Проектирование лазерных излучателей (1151954)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Усиление и генерация импульсного лазерного излучения.9. Проектирование лазерных излучателей.9.1. Введение.До настоящего времени проектирование лазеров не столько наука, сколько искусство. Многообразие оптических схем, число которых увеличивается год от года в соответствии с тем, как появляютсяновые направления применения лазеров, новая элементная база; нелинейность протекающих процессов,ограниченные возможности существующих методов исследования и недостаточная мощность вычислительных средств не позволяют создать универсальный подход к описанию простой методики проектирования.

Существующие методы направлены на решение нескольких задач:1. Формирование энергетических и временных параметров (на основе решения балансные уравнения),2. Формирование пространственных, энергетических и временных параметров (на основе решения дифракционных интегралов),3. Формирование спектральных, энергетических и временных параметров (на основе решения полуклассических уравнений).В этом разделе представлена типовая методика проектирования моноимпульсного твердотельного лазерного излучателя, построенного по схеме генератор-усилитель. Разработанная методика базируется на использовании программного комплекса LID-PSSL - расчетных разделов "Инженер" и "Эксперт"(модели различной детализации описания процессов, различной сложности и времени решения, различного набора оптических схем генераторов и усилителей).

В обеих программах используются модели, основанные на решении балансных уравнений численными методами. В программе "Инженер" это точечнаямодель для генератора и распределенная модель для однопроходного усилителя. В программе "Эксперт"используется модель на основе уравнений переноса для двух потоков излучения, распространяющихся через все оптическую схему - слева на право и справа на лево - для двух компонент поляризации. В этомслучае учитывается действие встречно распространяющихся потоков излучения, качество оптическихэлементов (конечный коэффициент отражения поверхностей, деполяризация активного элемента) и межкаскадные связи (в схеме генератор-усилитель).На этом этапе проектирования решается один из основных вопросов - вопрос о выборе оптической схемы и об энергетических параметрах излучения.

На следующих этапах решаются вопросы о качестве пространственных и спектральных характеристик и поляризационных параметрах излучения.На практике обычно рассматриваются следующие постановки задачи для проектирования лазерного излучателя:1.

Проектирование лазерного излучателя на максимальную энергию.2. Проектирование лазера на заданные выходные параметры с максимальным кпд.3. Проектирование лазерного излучателя по известным экспериментальным данным.В первом случае ставится задача достижения предельных параметров выходного излучения. Приэтом обычно требуется получения этих параметров с заданным ресурсом работы. При проектированиизадаются предельные параметры накачки, выбираются предельные параметры для элементов лазера и последовательной оптимизацией, изложенной в разделах 5, 6 и 7 добиваются получения предельной энергии(мощности) выходного излучения.Во втором случае требуется спроектировать лазер на заданную выходную энергию с максимальным КПД и требуемым ресурсом работы. В этом случае необходимо определить оптимальные значенияпараметров всех элементов лазерного излучателя и режим их работы, которые обеспечивают требованиязадания.

Обычно это наиболее часто встречающаяся постановка задачи при проектировании лазерногоизлучателя.В третьем случае проводятся экспериментальные измерения основных зависимостей параметроввыходного излучения для лазера из элементов, которые предполагается использовать для разработки.

Поэтим данным создается модель лазера, адекватная эксперименту (определяются все необходимые параметры начальных условий). С использованием этой модели проводится проектирование лазерного излучателя, например, на максимальную энергию или требуемую выходную энергию с максимальным КПД.Разрабатываются рекомендации для изменения параметров элементов с целью увеличения выходнойэнергии.В первых двух случаях неопределенность в параметрах начальных условий (параметров элементов и режимов их работы) и недостаточная точность используемых моделей приводит к тому, что параметры экспериментально изготовленного лазера могут давать заметное отличие от расчетных.

Третийподход дает наиболее точные результаты.Все работы по проектированию лазерного излучателя на заданные выходные параметры проводятся в рамках согласованного технического задания, устанавливающего технические требования к выходным параметрам, общие конструктивные требования и др. На практике в технических требованияхэтого задания обычно задается следующий основной набор параметров:1. Тип активного элемента, длина волны излучения.1Проектирование лазерного излучателя.2.3.4.5.6.7.Энергия излучения, нестабильность излучения от импульса к импульсу излучения.Длительность импульса.Частота следования импульсов.Диаметр пучка излучения.Расходимость излучения.Ресурс работы элементов лазера.Проектирование проводится с целью выполнения всех этих требований и после изготовления лазерного излучателя он сдается на соответствие этим параметрам.При анализе технического задания и проведении проектирования необходимо исходить из следующего.Параметры оптимизации.

