کاربردهای لیزر و بررسی لیزرهای چند طول موج

“کاربردهای لیزر و بررسی لیزرهای چند طول موج»

مقدمه 

لیزر امروزه در زمینه های گوناگون ازقبیل بیولوژی،پزشکی،مدارهای کامپیوتر،ارتباطات،سیستم های اداری، صنعت، اندازه گیری در زمینه های مختلف و…بکار برده میشود.لیزر یک منبع نور خاص است وبطور کلی با نورلامپهای معمولی، چراغ برق، نورفلورسانت وغیره تفاوت فاحش دارد و درمقایسه باسایرمنابع نور در رده ای بامشخصات فوق العاده نوری قرار دارد.

بیان مسئله

اولین لیزر در سال 1960 به کار برده شد و لیزر یاقوتی رنگی بود که از پالس های (تپ های) پر قدرت نور قرمز نشان می گرفت.

تعریف اصطلاحات

لیزر

حروف واژه لیزر^[1] به ترتیب حرف اول کلمه های نور ^[2]، تقویت ^[3]، القایی^[4]، گسیل ^[5]،تابش^[6] و به معنی تقویت نور توسط گسیل القایی تابش می باشد. لیزر دستگاهی است برای تولید، تقویت و انتقال باریکه های نوری همدوس باریک و با شدت زیاد گاهی عنوان میزر اپتیکی نیز به لیزر اطلاق می شود. نور همدوس تولید شده توسط لیزر با نور عادی تفاوت اساسی دارد.

نور لیزر از موج هایی تشکیل شده که همگی هم فازند و طول موج یکسان دارند، در حالی که نور عادی شامل طول موج های مختلف است و موج های مختلف با یکدیگراختلاف فاز دارند.

قسمت های لیزر

یک سیستم لیزری عموما از سه بخش عمده تشکیل شده است:

• پمپ انرژی يا چشمه ي انرژی: که ممکن است اين پمپ اپتيکی يا شيميايی و يا حتی يک ليزر ديگر باشد.
• ماده ي پايه و فعال: که نام گذاری ليزر بواسطه ي ماده ي فعال صورت می‌‌گيرد.

اجزاء وروش کار لیزر

لیزر منبع نوری است که  خواص یکتایی و منحصر به فرد را به نمایش می گذارد و کاربردهای گوناگونی دارد. لیزر درجوشکاری، نقشه بر داری، پزشکی، ارتباطات، دفاع ملی و نیز در زمینه های مختلف تحقیقات علمی کاربرد دارد. امروزه انواع گوناگون لیزر به صورت تجاری در دسترس است. اندازه آنها دامنه و سیعی دارد به طوری که بعضی از آنها می توانند در نوک انگشت جای بگیرند و بعضی دیگر یک ساختمان بزرگ را پرمی کنند. تمام این لیزرها دارای خواص مشترکی هستند. 

کاربرد ليزر در ارتباطات نوری

يکي از تحولات چشمگير ارتباطات، کاربردهاي ليزر در عرصه مخابرات است. ليزرها با پهناي باند وسيع، قادر هستند که زمينه انتقال هزاران کانال مخابراتي را فراهم کنند.

جهت ارسال سيگنال‌هاي ليزري از کابل نوري استفاده مي شود. ماده اصلي اين کابل از جنس شيشه است، بسيار ارزان بوده و به سهولت در طبيعت قابل بازيافت است. قطر کامل يک فيبر نوري با پوشش محافظ آن در حدود 5 ميليمتر است.

پرتو ليزر در داخل کابل نوري با توجه به پديده فيزيکي شکست داخلي بدون تلفات فراوان منتشر ميشود. مزاياي بکارگيري کابل نوري اين است که ميزان کنده‌کاري جهت نصب کابل را کاهش داده و هيچگاه دچار خوردگي نمي‌شود. کاربرد ليزر در ارتباط نوری استفاده از باريکه ي ليزر برای ارتباط در جو به خاطرِ داشتن دو مزيت مهم، اشتياق زيادی برانگيخت که اين دو مزيت مهم عبارتند از:

اولين علت، دسترسی به پهنای نوار نوسانی بزرگ ليزر است.

