مقایسه معیارهای کیفیت باریکه ترکیبی در ترکیب همدوس باریکه‌های لیزری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشگر، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران

چکیده

عملکرد یک سیستم لیزری مبتنی بر ترکیب همدوس باریکه‌ها (CBC) توسط معیارهای کیفیت باریکه ترکیبی ارزیابی می‌شود. در این مقاله  مقایسه و تحلیل معیارهای کیفیت باریکه ترکیبی، در ترکیب همدوس باریکه‌های گاوسی ایده‌آل ارائه شده است. این معیارها شامل، ضریب M2، نسبت اشترل (SR)، توان و شدت متوسط در سبد حد پراش (PIBdl و Idl) و توان در سبد با شعاع سبد 5 و 20 سانتی‌متر (PIB5cm، PIB20cm) هستند. در این راستا، از آرایش‌هایی با هندسه شش‌ضلعی، دایروی، مربعی و مستطیلی استفاده شده است. همچنین، عواملی همچون شعاع کمره باریکه‌ها، فاصله مرکز به مرکز بین باریکه‌های مجاور و تعداد باریکه‌ها مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد، در تمامی آرایش‌ها با افزایش شعاع کمره باریکه‌ها و کاهش فاصله بین آن‌ها، کیفیت باریکه افزایش می‌یابد. همچنین با افزایش تعداد باریکه، معیار توان در سبد حد پراش و نسبت اشترل به سمت مقادیر ثابتی میل می‌کنند؛ اما معیار ضریب M2 با کاهش کیفیت باریکه ترکیبی و معیارهای Idl، PIB5cm و PIB20cm با افزایش همراه هستند. گرچه برای ارزیابی کیفیت تک باریکه لیزری از معیارهای ضریب M2 و نسبت اشترل استفاده می‌شود؛ اما ارزیابی کیفیت باریکه ترکیبی با چنین معیارهایی چندان مناسب به نظر نمی‌رسد؛ لذا در کاربردهای که نیازمند استفاده از ناحیه روشن مرکزی هستند، معیار توان در سبد حد پراش و در کاربردهای انرژی مستقیم، معیارهای Idl، PIB5cm و PIB20cm مناسب هستند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Comparison of Combined Beam Quality Metrics in the Coherent Beam Combination of Lasers

نویسندگان [English]

  • naser siahvashi 1
  • sajjad Qaani Gholamhosseini 2
1 Researcher, Imam Hossein University ،, Tehran, Iran
2 Master's student, Imam Hossein University , Tehran, Iran
چکیده [English]

The performance of a laser system based on coherent beam combination (CBC) is evaluated by combined beam quality metrics. In this article, the comparison and analysis of these combined beam quality metrics, in the coherent combination of Gaussian beams, is presented. These metrics include M2 factor, Strehl ratio (SR), power and average intensity in the diffraction limited bucket (PIBdl and Idl), power in the bucket of 5 cm (PIB5cm) and 20 cm (PIB20cm). In this regard, arranys with hexagonal, ring, square and rectangular geometry have been used. Also, factors such as the waist radius of beams, separation distance among adjacent beams and the number of elements have been investigated and studied. The simulation results show that in all arrays, the beam quality increases by increasing the waist radius of beams and decreasing the distance between them. Also, with the increase in the number of elements, the power in the diffraction limited bucket and the Strehl ratio tend towards constant values; However, the M2 factor metric is associated with a decrease in the quality of the combined beam and the Idl, PIB5cm and PIB20cm metrics are associated with an increase. Although, to evaluate the quality of a single laser beam, the metric of M2 factor and Strehl ratio are used; But evaluating the combined beam quality with such metrics does not seem very proper. Therefore, in the applications that require the use of central lobe, the power in the diffraction limited bucket and in direct energy applications, the Idl, PIB5cm and PIB20cm metrics are suitable.
.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Beam Waist
  • Combined Beam Quality Metric
  • Coherent Beam Combination
  • Distance Among Adjacent Elements
  • Geometric Array
  • Number of Elements

Smiley face

مراجع

[1]     H. Injeyan and G. D. Goodno, High power laser handbook. McGraw-Hill Education, 2011.
[2]     J. K. Jabczynski and P. Gontar, "Effect of beam profile and partial coherence on coherent beam combining performance," Opt. Commun, vol. 442, pp. 40-45, 2019.
[3]     E. Nouri and H. Voosouqian, "Investigation of Length Reduction and Radiation Power enhancement of the Short-Wavelength Free Electron Laser," Scientific Journal of Applied Electromagnetics, vol. 10, no. 2, pp. 105-113, 2022. (In Persian) https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.26455153.1401.10.2.9.5
 
