پذیر سبب می شوند که مقادیر انرژی، بیشینه توان و دوام تپ ورودی کاهش و پهنای طیفی تپ افزایش یابد. علاوه بر آن، جاذب اشباع پذیر آرام سبب جابجایی قله تپ روی محور زمان می شود. با افزایش بیشینه ضریب اتلاف دامنه، دوام تپ کاهش و میزان اتلاف انرژی تپ افزایش می یابد. در نتیجه افزایش انرژی اشباع جاذب و یا با کاهش بیشینه توان تپ فرودی، جاذب به صورت ضعیف تر اشباع شده و میزان اتلاف انرژی تپ افزایش می یابد. در ادامه ترکیب دینامیک بهره و اتلاف قابل اشباع را در سه حالت خاص بر روی تپ بررسی کرده ایم. این سه حالت که در سه الگوی متفاوت مدبندی ناکنا به کار می روند شامل ترکیب اثر (الف) جاذب اشباع پذیر سریع و محیط بهره بدون اشباع دینامیکی، (ب) جاذب اشباع پذیر آرام و محیط بهره با اشباع دینامیکی و (ج) جاذب اشباع پذیر آرام و محیط بهره بدون اشباع دینامیکی می شود. به کمک شبیه سازی دریافته ایم که پاشندگی محیط سبب چرپ بسامدی تپ ورودی و در نتیجه تغییر بعضی از ویژگی های آن از جمله تغییر شکل پوش، دوام و دامنه تپ می شود. همچنین مرتبه سوم پاشندگی محیط سبب جابجایی تپ روی محور زمان می شود. با افزایش بزرگی مرتبه دوم و سوم پاشندگی محیط، دوام تپ افزایش و بیشینه توان آن کاهش می یابد. به منظور تولید تپ های بسیار کوتاه با ویژگی های معین باید بر پاشندگی محیط درون کاواک لیزری کنترل داشت. برای خنثی کردن این پاشندگی، پاشندگی زاویه ای ناشی از جفت منشورها و جفت توری های پراش را مطالعه کرده ایم. شبیه سازی خود مدوله سازی فازی بر تپ های بسیار کوتاه، نشان می دهد که این عامل با تولید مولفه های جدید بسامدی سبب افزایش پهنای طیفی تپ چرپ نشده می شود. همچنین خود مدوله سازی فازی می تواند سبب کاهش دوام زمانی تپی شود که ابتدا تحت تأثیر پاشندگی قرار گرفته است ونیز پاشندگی می تواند سبب کاهش پهنای طیفی تپی شود که ابتدا تحت تأثیر خود مدوله سازی فازی قرار گرفته است. در پایان روش های متفاوت مدبندی را بررسی کرده و در هر مورد معادله اصلی مدبندی هاوس را حل کرده ایم. به کمک این معادله، کوتاه ترین دوام ممکن برای تپ بسیار کوتاه حاصل در هر روش را به دست آورده ایم.