زيرا مقدار اطلاعات قابل انتقال روی يک موج حامل متناسب با پهنای نوار آن است. فرکانس موج حامل از ناحيه ميکروموج به ناحيهٔ نور مرئی به اندازه ي 104 برابر افزايش می‌‌يابد و در نتيجه امکان استفاده از يک پهنای بزرگتر را به ما می‌‌دهد.

علت دوم طول موج کوتاه تابش است.

چون طول موج ليزر نوعاً حدود 104 مرتبه کوچکتر از امواج ميکرو موج است با قطر روزنه يکسان D  واگرايی امواج نوری به اندازه 104 مرتبه نسبت به واگرايی امواج ميکرو موج کوچکتر است. بنابراين برای دستيابی به اين واگرايی آنتن يک سيستم اپتيکی می‌‌تواند به مراتب کوچکتر باشد. اما اين دو امتياز مهم با اين واقعيت خنثی می‌‌شوند که باريکه نوری تحت شرايط ديد ضعيف در جو به شدت تضعيف می‌‌شود.

در نتيجه استفاده از ليزرها در ارتباطات فضای باز (هدايت نشده) فقط در مورد اين موارد توسعه يافته اند:

الف) ارتباطات فضايی بين دو ماهواره و يا بين يک ماهواره و يک ايستگاه زمينی که در يک شرايط جوی مطلوب قرار گرفته است.

ليزرهايی که در اين مورد استفاده می‌‌شوند عبارتند از: ND:YAG با آهنگ انتقال 109 بيت در ثانيه گرچه CO2 نسبت به ND:YAG دارای بازدهی بالاتری است ولی دارای اين اشکال است که نياز به سيستم آشکارسازی پيچيده تری دارد و طول موج آن هم به اندازه 10 مرتبه بزرگتر از طول موج ND:YAG است.

ب) ارتباطات بين دو نقطه در يک مسافت کوتاه مثلاً انتقال اطلاعات درون يک ساختمان که برای اين منظور از ليزرهای نيمرسانا استفاده می‌‌شود. اما زمينه ي اصلیِ مورد توجه در ارتباطات نوری مبتنی بر انتقال از طريق تارهای نوری است. انتقال هدايت شدهٔ نور در تارهای نوری پديده‌ای است که از سالها پيش شناخته شده است اما تارهای نوری اوليه فقط در مسافت های خيلی کوتاه مورد استفاده قرار می‌‌گرفتند.

مثلاً کاربرد متعارف آن ها در وسايل پزشکی برای آندوسکوپی است ؛ بنابراين در اواخر سال 1960 تضعيف در بهترين شيشه‌های نوری در حدود 1000 دِسی بِل بر کيلومتر بود. از آن زمان پيشرفت تکنيکی شيشه و کوارتز باعث تغيير شگفت انگيزی در اين عدد شده است به طوری که اين تضعيف برای کوارتز به 5/0 دسی بل بر کيلومتر رسيده است. اين تضعيف فوق العاده کوچک آينده مهمی را برای کاربرد تارهای نوری در ارتباطات راه دور نويد می‌‌دهد.

لیزرها و استاندارهای ایمنی

طبق آخرین استانداردهای بین المللی کلیه لیزرهای ساخته شده بر حسب طول موج و توان خروجی گروه بندی شده‌اند. این گروه بندی نشان می‌دهد که میزان خطر دهی و یا صدمه دهی لیزر بر بافت چه مقدار می‌باشد. به همین خاطر هنگامی که یک پزشک و یا یک متخصص قصد استفاده از لیزر را دارد باید دقت نماید که لیزر مزبور در کدام گروه از تقسیم بندی زیر قرار گرفته است. آنگاه با آگاهی از میزان خطر ساز بودن لیزر اقدام به بکارگیزی لیزر نماید.

