مسعود قطبی

Light has always piqued humanity's interest for many years and many scientists studied in this regard. Willebrord Snell developed the law of refraction in 1621, while Francesco Maria Grimaldi and Robert Hooke recognized the phenomena of diffraction by the mid-1600s. Sir Isaac Newton contributed significantly to optics, claiming that white light was a mixture of all colors. Thomas Young, who resurrected the wave theory at the turn of the 19th century by introducing the notion of superposition, is another key player in the history of optics. A laser is a device that uses a process called stimulated emission to produce light, which is a kind of electromagnetic radiation. Laser light is often spatially coherent, which means it is either emitted in a narrow, low-divergence beam or may be transformed into one using optical components like lenses. The emergence of semiconductor-based pump sources, including InxGa1-xN-laser diodes or frequency-doubled optically pumped semiconductor lasers with emission wavelengths in the blue, has prompted a reconsideration of the characteristics of the rare-earth ions such as Sm3+, Pr3+, Tb3+, Dy3+, Er3+ and Ho3+, as active ions in crystalline solid-state laser materials with direct emission in the visible spectral range. In terms of effectiveness, several of these pumped visible lasers now compete with Nd3+-lasers, and direct lasing at different colors ranging from cyan-blue to deep red may be achieved using relatively simple and small laser systems. This study highlights the trends in light and optics, different types of lasers and their applications, and reviews the latest progress in the field of visible rare-earth doped solid-state lasers.

Optics was considered the most basic of the natural sciences by many early thinkers and natural philosophers. For more than 3000 years, human attempts to comprehend vision and the nature of light have been at the frontline of intellectual pursuits. The study of optics in Western and Islamic civilizations helps to comprehend these nations' intellectual development. Theodore Maiman presented the first functioning laser on May 16, 1960 and lasers have grown into a multibillion-dollar business since then. Optical storage systems such as DVD and CD players use a semiconductor laser less than a millimeter wide to scan the surface of the disc, which is by far the most common use of lasers. Fiber-optic communication is the second-largest application of lasers. Lasers are utilized in a variety of scientific applications, of which laser spectroscopy is one of the most popular, since it takes use of the laser's well-defined wavelength or the ability to generate extremely brief light pulses. The military use lasers for rangefinding, target identification and illumination. Lasers are now being utilized as directed-energy weapons as well. In medicine, lasers are utilized for surgery, diagnosis and therapeutic purposes, especially in dermatology. The biological impacts and therapeutic potential of laser beams were initially studied by dermatologists and ophthalmologists. The development of novel laser systems that produce energy at various wavelengths or for varied periods, as well as new biological effects ideas, led to widespread usage of lasers in treatment of vascular and pigmented lesions, as well as aesthetic treatments and hair and tattoo removal.

در این پایاننامه به مطالعه خواص غیرخطی اپتیکی لایههای دوبعدی تنگستن دی سولفات 𝑊𝑆2 میپردازیم. در چند سال اخیر توجه به نانو ساختارها به خصوص ساختارهای دو بعدی به دلیل کاربردهایی که در ساخت وسایل اپتیکی، ترانزیستورها و همچنین اپتیک فوق سریع دارند، افزایش چشمگیری پیدا کرده است. اولی لایه های دوبعدی ساخته شده از ای دسته مواد به سال 2004 میلادی برمیگردد که برای اولین بار آندره گایم و کنستانی نووسلوف موفق شدند با استفاده از گرافیت، لایههای نازک گراف را تولید کنند. گراف دارای خواص اپتیکی بسیار زیادی است اما چون فاقد گاف انرژی است، در ساخت وسایل الکترونیکی استفاده از آن کارایی لازم را ندارد. به همین دلیل توجه به سمت ساخت انواع دیگری از مواد دو بعدی جلب شد و دستهای دیگر از مواد دوبعدی که فلزات گذار دیکالکوژنی ( 𝑇𝑀𝐷𝑠 ) نامیده میشوند، ساخته شدند. در این جا ما بر روی خواص غیرخطی اپتیکی 𝑊𝑆2 که در ای دسته قرار دارد کار میکنیم. در ابتدا مفاهیم مربوط به اپتیک غیرخطی که برای تحقیق خواص غیرخطی اپتیکی ای لایه ها لازم است را ارائه میدهیم و بعد از آن به شرح انواع مواد دوبعدی، ویژگیها و کاربردهای آنها میپردازیم و روشهای ساخت ای مواد را توضیح میدهیم. بعد از بیان مفاهیم اولیه تمرکز ما بر روی خواص غیرخطی اپتیکی لایه های دوبعدی 𝑊𝑆2 خواهد بود و با استفاده از چند پدیده غیرخطی اپتیکی مانند تولید هماهنگهای دوم و سوم به مطالعه ی ساختار ای لایه ها و خواص غیرخطی که ای لایه ها از خود نشان میدهند میپردازیم و نتایج حاصله از بررسیهای آزمایشگاهی را با مبانی نظری مربوط به هر روش مقایسه میکنیم و در نهایت نتایج مربوطه را ارائه میدهیم.

