Проектирование лазерных излучателей (1151954), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В этом случае мы определяем среднюю по апертуре плотность энергии равную отношению энергии излучения к сечению пучка излучения, и максимальную (локальную) плотность энергии на апертуре. Степень неоднородностираспределения в значительной степени зависит от оптического качества элементов (в основном активногоэлемента и модулятора добротности) в штатном режиме работы (с учетом реального тепловыделения вовсех элементах) и выбранной схемы резонатора. В большинстве случаев можно принять, что максималь-2Усиление и генерация импульсного лазерного излучения.ная плотность энергии превышает среднюю в два раза. В этом разделе используется методика расчета длясредней по апертуре плотности энергии. Поэтому для обеспечения ресурса работы не менее 108 импульсовв многомодовом режиме работы необходимо принять допустимую плотность энергии Qдоп=1-2 Дж/см2.
Водномодовом режиме плотность энергии излучения на оси пучка не должна превышать Qдоп=2-3 Дж/см2.Необходимо отметить, что это не означает, что если плотность энергии будет несколько больше, чем Qдоп,то активный элемент сразу выйдет из строя. В этом случае ресурс работы элемента будет уменьшаться.Очевидно, что чем больше требуется энергия выходного излучения, то при заданной величине Qдопсечение активного элемента должно быть больше. На практике иногда приходится идти на уменьшениересурса работы элементов, если более важными являются габариты и вес аппаратуры, допустимые частоты следования импульсов (тепловые нагрузки).Все изложенное выше касалось моноимпульсного режима работы лазера.
При генерации пачки(серии) импульсов необходимо учитывать следующее. При прохождении через среду импульса лазерногоизлучения в ней возникают микродефекты. Накопление их приводит к ограничению ресурса работы.Время рассасывания микродефектов конечное. Поэтому, очевидно, что если период следования импульсерсов будет много больше времени рассасывания микродефектов, то при прохождении N импульсов Qдоподинсеродиндля всей серии будет в N больше, чем для одиночного импульса Qдоп( Qдоп).
В другом предель= N ⋅ Qдопсердля всей сериином случае, когда период следования много меньше времени рассасывания, величина Qдоподинсеродинбудет равна Qдоп при распространении одиночного импульса ( Qдоп = Qдоп ). В промежуточном случае имеодинсеродин. В настоящее время отсутствует теория воздействия излучения, позволяющая расем N ⋅ Qдоп≥ Qдоп≥ Qдопсерсчитать величину Qдоп .
Эти данные, как правило, определяют эмпирически для требуемого режима гене-серодин. Важно то, что при генерации пачки имрации. В ряде случаев справедливо соотношение Qдоп= N ⋅ Qдопсеродинпульсов величина Qдоп не меньше, чем Qдоп . Это является одним из достоинств режима генерации пачкиимпульсов.Необходимо учитывать также следующее. Величина Qдоп определяется двумя факторами - стойкостью активного элемента (стойкостью материала и качеством обработки торцевых поверхностей) и стойкостью покрытий (стойкостью материала покрытий и качеством их нанесения на активный элемент). Существуют различные технологии, которые дают различное качество, но и которые значительно влияютна цену элементов.
В том случае, когда и весо-габаритные параметры, и ресурс работы элементов являются важными, необходимо решать вопрос с изготовителем активного элемента о технологии изготовления,который обеспечивает большие значения Qдоп (больший ресурс работы).Действие УФ части спектра накачки приводит к тому, что в материале активного элемента наводятся центры окраски - коротко и долгоживущие. В конечном итоге действие их приводит к увеличениюпотерь активного элемента на длине волны лазерного излучения. За каждый импульс накачки потери увеличиваются на очень малую величину. Но в процессе работы активного элемента происходит накоплениецентров окраски, что приводит к возрастанию потерь.
В этом случае в процессе работы медленно уменьшается энергия выходного излучения. В ряде случаев ресурс работы активного элемента ограничен нестойкостью к лазерному излучению, а стойкостью к УФ излучению. Так как эта часть спектра накачкипрактически не используется для создания инверсной населенности, то обычно используется ее фильтрация. Между лампой накачки и активным элементом в квантроне устанавливается светофильтр, отсекающий УФ часть спектра. Используются соответствующие фильтрующие материалы для изготовления осветителя и колбы лампы накачки.