При проектировании лазера необходимо определить по какому параметру производится проектирование - по выходной энергии или пиковой мощности. Вопрос о том по какому параметру оптимизировать связан с применением лазера. Например, в задачах дальнометрии, локации и др. излучение лазера регистрируется приемным устройством. В том случае, когда постоянная времени приемника достаточно большая (инерционный приемник), больше, чем длительность импульса излучения, электрический сигнал на выходе приемника пропорционален энергии излучения. В этом случаенеобходимо иметь максимальную энергию выходного излучения.

При использовании приемников с малой постоянной времени, меньшей чем длительность импульса излучения, на выходе приемника электрический сигнал пропорционален мощности. Схема регистрации обнаруживает импульс по максимальномузначению и в этом случае необходима оптимизация лазера на максимальную мощность.В лазере, как в нелинейном устройстве, в общем случае максимальная энергия и максимальнаяпиковая мощность реализуются при различных параметров элементов (как правило при различных значениях коэффициента отражения выходного зеркала).

При этом в режиме максимальной мощности энергия излучения может быть в несколько раз меньше, чем та энергия, которая реализуется в режиме максимальной энергии. Очевидно, что при этом в режиме максимальной мощности длительность импульса будет меньше, чем в режиме максимальной энергии.Вопрос о выборе параметра оптимизации наиболее важен для активных сред, имеющих малое поглощение и большой коэффициент усиления (см.

рис.5.14). Как правило это актуально в газовых лазерах.В твердотельных лазерах это отличие оказывается небольшим. Но тенденции последних лет, связанные сиспользованием полупроводниковой накачки, показывают, что этот вопрос может быть актуальным идля твердотельных лазеров.Еще одним важным вопросом, связанным с выбором выходного параметра для оптимизации лазера является вопрос о физической измеримости параметров. После проектирования и изготовления лазерного излучателя он должен аттестовываться на соответствие требованиям технического задания. Дляэтого необходимо иметь соответствующие средства измерения. В настоящее время промышленность выпускает оборудования для измерения энергии и длительности импульса.

Пиковая мощность излученияопределяется расчетно-экспериментальным методом. По измеренной форме импульса и его энергии можно рассчитать значение пиковой мощности. На практике предпочтение отдается формулировке в техническом задании не пиковой мощности, а энергии излучения.Активный элемент. Тип активного элемента как правило задан исходя из того круга задач, который должен решать лазер. Его выбор производят исходя из требуемой длины волны, энергии и частотыследования импульсов излучения.Ресурс работы лазерного излучателя определяется в основном двумя элементами - активным элементом и модулятором добротности.

Для модуляторов добротности определяющим является лучеваястойкость - стойкость к лазерному излучению. Для активных элементов с ламповой накачки ресурс работы определяется стойкостью к лазерному излучению и стойкостью к действия УФ части спектра накачки.В этом разделе мы рассматриваем ограничение, связанное с лучевой стойкостью.Обеспечить требуемый ресурс работы активного элемента можно в том случае, когда плотностьэнергии распространяющегося через него лазерного излучения не превышает некоторую заданную величину Qдоп. Известно, что, например, для кристаллических активных элементов разрушение одиночнымимпульсом происходит при плотности энергии излучения около 10-12 Дж/см2.

При плотности энергии 2-3Дж/см2 ресурс работы элемента составляет около 107-108 импульсов. Под этой плотностью энергии понимается максимальное значение, которое будет иметь место по сечению активного элемента. Здесь необходимо различать два режима работы лазера - одномодовый и многомодовый. В одномодовом режиме генерируется излучение с гладким распределением, близким к гауссовому. В многомодовом режиме распределение поля по апертуре характеризуется значительными неоднородностями, у которых максимальнаяплотность энергии до 4-5 раз превышает среднюю по апертуре плотность энергии.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов домашнего задания