مطالعه شاخهی اپتیک غیرخطی نقش پر رنگی در مطالعهی خواص غیرخطی مواد نقش مهمی را ایفا میکند. روش روبش Z یکی از روشهای استانداردی است که برای اندازهگیری و بررسی ضرایب غیرخطی ای مواد، از جمله تعیین ضریب شکست و ضریب جذب مواد گوناگون اپتیکی به کار میرود. در این روش باریکهی پرتو لیزری که کانونی شده است در راستای محور z منتشر میشود و با نمونه مورد نظر با حرکت هم زمان در این راستا روبش میشود. در بعضی موارد پدیده های مرتبه دوم میتوانند به صورت موثری به عنوان پدیده های غیرخطی مرتبه سوم عمل کنند و منجر به اثراتی ماند تغییر فاز غیرخطی و تشکیل سالیتون شوند. در نتیجه یکی از مفاهیمی که در گسترش اپتیک غیرخطی نقش بسزایی داشته است اثرات آبشاری غیرخطی است. در این تحقیق روش روبش Z دریچه ی بسته و دریچه باز برای محیط غیر خطی کر بررسی میشود.در ادامه برهم کنشهای آبشاری غیرخطی در شدتهای بالا با استفاده از روش z اسکن بررسی میشوند و مقایسه ای بین نتایج بدست آمده صورت میگیرد. نتایج بدست آمده برای مقدار عددی ضریب شکست بلور KTP (Potassium Tetany phosphate) با ضخامت یک میلیمتر به روش معمول محیط غیرخطی کر اپتیکی در آزمایش روبش Z از مرتبه ی 𝑚2𝑊 10−19 و با استفاده از غیر خطی های آبشاری از مرتبه 𝑚2𝑊 10−18 بدست آمد.

در این پایان نامه روش های اندازه گیری پالس های فوق کوتاه نوری که طول زمانی آنها کمتر از پیکوثانیه هستند و با ادوات الکترونیکی قادر به اندازه گیری آنها نیستیم مورد بررسی و مقایسه قرار می گیرند، چیدمان تولید هماهنگ دوم در روش تفکیک بسامدی دروازه نوری به صورت ویژه مورد بررسی قرار گرفته و الگوریتم بازیابی PCPG در محیط نرم افزار متلب برنامه نویسی شده که برای بازیابی دامنه میدان الکتریکی و فاز آن از اسپکتروگرام های تولید شده توسط شبیه سازی و یا اندازه گیری های تجربی مورد استفاده قرار گرفته است.

اخیرا تکنیک میکروسکوپی تولید هماهنگ دوم حساس به قطبش ) pSHG ( به دلیل داشتن مزایایی همچون تفکیک پذیری بالا و ذاتی، ایجاد تباین ذاتی، عدم آسیب رسانی به نمونه و قابلیت عکسبرداری از عمقهای زیاد در نمونه به ابزار توانمندی برای مطالعه و بررسی بافتهای زیستی فاقد مرکز تقارن تبدیل شده است. یکی از بافتهای زیستی ایدهآل برای مطالعه با این تکنیک بافت قرنیه ی چشم است. در این پایان نامه بافتهای قرنیهی چشم انسان با استفاده از تکنیک میکروسکوپی pSHG مورد مطالعه قرار گرفتهاند و روش جدیدی برای تشخیص نقاط تلاقی رشته های کلاژن موجود در سرتا سر بافت قرنیهی سالم و بیمار ارائه شده است. یکی از معایب تکنیک pSHG این است که فرایند عکسبرداری در آن برای مطالعهی بافتهای زنده و یا دینامیک بافت به اندازهی کافی سریع نیست و این موضوع امکان مطالعهی بافتهای زنده را با محدودیتهایی مواجه میکند. خوشبختانه اخیرا تکنیک میکروسکوپی تولید هماهنگ دوم حساس به قطبش تک اسکن ) SS-pSHG ( به عنوان جایگزین سریعی برای تکنیک pSHG معرفی شده است. در این پایان نامه نتایج حاصل از تکنیکهای میکروسکوپی pSHG و SS-pSHG در راستای عبوری و بازگشتی روی نمونهی گیاهی نشاسته و نمونههای قرنیه انسان و زردپی حیوان با هم مقایسه شدهاند. نتایج این پژوهش نشان میدهند که تکنیکهای تولید هماهنگ دوم حساس به قطبش پتانسیل بسیار بالایی برای مطالعهی بافتهای زیستی بدون آسیب رسانی به بافت دارند، بویژه در حالتی که نمونههای مورد مطالعه موجودات زنده باشند.

گرافن یک مادهی دوبعدی با ضخامت یک اتم کربن، به دلیل خواص فیزیکی منحصر به فردی که دارد توجهات زیادی را در زمینههای مختلف تحقیقاتی به خود جلب کرده است. در این پایان نامه ما بر خواص نوری غیرخطی گرافن تمرکز میکنیم. در ابتدا یک دید کلی از نور و نورشناخت غیرخطی ارئه میکنیم. سپس به معرفی مواد دوبعدی، مخصوصاً گرافن، و خواص عمومی آن ها میپردازیم. در نهایت، در آخرین بخش از این پایاننامه به مطالعه و بررسی چهار ویژگی مهم نوری غیرخطی گرافن یعنی تولید هماهنگ سوم بسامدی، ترکیب چهار موجی، تولید هماهنگهای بسامدی بالا و جذب اشباع شدنی پرداخته میشود. این مطالعات و بررسیها نشان میدهند هرچند گرافن ضخامتی در حد یک اتم داد، اما در مقایسه با عایقهای حجمی پذیرفتاری غیرخطی مرتبه سوم بزرگی دارد. به علاوه اشباع شدن جذب نور در طیف وسیعی از بسامدها، این ماده را به گزینهی مناسبی برای استفاده در لیزرهای پالسی مد قفل شدهی منفعل تبدیل کرده است.

بررسی اثر عدسی گرمایی در لیزرهای دارای توان بالا از اهمیت ویژه ای برخوردار است. این اثر با تولید یک شبه عدسی با فاصل کانونی متغیر و وابسته به دما باعث تغییر شرایط فیزیکی درون کواک لیزر شده و از این طیق موج ایجاد ناپایداری در عمولکرد لیزر در توانهای بالا می شود. با شناخت کافی از این پدیده و اثرات جانبی آن میتوان راه حلهای مناسبی در جهت رفع این مشکلات ارائه نمود.

در این پایان نامه به مطالعه خواص غیرخطی اپتیکی لایه های دوبعدی مولیبدنیوم دی سولفات (MoS2 ) می پردازیم. در چند سال اخیر توجه به نانوساختارها به خصوص ساختارهای دو بعدی به دلیل کاربردهایی که در ساخت وسایل اپتیکی، ترانزیستورها و همچنین اپتیک فوق سریع دارند، افزایش چشم گیری پیدا کرده است. اولین لایه های دوبعدی ساخته شده از این دسته مواد به سال 2004 میلادی برمی گردد که برای اولین بار آندره گایم و کنستانین نووسلوف موفق شدند با استفاده از گرافیت، لایه های نازک گرافن را تولید کنند. گرافن دارای خواص اپتیکی بسیار زیادی است اما چون فاقد گاف انرژی است، در ساخت وسایل الکترونیکی استفاده از آن کارایی لازم را ندارد. به همین دلیل توجه به سمت ساخت انواع دیگری از مواد دو بعدی جلب شد و دسته ای دیگر از مواد دوبعدی که فلزات گذار دوکلوکوژنی (TMDs) نامیده می شوند، ساخته شدند. در این جا ما بر روی خواص غیرخطی اپتیکی MoS2 که در این دسته قرار دارد کار می کنیم. در ابتدا مفاهیم مربوط به اپتیک غیرخطی که برای تحقیق خواص غیرخطی اپتیکی این لایه ها لازم است را ارائه می دهیم و بعد از آن به شرح انواع مواد دوبعدی، ویژگی ها و کاربردهای آن ها می پردازیم و روش های ساخت این مواد را توضیح می دهیم. بعد از بیان مفاهیم اولیه تمرکز ما بر روی خواص غیرخطی اپتیکی لایه های دو بعدی MoS2 خواهد بود و با استفاده از چند پدیده غیرخطی اپتیکی مانند تولید هماهنگ های دوم و سوم به مطالعه ی ساختار این لایه ها و خواص غیرخطی که این لایه ها از خود نشان می دهند می پردازیم و نتایج حاصله از بررسی های آزمایشگاهی را با مبانی نظری مربوط به هر روش مقایسه می کنیم و در نهایت نتایج مربوطه را ارائه می دهیم.

بطور کلی هر لیزر از سه قسمت اصلی پمپ، ماده فعال و کاواک تشکیل شده است. کاواک های لیزری تشدیدکننده های بازی هستند که تنها دو طرف آن ها توسط آینه-ها بسته شده است و باعث به دام افتادن امواج نوری می شوند. شرط داشتن کاواک پایدار این است که توزیع میدان پس از هر رفت و برگشت در داخل کاواک همواره خودش را بازتولید کند. به منظور طراحی کاواک های لیزری پایدار، توجه به عواملی از قبیل: پایداری دینامیکی و مکانیکی، نحوه ی چینش قطعات اپتیکی، نوع کاواک و ماده فعال، کم بودن حساسیت به از محور خارج شدگی و ساختار مدی کاواک، از اهمیت ویژه ای برخوردارند. در این پایان نامه، ابتدا انواع کاواک های اپتیکی مورد بررسی قرار گرفته است، سپس به طراحی کاواک های لیزری که دارای پایداری دینامیکی و مکانیکی و سایر خواص مورد نظر از لحاظ خروجی باشد، می پردازیم. به این منظور با استفاده از تقریب پیرا محوری، شرایط پایداری کاواک و ماتریس ABCD مربوط به تشدیدگر، وضعیت پایداری رزناتورهای فعال و انفعالی مورد بررسی قرار گرفته است. به عنوان مثالی عملی، با فرض معلوم بودن شعاع آینه های کاواک و طول موج پمپ 1064 نانومتر، فاصله ی میان لنز و آینه ها را به گونه ای محاسبه نموده ایم که لیزر طراحی شده خواص مورد نظر از لحاظ خروجی را داشته باشد.

پالسهای فوقکوتاه نوری دارای کاربردهای فراوانی در رشتههای مختلف علمی نظیر اسپکتروسکوپی، تصویربرداری میکروسکوپی، تولید فرکانسی و ... میباشند. یکی از روشهای تولید پالسهای فوقکوتاه، قفلشدگی مدی غیر فعال است که با شیوههای مختلفی انجام میشود. قفلشدگی مدی غیرفعال یک روش بسیار قدرتمند برای تولید پالسهای فوقکوتاه فمتوثانیه و پیکوثانیهای است که در این پایان نامه براساس استفاده از آینه غیرخطی با ضریب بازتابپذیری وابسته به شدت، مورد بررسی قرار دادهایم. ابتدا شرایط حالت پایا را برای قفلشدگی مدی براساس استفاده آینه غیرخطی، برای تکامل پالسی درون کاواک لیزری شامل یک تقویتکننده و یک آینه غیر خطی، بررسی کردیم. سپس کوتاه شدگی پالس نوری گاوسی، به علت بازتاب توسط آینه غیر خطی را بررسی کردیم و مکانیزم کوتاهشدگی توسط این آینه را با جاذبهای اشباع پذیر مقایسه کردیم. همچنین روش قفلشدگی مدی آینه غیرخطی را با SESAM که اغلب برای قفل شدگی غیرفعال استفاده میشود، مقایسه کردیم.