گروه اول:

لیزرهایی هستند که هیچگونه خطری را متوجه انسان نمی‌کنند. توان خروجی این گونه لیزرهای بسیار اندک می‌باشد آنقدر که حتی در برخورد با چشم انسان خطر آفرین نبوده و صدمه‌ای ایجاد نخواهند کرد. بسیاری از لیزرهای کم توان تجاری از این گروه لیزرها هستند. برای مثال لیزر بکار گرفته شده در چاپگرهای لیزری بگونه‌ای طراحی شده‌اند که مانع برخورد پرتو لیزر با انسان می‌شوند.

طرز کار يک ليزر ياقوتي

پمپ انرژي در اين ليزر از نوع اپتيکي ميباشد ويک لامپ مارپيچي تخليه است(flash tube) که بدور کريستال ياقوت مدادي شکلي پيچيده شده(ruby) کريستال ياقوت ناخالص است و ماده فعال ان اکسيد برم و ماده پايه ان اکسيد الومينم است.

ليزرهای چند طول موج Multi wave-length Laser

تعريف: ليزرهای چند طول موج ساختاری است که ميتواند چندين ليزر با طول موجهای متفاوت ايجاد نمايد.

يک منبع ليزر چند طول موج از يک بخش Gain  و يک خروجی و يک قسمت Pump تشکيل يافته است. يونيت مربوط به پمپ ليزر سيگنال نوری را به قسمت Gain  پمپ ميکند. خود قسمت مربوط به Gain  شامل يک قسمت  Gain Medium  و يک ساختار با فرمت Grating ميباشد.

(همانند Fabry Perot) روساخت Grating سبب ميشود که وقتی سيگنال انرژی به قسمت Gain Medium اعمال ميشود يک سيگنال ليزر چند طول موج توليد شود.

پس يک منبع ليزر Multi wave-length شامل قسمتهای زير است:

• سیگنال دریافت جهن ورود یک انرژی
• قسمت گين برای ارتباط با ورودی(Gain Section) که خود دارای يک روساخت با فرمت گريتينگ و تعميم يافته با ساختار Fabry-Perop  دارد.
• قسمت خروجی برای خروج سيگنالهای ليزر چند طول موج.

و اما علل انتخاب لیزرهای چندطول موج ^[1]:

علت اصلی کاهش هزينه ها در تجهيزات و افزايش قابليت انعطافی در شبکه ميباشد ولی دلايل زير نيز وجود دارد:

– نياز به شبکه های نوری با ظرفیت بالا^[2]

– ضرورت صرفه جويي در هزينه ها با استفاده از يك بستر انتقالي

– انعطاف در ادغام سيستمهاي اكتيو و پسيو

– طول موج انتخابی^[3]

پيامدهای اين تکنيک در شبکه:  امکان پيکرسازی مجدد شبکه ها می باشد.

و اما تکنولوژی های متعاقب عبارتند است :

…

ايده يک ابزار((Device :

يک ليزر چند طول موج مدار يکپارچه يکی از ايده هائی است که ميتواند هزينه سيستم های WDM را کاهش دهد بنابراين در شبکه های محلی ميتوانند مورد استفاده قرار گيرند.

ليزر چند طول يکپارچه شامل يک چيپ نوری (بر روی يک مولد نوری) و فيلترينگ نوری و مدولاسيون ميباشد.

– در تئوری Polis نور توليد شده بوسيله تزريق جريان در گين بلوکها در مدTE مدوله ميشود.گين بلوکها به مدار موجبرهای پسيو کوپل شده اند و از طريق مبدلهای پلاريزاسيون نور به سمت پلاريزاسيون TM تغيير مي يابد.

تبديل پلاريزاسيون:

مبدل پلاريزاسيون نشان داده شده،

سیستم های مالتی پلکس تقسیم طول موج  

سیستم های مالتی پلکس تقسیم طول موج  به عنوان روش اصلي در انتقال اطلاعات در سيستم‌هاي نوري از اوايل دهة 1980 مورد توجه و استفاده قرار گرفته است. امروزه نيز تلاشهاي بسياري براي استفادة بهينه از اين روش در کاربردهاي مختلف، در حال انجام است. CWDM و DWDM دو روش اصلي مورد استفاده در شبکه‌هاي نوري است.

سيستم DWDM براي کاربردهاي راه دور طراحي و بهينه شده است. با افزايش حجم ترافيک درمحدوة شهري، نياز به استفاده از سيستم‌هاي باند وسيع، که در محدودة شهري صرفه اقتصادي داشته باشند، احساس شد. سيستم  CWDM پاسخگوي اين نياز بود. در اين سيستم، نسبت به سيستم DWDM، تعداد طول موج‌هاي کمتر با “فاصلة بين طول موج” بيشتر … نرخ افزايش ترافيک شهري و ترافيک بين‌شهري منجر به به کارگيري سيستم  CWDMبراي مناطق شهري شد.

در مناطق شهري نرخ افزايش ترافيک کمتر از مناطق بين‌شهري است. به عبارت ديگر، در ترافيک‌هاي شهري هزينة سيستم  DWDMبه ازاي هر کانال خيلي بيشتر از سيستم  CWDM است.

البته اين ايده در روزهاي آغازين استفاده از فيبر نوري براي انتقال اطلاعات مطرح شده بود، ولي در آن زمان محدوديت تکنولوژي امکان استفادة عملي از آن را نمي‌داد. کليد حل اين مشکل در استفاده از تقويت‌کننده‌هاي نوري بود که عمليات تقويت سيگنال نوري را بدون تبديل آن به سيگنال الکتريکي انجام مي‌دهند. به مرور زمان، استفاده از حداکثر  تعداد طول موج ها در سیستم (DWDM) مد نظر قرار گرفت.

امروزه نيز با استفاده از اين تکنولوژي، امکان ارسال 160 طول موج در يک فيبر که هريک نرخ ارسال اطلاعات 40 گيگابيت بر ثانيه دارند، ممکن شده است. غير از افزايش پهناي باند در سيستمDWDM، هزينة تجهيزات براي افزايش پهناي باند بسيار کمتر از سيستم  SDHاست.

پایانه های نوری OLT (optic line terminals)

دستگاهی ست که در انتهای یک کانال ارتباطی قرار می‌گیرد و وظیفه آن ارتباط یک نقطه با نقطه دیگر می‌باشد که این کانال ارتباطی می‌تواند سیم مسی- امواج رادیوئی یا فیبر باشد.

O.L.T یا Optical Line Terminal برای ارتباط مراکز …. و به مخابرات از طریق فیبر مورد استفاده قرار می‌گیرد و وظیفه آن تبدیل سیگنال‌های الکتریکی به سیگنال‌های اپتیک می‌باشد.

O.L.T با استفاده از روش WDM

O.L.T با استفاده از روش WDM می‌تواند ارسال و دریافت را روی یک تار نوری انجام دهد. طول موج مورد استفاده در این سیستم 1310nm و یا 1550nm می‌باشد. فرکانس کار سیستم‌های O.L.T از 10¹² ~ 10¹⁶Hz می‌باشد.

شبکه های فوتونیک

سیستم های مخابراتی آینده مبتنی بر شبکه های فوتونیک خواهند بود د ر این شبکه ها پهنای باند فوق العاده وسیعی از فیبر نوری به همراه تجهیزات مالتی پلکس طول موجی با کارائی بسیار بالا (DWDM) استفاده می شوند.

در شبکه های مزبور، پیامها انحصارأ در طیف نوری ارسال می گردند. در صورتیکه پیامها بشکل نوری ارسال و به طور نور ی نیز سوئیچ گردند، اصطلاحأ شبکه فوتونیک شفاف نوری  نامیده می شوند. شبکه هائی که از نقطه نظر نوری شفافند وابسته به سرویس نبوده و مبنای شاهراهای پر قدرت داده ها را تشکیل می دهند.

شفافیت نوری شبکه پیام به هر کدام از کانال های انتقال که بین پایانه های شبکه با هر سرعت BIT و هر قالب  مدولاسیون،  استفاده می شوند،اطلاق می گردد. کانال مزبور از هیچگونه واسط نوری الکتریکی عبور نمی کند و وقتی سیگنال به سایر فرکانسهای حامل نوری تغییر پیدا میکند درمحدوده نوری باقیمانده و محتویات آن مجددأ تولید نمیگردد.

تا حدودی می توان شفافیت نوری کانال را بطور کلی با عدم تقییر نسبت به سرعت BIT، کد، نحوه انتقال و پروتکل درک کرد. البته این در صورتیست که سیگنال بصورت حامل “Amplitude Keyed   “ ارسال شده باشد که مخصوصأ در سرعت های BIT  بالا معمول است. در اینجا نیز کانال از هیچگونه واسط نوری الکتریکی عبور نکرده و دوباره نیز تولید نمی گردد

ولی ممکن است در مسیر سیگنال مبدل های فرکانس وجود داشته باشند که تنها قسمتی از انها نسبت به مدولاسیون شفاف هستند. می توان چندین کانال از این نوع را پهلوی یکدیگر و روی محور فرکانس منظم نمود تا سیستم  DWDM بدست اوردکه در ان هر کانال دارای فرکانس نوری،  یا طول موج مختلف باشد. بدین صورت است که از پهنای باند انتقال فیبر استفاده بیشتری بعمل می آید.

عوامل بازدارنده در سيستم هاي انتقال نوري مدرن

• تلفات (Loss)

هرگونه كاهش توان نوري در خروجي فيبر نسبت به ورودي آنرا تلفات گويند كه باعث كاهش فاصله انتقال ميشود.

• پاشندگي (Dispersion)

هرگونه پهن شدن پالس نوري در خروجي فيبر نسبت به ورودي آنرا پاشندگي گويند كه باعث محدوديت در پهناي باند ميشود.

انواع تلفات (Loss)

…

کلیات تقویت کننده فیبر نوری آلاییده به اربیوم

این نوع تقویت کننده یکی از مهمترین تقویت کننده های فیبر نوری است که برای تقویت سیگنال نوری ازعناصرخاک کمیاب استفاده می شود با آنکه این نوع تقویت کننده درسال های1949 مطالعه شده اند ولی کاربردشان در25 سال بعد انجام … وپهنای باند فیبرسلیکا ازخواص تقویت کننده آلاییده به اربیوم است.تقویت کننده های فیبری اربیومی بدلیل طول موج نزدیک به nm1550از اهمیت بالایی برخوردار هستند.

عمده مزایا ی EDFA

داشتن عملکرد وبهره نسبتا مناسب در پنجره های

نتیجه گیری

فیبر نوری از آغاز پیدایش، نویدبخش یک سیستم انتقال کم تلف و با ظرفیت انتقال بالا بود. تحقق این امر بواسطه ی تکنولوژی ساخت فیبر دچار مشکل می شد.