[4]     M. N. Zervas and C. A. Codemard, "High power fiber lasers: a review," IEEE. J. Sel. Top. Quant, vol. 20, no. 5, pp. 219-241, 2014.
[5]     https://www.ipgphotonics.com/en/products/lasers/ high-power-cw-fiber-lasers.
[6]     W. Li et al., "Coherent beam combining array arrangement with a large number of elements," Opt. Commun, vol. 522, p. 128687, 2022.
[7]     H. K. Liu et al., "The improved power of the central lobe in the beam combination and high power output," Chinese. Phys. Lett, vol. 29, no. 4, p. 044204, 2012.
[8]     Y. Li, L. Qian, D. Lu, D. Fan, and S. Wen, "Coherent and incoherent combining of fiber array with hexagonal ring distribution," Opt. Fiber. Technol, vol. 15, no. 3, pp. 226-232, 2009.
[9]     P. Zhou, Z. Liu, X. Xu, and Z. Chen, "Numerical analysis of the effects of aberrations on coherently combined fiber laser beams," Appl. Opt, vol. 47, no. 18, pp. 3350-3359, 2008.
[10]   P. Zhou, Z. Liu, X. Xu, Z. Chen, and X. Wang, "Beam quality factor for coherently combined fiber laser beams," Opt. Laser. Technol, vol. 41, no. 3, pp. 268-271, 2009.
[11]   X. Fan, J. Liu, J. Liu, and J. Wu, "Coherent combining of a seven-element hexagonal fiber array," Opt. Laser. Technol, vol. 42, no. 2, pp. 274-279, 2010.
[12]   M. Alavinejad, N. Hadilou, and G. Taherabadi, "The influence of phase aperture on Beam propagation factor of partially coherent flat-topped beams in a turbulent atmosphere," Opt. Commun, vol. 311, pp. 275-281, 2013.
[13]   G. Ren, X. Xu, W. Wu, H. Ma, and Y. Ning, "Study on the effect of nonuniform polarization angles on coherently combined fiber lasers," Opt. Commun, vol. 344, pp. 33-37, 2015.
[14]   P. Gontar and J. K. Jabczynski, "Influence of beam shape on piston and tilt error in coherent combined laser array," Opt. Eng, vol. 58, no. 6, p. 066103, 2019.
[15]   N. Siahvashi, "Investigation the effect of vacancy factor in coherent and Incoherent laser beam combination with square arrangement," presented at the 29th ICOP, 2023. (In Persian)
[16]   N. Siahvashi, "Investigation the effect of beam waist and beam divergence in coherent and Incoherent laser beam combination with square arrangement," presented at the 29th ICOP, 2023. (In Persian)
[17]   S. Qaani and N. Siahvashi, "Comparison of Strehl ratio ratio, M2 factor and BPF metrics to evaluate the quality of coherent beam combination in hexagonal, ring and square geometrical array," presented at the 29th ICOP, 2023. (In Persian)
[18]   P. Zhou, Z. Liu, X. Xu, and X. Chu, "Comparative study on the propagation performance of coherently combined and incoherently combined beams," Opt. Commun, vol. 282, no. 8, pp. 1640-1647, 2009.
[19]   V. N. Mahajan, "Strehl ratio of a Gaussian beam," J. Opt. Soc. Am. A, vol. 22, no. 9, pp. 1824-1833, 2005.
[20]   A. E. Siegman, "How to (maybe) measure laser beam quality," in Diode Pumped Solid State Lasers: Applications and Issues, 1998: Optica Publishing Group, p. MQ1.
[21]   Y. Ke et al., "Measurement system with high accuracy for laser beam quality," Appl. Opt, vol. 54, no. 15, pp. 4876-4880, 2015.
[22]   T. S. Ross, "Laser beam quality metrics," 2013: Soc. Photo-Opt. Instru. 
الکترومغناطیس کاربردی
دوره 12، شماره 1 - شماره پیاپی 28
بهار و تابستان
مرداد 1403
صفحه 37-31

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 04 فروردین 1402
  • تاریخ بازنگری: 25 خرداد 1403
  • تاریخ پذیرش: 08 تیر 1403
  • تاریخ انتشار: 03 مرداد 1403

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار