MODIELIROVANIYE V PSPICE (Раздаточный материал)

Загидуллин Равиль Шамильевичстр. 120.02.03Р.Ш. ЗАГИДУЛЛИНМЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯК ВЫПОЛНЕНИЮКУРСОВОЙ РАБОТЫ.МОДЕЛИРОВАНИЕ В PSPICE-5МОСКВА2003 ГОДСтраница 11 ЛАЗЕР НА ТВЕРДОМ ТЕЛЕ С МОДУЛЯЦИЕЙ ДОБРОТНОСТИЛазер с модуляцией добротности (рис.1.1) состоит из системы управления модулятором и системы управлениязарядом накопительных емкостей - сложных электронных систем, первая из которых формирует импульсыдобротностив соответствии с требованием получения заданной последовательности световых импульсов и требованиями, налагаемыми лазером как квантово-механической системы, вторая обеспечивает работу контура накачки активного элемента лазера. Система управления зарядом накопительных емкостейдолжна зарядить накопительную батарею до напряжения, определяющего энергию накачки и поддерживатьего с высокой степенью точности.Схема синхронизатора лазера вырабатывает сигналы управления разрядом накопительных емкостей наимпульсную лампу накачки.

Разряд накопителя на импульсную лампу инициируется высоковольтнымЗарядный блокемкостного накопителяЕмкостной накопительи система поджигалампы накачкиЭлектронный блокуправлениямодуляторомдобротности лазераМодулятордобротностиЛампа накачкиРезонатор, активныйэлемент лазера,выходное зеркалоСинхронизатор лазераподжигающим импульсом, формируемым специальным устройством. Схема формирования разрядных импульсов в лазерах обеспечивает получение разрядных импульсов тока определенной формы и амплитуды.Разрядный контур питания импульсной лампы служит для преобразования электрической энергии, запасенной емкостным накопителем в световую энергию, излучаемую импульсной лампой. Параметры разрядногоконтура определяются требуемой формой электрического и светового импульсов.

При индуктивности, стремящейся к нулю, имеет место резко выраженный апериодический разряд при большой скорости нарастаниятока. Этот фактор может являться причиной разрушения импульсных ламп даже при умеренных уровнях запасенной энергии. Световой импульс, пропорциональный квадрату тока в контуре, имеет несимметричнуюформу с затянутым задним фронтом.2 ОПТИЧЕСКАЯ НАКАЧКА.Для оптической накачки твердотельных лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсномрежимах, используются газоразрядные лампы.

Спектр излучения газоразрядных ламп лежит в видимой и прилегающей к ней инфракрасной областях. Для лазеров работающих в непрерывном режиме, применяются криптоновые. Для лазеров работающих в импульсном режиме - ксеноновые лампы. Рабочий участок вольт амперной характеристики в диапазоне токов и выше практически линейный.

В общем случае сопротивлениелампы зависит от мгновенно значениятока. Для приближенного расчета можно предположить, чтоЗагидуллин Равиль Шамильевичстр. 320.02.03сопротивление лампы постоянно и определяется по максимальной амплитуде разрядного тока Imax.Для формирования импульса тока прямоугольной формы может применяться ряд последовательно соединенных LC секций (искусственная длинная линия). Амплитуда тока при этом остается практически постояннойпо всей ширине импульса тока.В импульсном режиме работы сопротивление лампы, представляющее собой непосредственную нагрузку дляисточника электропитания, можно определить из выраженияRл =(k * Lтт)1= k 2 * L2 тр * 2 *(q *Uл)q * IлФормула 2-ILтр - расстояние между электродами; q - поперечное сечение разрядной лампы; Iл - ток разряда в лампе; Uл падение напряжения на лампе, приближенно равное Uн; k - коэффициент пропорциональности, равный1.13 Ом* А**0.5.В выражениеk 2 * L2 тр * 2 *1(q)Формула 2-IIопределяется геометрическими параметрами лампы и называется ламповой константой.Наиболее целесообразным для оптической накачки режимами импульсных ламп являются такие режимы, прикоторых сопротивление лампы находится в пределах(r + Rл) ≥ 2 *LCФормула 2-IIIгде r - определяется сопротивлением токоподводящих проводов и сопротивлением катушки индуктивности.Импульс тока при выполнении этого условия имеет форму, близкую к колоколообразной.

Параметры импульсных ламп оптической накачки лазеров на твердом телеТаблица 1Тип лампыИФП-800ИФП-1200ИСП-250ИСПТ-6000ИФП-2000ИФП-10002.1Энергия накачки,Дж8001200506002000900Частота импульсов накачки, Гц110510120Размеры лампы,мм, dтр/lтр80/7120/740/5120/7130/1180/7Ламповая константа212478104478227212Моделирование работы контура накачкиМоделирование работы контура накачки достаточно просто осуществить при использовании схемотехнического пакета САПР.Страница 3Между током накачки и интенсивностью накачки в оптическом диапазоне существует квадратичная зависимость, то есть по зависимости мгновенных значений квадрата разрядного тока во времени можно получитьзависимость интенсивности накачки во времени.

