Процессы генерации в движущихся лазерно-активных средах и возможности управления динамическими режимами работы лазеров (1097847), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Обсуждаются вопросы их возможного набора и оптимального выбора в зависимости от характеристик активной среды и оптическойсистемы. В большинстве расчетов данной главы использовалась более полная модельактивной среды, приближенная к реальным условиям БПЛ на смеси газов СО2-N2-Не(Н2О). Система кинетических уравнений включала уравнения для чисел колебательных квантов в антисимметричной и связанных модах СО2 и в азоте. Использовалосьтакже отдельное уравнение для населенности нижнего лазерного уровня, позволявшееучитывать его возможное переполнение при импульсной генерации.
Одним из приближений модели являлось предположение о постоянстве газовой температуры в резонаторе, которая в большинстве расчетов полагалась равной 400 К. Константы скоростей накачки, колебательного обмена и релаксации брались из литературы.В соответствии с результатами главы 3, в неустойчивом резонаторе с неоднородной накачкой (см. рис.
10) распределение скорости накачки q( x ) оказывает сильное влияние на динамику генерации, и q( x ) может рассматриваться как «распределенный» управляющий параметр. В качестве числовых управляющих параметров могут быть взяты максимальная скорость накачки qm , размер зоны неоднородности h0 ,глубина спада скорости накачки p (см. формулу 5). Например, в системе с умереннойскоростью релаксации ( τ r =0,5) и неоднородной ( h0 =0,1) накачкой с qm ~4, обеспечивающей 8-кратное превышение усиление над порогом, при увеличении управляющего30параметра p свыше критического значения при pc =0,8 стационарная генерация становится неустойчивой и возникает автомодуляционный режим релаксационных колебаний.
Управляющим параметром может также служить уровень усиления в потокесреды на входе в резонатор. В приведенном примере снижение входного усиления доуровня потерь резонатора приводит к установлению режима стационарной генерации. В электроразрядном БПЛс секционированными электродами изменения профилянакачки внутри НР, также как и величины входного усиления достигается путем регулировки тока через отдельные секции.В среде с более медленной релаксацией ( τ r =2) приРис.25. Хаотическая модуляция амплитуды релаксационных колебаний; а) и б)масштабомразличаютсявремениувеличении зоны неоднородности h0 обнаруживаетсяспецифический режим квазипериодического хаоса.
Этотрежим представляет собой релаксационные колебания схаотической модуляцией амплитуды (рис. 25).Пример управления режимом генерации в НР для смеси СО2:N2:Не =1:2:7 с добавкой Н2О~0,25% при давлении 70 тор показан на рис.26, где дана зависимость выходной интенсивности W ( h ) от времени (в данном примере среднее значение выходной интенсивности I ( h ) = W ( h ) ·ħω/στf=1,4 кВт/см2). При «мгновенном» изменении управляющего параметра h0 от0,3 до 0,15 (момент изменения обозначен вертикальной стрелкой) происхоРис.26. Управление режимом генерации путемизменения ширины зоны неоднородности отдо h0=0,15.
параметры расчета:h0=0,3-4τ f =5·10 с; М=2,5; превышение порога генерации на входе g0=4 ( Т4=1400 К)дит переход от режима краевых пролетных колебаний с периодом, равнымτ f , к автомодуляционному режиму сбольшей частотой повторения импульсов. Длительность переходного процес-са близка к τ f .При плавном изменении ширины зоны неоднородности в пределах от h0=0,25до h0=0,14 частота импульсов изменялась также плавно. Это говорит о том, что основной механизм раскачки автоколебаний в данном случае связан с внутренними гра-31диентами поля в зоне неоднородности вблизи оси НР и, таким образом, эти колебаниядолжны быть отнесены к классу внутренних пролетных колебаний.