منابع وماخذ

1) رضا عميد. كاربرد ليزردردندانپزشكي باليني. …

فهرست مطالب

فصل اول
کلیات تحقیق
مقدمه 2
بیان مسئله 2
تعریف اصطلاحات 3
لیزر 3
قسمت های لیزر 3
اجزاء وروش کار لیزر 3

نور لیزر 4
امواج الکترومغناطيسی نور 4
پمپاژ لیزر 5
تقویت کننده های فیبرنوری آلاییده به اربیوم 5
FBG 5
عمده کاربرد های لیزر 5
کاربردهای نظامی ليزر 6
کاربرد ليزر در ارتباطات نوری 9

کاربرد ليزر در فيزيک و شيمی 11
استفاده از ليزر در هوانوردي و دريانوردي 12
نور ليزر براي روشنايي 13
چاپگرهای لیزری 13
جوشکاری فلزی توسط لیزر 14
کاربردهاي آموزشي 16
سوراخکاري با لیزر 17
کاربرد های لیزر در پزشکی 17
لیزرها و استاندارهای ایمنی 20

فصل دوم
سیستم های مالتی پلکسینگ تقسیم طول موج ولیزرهای چند طول موج
طرز کار يک ليزر ياقوتي 25
ليزرهای چند طول موج Multi wave-length Laser 26
تقسیم لیزرهای طول موج از لحاظ توليد 28
الف) آرايه های ليزری Laser Arrays 28
ب) ليزرهای قابل تنظيم Tuneable Laser 28
شرح ليزرهای قابل تنظيم با کاويتی خارجی 29
شرح ليزرهاي قابل تنظيم مدار يكپارچه (Monolithic Integrated Tunable Lasers) 30

کاربردهای متنوع منابع نوری چند طول موج 32
شرح تکنيک POLIS بعنوان ايده ای برای ترکيب عناصر اکتيو وپسيو در يک چيپ 32
نيازمنديهای موادی (Material Requirements) 35
مشخصات يک ميکروسيستم نوری چند طول موج 37
سیستم های مالتی پلکس تقسیم طول موج 38
مفاهيم و تعاريف اوليه در سيستم هاي DWDM (سيستم هاي انتقال نوري مدرن) 39

پنجره هاي نوري 39
مزاياي سيستم هاي DWDM 40
انواع سيستم هاي DWDM 41
سيستم هاي باز (Open Systems) 41
سيستم هاي يكپارچه (Integrated Systems) 41
كاربردهاي سیستم های DWDM 41
انواع توپولو‍‍ژي در شبكه هاي DWDM 41
انواع NE (تجهیزات) موجود در شبكه DWDM 43
مباني سيستم هاي DWDM نوري 44
پایانه های نوری OLT (optic line terminals) 45
O.L.T با استفاده از روش WDM 46

شبکه های فوتونیک 46
عوامل بازدارنده در سيستم هاي انتقال نوري مدرن 47
تلفات در باندهای مختلف 48
انواع پاشندگي (Dispersion) 48
مولفه ها يا المانهاي بكار گرفته شده در سيستم هاي DWDM 50

فصل سوم
تقویت کننده های فیبر نوری آلاییده به اربیوم
کلیات تقویت کننده فیبر نوری آلاییده به اربیوم 53
شرایط پمپ کردن تقویت کننده فیبر نوری آلاییده به اربیوم 53
رفتارنویز درتقویت کننده EDFA 54
عمده مزایا ی EDFA 55
عمده معایب EDFA 56
تقویت چند کاناله 57
گسیل خود به خودی تقویت شده درEDFA 59
نتیجه گیری 61
منابع وماخذ 62

مقاله فوق دارای صفحه مشخصات، تصویر، فهرست مطالب (فصل بندی شده) و 67 صفحه متن (در قالب و ) با رعایت کامل صفحه بندی می باشد. همچنین فونت های کار شده برای متن مقاله  B Nazanin(14) و برای تیترهای داخل مقاله B Titr می باشند.

قیمت این مقاله 14400 تومان می باشد، جهت دریافت کامل متن مقاله (قابل ویرایش) بالای صفحه روی پرداخت و دریافت کلیک کنید

مشاهده فهرست مقالات الکترونیک

نوشته شده در 25 دی ۱۴۰۱ توسط بهنام پروندی

لطفا پس از بهره مندی از مطالب فوق با نظر گرمت به من انرژی مثبت تزریق کن 🙂