Скорость накачки можно записать в виде:A1(t) * P21= a*(I(t)**2 * Rл ) для трехуровневых системИсточник ЗарядногоНапряженияФормирующияисскуственнаядлинная линияСхема поджига(импульсныйтрансформатор)Формирующияисскуственнаядлинная линияA2(t) * (P32+З31) = a*(I(t)**2 * Rл ) для четырехуровневых системгде A1(t) и A2(t) безразмерная величина определяющая изменение во времени изменение импульса накачки; а- некоторая постоянная, определяющая переход от электрической энергии на обкладках конденсаторов кэнергии, подводимой к кристаллу. Эта величина постоянна для каждого конкретного лазера. Так для лазерана рубине можно задать в пределах (2.5 - 5.0) А**(-2) * Ом**(-1) С3 АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ В ЛАЗЕРЕ НА ТВЕРДОМ ТЕЛЕИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО САПРСОдним из методов управления излучением может быть метод, основанный на управлении потерями резонатора лазера, управлении добротностью.

Несмотря на многообразие вариации потерь существует возможностьописать и анализировать свойства лазера без детализации типа устройства для изменения уровня потерь. Прианализе учитываются лишь закономерности уменьшения потерь до некоторого минимального значения.Исследуя работу лазера всегда интересно иметь решение уравнений, которые описывают происходящиев нем процессы. Но, к сожалению, полное и точное решение таких уравнений почти всегда получить неудается. Поэтому для таких уравнений или прибегают к некоторым упрощениям, получая аналитическое решение, или пользуются методами численного решения дифференциального уравнения.В настоящее время перспективным следует считать вариант получения решения системы дифференциальныхуравнений с использованием пакетов САПР радиоэлектронных схем.Процесс решения дифференциальных уравнений сводится к составлению схемы, подобно тому, как составляется схема для расчета дифференциальных уравнений.

Составление схем для решения дифференциальных уравнений и специальные модели, необходимые для этого, будут рассмотрены позднее.Принцип решения системы дифференциальных уравнений с использованием пакета САПР достаточнопрост. В его основе лежит тот факт, что напряжение на емкости, через которую протекает некоторый токIc, связано с величиной этого тока выражением вида:tUc =1Ic ⋅ dtC ∫0Формула 3-IТаким образом, моделируя электрическую схему, используя стандартные модели перемножения, источниковтоков, резисторов и тому подобное, получаем зависимость тока на ее входе от времени, определяемуюфункциями, заключенными в левой части дифференциального уравнения.

Предварительно исходное дифференциальное уравнение приводится к каноническому виду.Включив на выходе фрагмента схемы единичную емкость, будем снимать с нее напряжение, величина которого есть интеграл от правой части дифференциального уравнения. Далее замыкаем обратную связь, подаваяЗагидуллин Равиль Шамильевичстр. 520.02.03эти напряжения с емкостей на входы соответствующих моделей схемы. Установка начальных условий обеспечивается предварительной установкой напряжения на емкостях.Установка начальных условий производится dU dt = v * µ * ( χ * y − k ПОТ ) * y dy = ( A1 + 1) * p 21 − ( A1 − 1) * p 21 * y − 2 * Bij *U * y dtФормула 3-IIV - скорость света в веществе активной среды; µ - коэффициент заполнения резонатора активной средой;χ - коэффициент предельного усиления активной среды, Y - инверсная населенность рабочихуровненй; Kпот - коэффициент потерь резонатора лазера; Bij - cпектральный коэффициент Эйнштейна дляиндуцированного излучения; U - объемная плотность энергии в резонаторе; A1 - параметр накачки, равный отношению скорости накачки к вероятности спонтанных переходов; p21 - вероятность спонтанного перехода для уровней 1 -> 2 (случай лазера на рубине) равна 150 с**(-1).4 МОДУЛЯЦИЯ ДОБРОТНОСТИ В ЛАЗЕРЕ НА ТВЕРДОМ ТЕЛЕКоэффициент потерь в лазере представляет собой сумму двух величин коэффициента полезных, резонансныхпотерь и коэффициента вредных, нерезонансных потерь:k пот (t ) = k (t ) + ρФормула 4-IПеременная составляющая коэффициента потерь, которая собственно и определяет режим модуляции добротности может быть смоделирована следующим образом.k пот (t ) = k min + F (t ) * k mФормула 4-IIгде Kmin - минимальный уровень остаточных потерь в модуляторе добротности, Km - амплитуда модуляциипотерь, F(t) - функция модуляции потерь во времени.