При использовании полупроводниковой накачки проблемы действия УФчасти спектра накачки практически отсутствуют.Ресурс работы электронных блоков питания и управления значительно больше, чем ресурс работы оптических элементов. На практике обычно оптические элементы после отработки заданного ресурсазаменяются. При частоте следования импульсов 10 Гц ресурсу 108 импульсов соответствует около 2800 часов непрерывной работы.Активный элемент монтируется в квантрон. Крепление элемента, имеющего 4-х уровневую схемугенерации, производится через металлические втулки, расположенные на торцах элемента.
Эти втулкиперекрывают часть активного элемента для накачки. Поэтому освечиваямая (накачиваемая) длина активного элемента на 4-6 мм будет меньше, чем его геометрическая длина. Значительно более сложно обстоитвопрос с активными элементами, работающими по трехуровневой схеме. На торцах не могут быть установлены непрозрачные втулки. Ненакачанные части активного элемента будут резонансно поглощатьраспространяющееся лазерное излучение.
В некоторых случаях, например, рубиновых активных элементов, концы активного элемента (длиной до 10 мм) выращивают неактивированными. В последние годыиспользуется технологии твердофазного сращивания активированного активного элемента с неактивированными наконечниками. За эти неактивированные части производится крепление активного элементанепосредственно или через металлические втулки.
При моделировании лазера необходимо учитывать всеэти вопросы.Лампа накачки. Режим накачки активного элемента определяется ТУ на импульсную лампу на-3Проектирование лазерного излучателя.качки. При заданной по ТУ длительности импульса и типовых значениях энергии накачки обеспечиваетсянаилучшее согласование спектров излучения лампы и спектра поглощения активного элемента. Это создает предпосылки для получения максимального КПД. Максимальная энергия накачки ограничивает ресурс работы лампы. Лампа накачки выдерживает и большие значения энергии, чем те, которые определены в ТУ.
Но при этом сокращается ресурс ее работы. Изменять длительности импульса накачки и превышать максимальную энергию не рекомендуется. Лампа накачки выбирается по энергетическим и конструктивным параметрам. Так как в настоящее время квантрон приобретается как законченное покупноеизделие, то параметры используемой в нем лампы накачки изложены в паспорте.Диаметр пучка излучения. Предельный диаметр пучка излучения обычно определяется исходя изхарактеристик устройств и элементов, которые устанавливаются на выходе лазерного излучателя для решения той задачи, которую должно решать устройство (комплекс), для которого проектируется лазерныйизлучатель.Расходимость излучения.
При проектировании лазера в рамках используемых балансных моделеймы не можем обеспечить требуемую расходимость излучения. Ее величина на этом этапе необходима дляопределения режима работы лазера - одномодовый или многомодовый - и определения величины дифракционных потерь.Частота следования импульсов. Этот параметр также не используется непосредственно при проектировании в рамках используемых в этом разделе моделей. Он необходим для определения величинытермонаведенной в активном элементе деполяризации излучения.Выбор типа затвора (модулятора добротности).
При проектировании задающего генератораимеется два варианта модуляторов добротности - активный и пассивный. У каждого из них есть свои достоинства и недостатки. Напомним их.1. В лазере с активной модуляцией добротности можно плавно изменять энергию выходного излучения,изменяя энергию накачки. Этого нельзя сделать в лазере с пассивным затвором. Это одно из достоинств активной модуляции добротности. В некоторых случаях в лазере с пассивной модуляцией добротности, генерирующем линейно-поляризованное излучение, можно в небольших пределах изменятьэнергию и длительность импульса при повороте затвора вокруг оси (при изменении ориентации плоскости поляризации излучения относительно кристаллофизической системы координат затвора),2. В лазере с активной модуляцией добротности нестабильность энергии накачки будет непосредственносказываться на нестабильности выходного излучения.
В лазере с пассивной модуляцией добротностинебольшие изменения энергии накачки практически не приводят к изменению энергии выходного излучения. Лазер с пассивной модуляцией добротности имеет более стабильные параметры выходногоизлучения и допускает использование менее стабилизированных источников накачки. Это достоинство лазеров с пассивной модуляцией добротности.3. Пассивные модуляторы добротности в открытом состоянии имеют потери больше, чем активные модуляторы добротности.
Это приводит к заметному уменьшению энергии выходного излучения при одной и той же энергии накачки. Для получения той же энергии излучения в лазере с пассивной модуляцией добротности, что и в лазере с активной модуляцией добротности, требуются большие энергиинакачки. В ряде случаев (в лазерах с высокой плотностью средней мощности излучения) в пассивномзатворе может иметь место значительное тепловыделение, что приводит к появлению в резонаторе лазера элемента со значительными фазовыми неоднородностями. Это один из недостатков лазеров с пассивной модуляцией добротности.4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