Дальнейшее снижение h0 приводило к затуханию колебаний.Количественный состав и давление рабочей смеси СО2 БПЛ оказывают существенное влияние на развитие неустойчивости и характеристики автомодулированнойгенерации и также в некоторых случаях могут служить в качестве управляющих параметров. Так, расчеты показали, что небольшое снижение концентрации газарелаксатора (Не, Н2О) в рабочей смеси вызывает стабилизацию стационарного режимагенерации, что объясняется увеличением населенности нижнего рабочего уровня.Уменьшение эффективной длины съема колебательной энергии с азота, котороеимеет место в смесях с большим содержанием СО2 приводит к увеличению градиентов поля и усиления в зоне неоднородности накачки, что способствует возбуждениювнутренних пролетных колебаний. Наоборот, в смесях с малым относительным содержанием СО2, вследствие ослабления затухания краевых пространственных осцилляций, создаются условия для преимущественного возбуждения краевых пролетныхколебаний.
Пример раскачки краевого пролетного колебания порядка m=2 показан на рис.27.В момент времени, показанный стрелкой, произошло снижение концентрации ξ CO2 от 15 до10% (итоговая рабочая смесь СО2:N2:Не=1:4:5).В этом примере в насыщенном режиме генерации частота повторения импульсов ~2ν f ока-Рис.27. Раскачка краевых пролетных колебаний ( p =60 тор, T=400 K, Т4=1400зывается близкой к частоте автоколебаний в ли-К, h0 =0,35, М=2,2).нейном режиме.Обсуждаются также особенности управления динамическими режимами СО2 БПЛ втом случае, когда неоднородное возбуждение в потоке не может быть реализовано (напимер, в лазере с внешней накачкой). Управление может осуществляться в НР с неоднородным распределением потерь вдоль направления потока. В таком резонаторе формированиезначительных градиентов поля в приосевой «задающей» области, способствующих раскачке автоколебаний, происходит за счет увеличения потерь, а не за счет профиля накачки.Величина дополнительных потерь служит управляющим параметром.В более сложной системе типа генератор-усилитель набор управляющих параметров значительно расширяется.
Как показывают расчеты, выполненные для системы32неустойчивый резонатор - многопроходный усилитель с возвратным ходом луча(рис.17), для управления динамическими режимами генерации могут дополнительноиспользоваться такие параметры системы как коэффициент связи генератора с усилителем, зависящий от увеличения резонатора М, размер промежуточной зоны междугенератором и усилителем и скорость накачки в промежуточной зоне. Существенноевлияние на динамику генерации оказывает распределение насыщающего поля w( x ) вусилителе, которое, как правило, характеризуется значительной пространственной неоднородностью. В расчетах предполагалось, что входной пучок имеет гауссово распределение интенсивности, что с учетом наложения пучков и их дифракционной расходимости дает выражение:⎛ ( x − x )2 ⎞k⎟.w( x ) = ∑exp⎜ −(14)2⎜⎟πρρk = −nkk⎝⎠Здесь x k - координата k-й точки пересечения центрального луча с осью x (в симметnW ( xk )ричной схеме x k = x − k , xk = k 2 Lδ ); W ( xk ) - значение интегральной по сечению интенсивности пучка в усилителе Wm , распространяющегося по симметричной траекториивпрямомиобратномнаправлениях,n-числопроходов,ρ k = ρ0 1 + ( λς )2 /( πρ0 )2 - радиусы пучков ( ρ 0 - радиус гауссова пучка в перетяжке,ς - расстояние от перетяжки).
Интегральные интенсивности пучков Wm находилисьиз решения уравнения:2α maxx0 dWmLh3m x−=( α − a ) Wm ,h3 dx4δ(15)где x 0 - координата точки поворота луча в усилителе, α -коэффициент усиления, a величина диссипативных потерь L -расстояние между зеркалами, δ -угол наклона зеркал к оси x . В системе генератор-усилитель, изображенной на рис.17 ( τ r =0,75, М=1,7)в отсутствие накачки в промежуточной зоне коэффициент усиления на входе в резонатор ниже уровня его потерь α in ≈0,9 θ и система работает в стационарном режиме.Включение накачки в промежуточной зоне (параметр q m =2,5) приводит к возрастанию коэффициента усиления α in ≈1,8 θ .