انبرک نوری نام ابزاری است که در آن با استفاده از فشار تابشی نور لیزر، برای وارد کردن نیرو به اجسام با ابعاد بسیار کوچک، استفاده میشود. در انبرک نوری از باریکه ی نور لیزری کانونی شده استفاده می شود. تحت این شرایط، ذراتی که ضریب شکستی بزرگتر از ضریب شکست محیط اطراف خود دارند، نیروی جاذبه ای به سمت نقطه کانونی لیزر را تجربه می کنند. انبرک نوری می تواند به روش غیر تماسی ذرات را تله اندازی کند. در ابتدا آزمایش فقط بر روی ذرات دی الکتریک صورت می گرفت. اما چند سال بعد، ذرات فلزی را نیز به تله انداختند. تله اندازی نوری نانو ذرات فلزی، به دلیل اندازه کوچکتر و خواص منحصر به فردی که دارا می باشند، مورد توجه زیادی قرار گرفته است. از مهمترین کاربردهای تله اندازی نوری نانو ذرات فلزی، می توان به بررسی و مطالعه ی اجزای داخلی سلول اشاره کرد. در تحقیقات اولیه مربوط به تله اندازی ذرات، از لیزرهای با نور پیوسته استفاده می شد اما با توجه به اهمیت و خواص ویژه پالس های نوری لیزری خصوصا اثرات تخریبی کمتر در پالس های فمتوثانیه نسبت به پرتوهای لیزری پیوسته، کاربرد این پالس ها فرصت های زیادی را فراهم خواهد کرد. در دانش اپتیک، پالس فوق کوتاه نوری، یک پالس الکترومغناطیسی است که دوره زمانی آن از مرتبه پیکوثانیه و یا کمتر از آن می باشد.

پالس های با دوره زمانی در محدوده پیکوثانیه و کمتر از آن به پالس فوق کوتاه معروف است. در دهه 90 میلادی توسعه بارزی در حوزه تولید پالس های فمتوثانیه و پیکوثانیه با استفاده از لیزرهای حالت جامد حاصل شد. برای تولید پالس های کوتاه مرسوم ترین روش قفل کردن مدی موج پیوسته است. منابع نور همدوس در ناحیه مادون قرمز میانه بسیار محدود هستند. این منابع کاربردهای فراوانی در حوضه های نظامی ، پزشکی، علمی و صنعتی دارند. با کمک اپتیک غیر خطی و استفاده از لیزرهای موجود که معمولا دارای خروجی با فرکانسی بالاتر از مادون قرمز می باشند، می توان نور همدوس در ناحیه مادون قرمز میانه تولید کرد. به این منظور از کریستال های غیرخطی استفاده می شود. پالس های فوق کوتاه دو خصوصیت بسیار مهم دارند. یکی شدت نور بالا که سبب پدیده های غیر خطی و دیگری پهنای فرکانسی که سبب پاشندگی پالس لیزری می شود. خصوصیت اول یک مزیت برای تولید پالس های فوق کوتاه در ناحیه مادون قرمز میانه است. در این رساله سعی شده است که با استفاده از کریستال های نوری که در محدوده مادون قرمز میانه شفافیت دارند و فرایندهای اپتیک غیر خطی مانند تولید هماهنگ دوم، تفاضل فرکانسی و برهمکنشهای پارامتری نوری راههای مختلفی برای تولید موج در بازه طول موجی مادون قرمز میانه 2.5 تا 20 میکرومتر را بیان کرد.