В результате возникает автомодуляционныйрежим генерации с частотой повторения импульсов ~4ν f . Параметры автомодулированной генерации можно изменять, варьируя ширину промежуточной зоны. На прак-33тике, при использовании усилителя с возвратным ходом луча, это может быть выполнено путем изменения угла входа луча в усилитель.В другом варианте системы генератор-усилитель, где в качестве генератора использован устойчивый резонатор, динамический режим генерации очень чувствителенк коэффициенту связи генератора с усилителем, который определяется величинойпропускания выходного зеркала генератора Tm . Эту величину удобно выбрать в качестве управляющего параметра. Например, в системе СО2 БПЛ с внешней накачкой,числом проходов в усилителе N=10 в усилителе и начальном усилении α 0 NL =5 переход к раскачке автоколебанийот стационарного режима происходит при изменении величины Tm / α0 от 0,38 до 0,42 (рис.28).
Автомодуляционный режим генерации наблюдается при значениях Tm значительно больших оптимального. Поэтому в данной системе средняя мощность генерации в автомодуляционномрежиме ниже той, которая может быть достигнута для ста-Рис.28. Переход к раскачке колебаний при изменении пропускания выходного зеркала генератора.ционарной генерации при оптимальной величине Tm .
Однако, как показывают расчеты, такое снижение оказывается не слишком значительным, так как в каждом импульсе усиление среды насыщается значительно ниже уровня потерь.В ряде технологических применений наиболее эффективными являются режимы импульсно-периодической генерации, имеющиесущественную долю постоянной составляющей.Расчеты показали, что такой режим может бытьреализован в системе генератор-усилитель при определенном выборе параметров. Однако соотношение мощностей постоянной и переменной составляющих в этой системе не удается изменять в достаточно широких пределах. Для получения указанных режимов предложена специальная система, со-Рис. 29.
Система из двух неустойчивых резонаторов; h01 ширина зонынеоднородности накачки в первомрезонаторестоящая из двух последовательно расположенных впотоке активной среды неустойчивых резонаторов (рис.29). Выходные пучки обоихрезонаторовстрогопараллельныдругдругу.Привыполненииусловия( M 1 − 1 ) h1 = ( M 2 − 1 ) h2 , где M 1 и M 2 - коэффициенты увеличения, h1 и h2 - апер-34туры резонаторов, пучки имеют одинаковую ширину, поэтому в дальней зоне пучкиполностью перекрываются. В данной системе во втором резонаторе, расположенномвыше по потоку, обратная связь по потоку отсутствует и он всегда работает в режиместационарной генерации, формируя «подставку» в суммарной интенсивности. Режимработы первого резонатора, путем подходящего выбора его параметров и профиля накачки, может быть сделан импульсно-периодическим.
При этом на характеристики егогенерации влияют и параметры второго резонатора, который определяет величинувходного усиления. Скорость накачки во втором резонаторе в такой системе такжеслужит управляющим параметром, с помощью которого можно изменять соотношение постоянной и переменной составляющих интенсивности.Результаты главы 4 показывают перспективность дальнейшей разработки и использования методов управления временными характеристиками излучения БПЛ, основанных на явлениях автоколебательной неустойчивости.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ1. Создан лабораторный образец газодинамического СО2 лазера модульноготипа с большой длиной усиления, который позволяет исследовать генерационные характеристики лазерных переходов в широком диапазоне параметров активной среды,включая переходы с малым коэффициентом усиления. Разработанный комплекс диагностических методов дает возможность определять величины всех основных параметров потока активной среды (скорость, плотность, газовая и колебательная температуры, коэффициент усиления переходов и др.) и исследовать характеристики насыщенияусиления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
