Проектирование лазерных излучателей (1151954), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Активные модуляторы добротности требуют специальных схем управления. В некоторых случаях(электро-оптические затворы) эти управляющие схемы должны формировать импульсы амплитудойединицы киловольт и длительностью переднего фронта (время открытия затвора) в несколько наносекунд. Пассивные модуляторы добротности не требую никакого внешнего управления.При решении вопроса о выборе затвора необходимо решать задачу с учетом всех этих факторов.Может оказаться так, что с целью обеспечения заданной нестабильности энергии в лазере с активной модуляцией добротности потребуются такие стабилизированные источник накачки и схема управления затвором, что стоимость менее стабилизированного источника питания, но с несколько большей энергиейдля лазера с пассивным модулятором добротности будет меньше.
Меньше будет вес и габариты в целомдля лазера с пассивной модуляцией добротности.В этом разделе мы не будем рассматривать все эти вопросы, считая, что тип затвора задан, таккак для объективного решения о выборе типа затвора необходимо решать также вопросы питания и охлаждения лазера.Относительная эффективность квантрона.
В этом подразделе мы рассмотрим также вопрос о таком параметре, как относительная эффективность квантрона, который используется при проектировании.Активный элемент совместно с лампой накачки монтируется в квантрон, представляющий собой конструктивно и функционально законченный узел для накачки и охлаждения активного элемента. В настоящее время фирмы-разработчики лазерных излучателей не разрабатывают сами квантроны, а покупают иху производителей.
Качество квантрона - его энергетическая эффективность - определяются качеством активного элемента, качеством материала и покрытия осветителя, конструкцией квантрона. В качестве 1,04Усиление и генерация импульсного лазерного излучения.принята величина относительной эффективности, соответствующая квантроном среднего качества, которые были определены на основании обработки данных от производителей квантронов и лазеров. Этотпараметр может быть больше и меньше 1,0.
Очевидно, что за величиной относительной эффективностистоит цена квантрона.9.2. Постановка задачи.Общей задачей проектирования является выбор оптической схемы, элементов лазерного излучателя и режимов их работы, таких, при которых обеспечиваются требуемые по техническому заданию параметры с максимальным КПД. Необходимо также определить требования к устройствам питания, охлаждения и управления лазерного излучателя, в соответствии с которыми будет проводиться разработкаэтих устройств. По своей постановке задача проектирования - это обратная задача по отношению к задачам исследования, которые были рассмотрены в разделах 5, 6 и 7.
Нелинейность протекающих процессовне позволяет разработать простые методы решения обратных задач для лазерных излучателей. Поэтомузадача проектирования решается для каждого каскада прямыми методами при соответствующем изменении параметров начальных условий для получения требуемых параметров выходного излучения. Упростить задачу проектирования можно, если определить оптимальную последовательность для оптимизируемых параметров.Общая структурная схема лазерногогенусилусилЕвыхЕ вхЕ выхизлучателя представлена на рис.9.1. Генератор всегда присутствует в лазере, как законСоглас.ГенераторУсилительченное устройство или как задающий генетелескопратор.
В том случае, когда требуемая энергия не может быть получена от одного незаРис.9.1. Оптическая схема лазерного излучателя.висимого генератора, необходимо использовать каскады последующего усиления. Принеобходимости между каскадами устанавливается согласующий телескоп, предназначенный для согласования апертур генератора и усилителя.
Проектирование лазерного излучателя проводится с выходногокаскада.При проектировании лазерного излучателя, содержащего один генератор, решается замкнутая задача нахождения оптимальных параметров и режимов работы всех элементов генератора. При проектировании лазерного излучателя по схеме генератор-усилитель необходимо решать несколько связанныхподзадач.
Первоначально выполняется проектирование независимо усилителя и генератора. После этогопроектирование проводится для получения их оптимального совместного функционирования. В общемслучае может оказаться так, что при максимальной энергии накачки как генератора, так и усилителя, которые определены ТУ на лампы накачки, на выходе излучателя получается энергия больше, чем требуетсяпо техническому заданию. Очевидно, что уменьшить ее можно, уменьшив энергию накачки. Но вопросстоит у какого каскада уменьшать энергию - генератора или усилителя? Эта подзадача по сути решаеткомплексную оптимизацию совместно генератора и усилителя.Перейдем к рассмотрению методики проектирования лазерного излучателя. Рассмотрим проектирование излучателя, построенного по схеме генератор-усилитель (пункта А и Б в разделе 9.3). В томслучае, когда требуемые параметры выходного излучения могут быть получены от одиночного генератора, проектирование можно начинать с пункта Б.9.3.
Проектирование лазерного излучателя по схеме генератор-усилитель.Проектирование лазерного излучателя рассмотрим на следующем примере. Пусть задано следующее техническое задание:Технические требования:1. Тип активного элемента2. Длина волны излучения3. Энергия излучения4. Нестабильность энергии излучения5.
Длительность импульса6. Диаметр пучка излучения7. Режим работы8. Ресурс работы оптических элементовYAG:Nd3+1,064 мкм0,5 Джне более 5%не более 20 нсне более 7 мммногомодовыйне менее 108 импульсовПроектирование начинаем с определения параметров выходного каскада - усилителя.А. Проектирование усилителя. Нам необходимо определить:5Проектирование лазерного излучателя.1. Размеры активного элемента.2. Энергию накачки.3. Оптимальную задержку прихода усиливаемого импульса.
С этой задержкой связана накачки усилителя относительно накачки генератора.4. Увеличение согласующего телескопа между генератором и усилителем.5. На заключительном этапе нам будет необходимо определить энергию накачки.Для последующего проектирования генератора нам также необходимо определить величину энергиивходного сигнала усилителя, которая является выходной энергией генератора.Проектирование усилителя проводится в два этапа. На первом этапе мы определим основные параметры усилителя - размеры активного элемента, задержку до прихода импульса накачки и энергия навходе усилителя, при которой на выходе усилителя будет требуемая по заданию энергия выходного излучения.
Остальные параметры можно определить после проектирования генератора.А.1. Размеры активного элемента. Выбор диаметра производится исходя из обеспечения допустимойплотности энергии. При заданной энергии выходного излучения и допустимой плотности энергии излучения на выходном торце активного элемента Qдоп можно записать следующее условие для плотностиэнергииE усус(9.1)Qвых= вых ≤ Qдоп .SусОтсюда несложно определить диаметр активного элементаDаэус ≥ус4 E вых.π Qдоп(9.2)Примем для многомодового режима Qдоп=1,8 Дж/см2. В этом случае Dаэус ≥ 5,94 мм. Фирмы-изготовителиактивных элементов могут изготовить элементы любого размера. Но существует рекомендованный типоряд диаметров активных элементов.
Втаблице 9.1 приведены значения диаметТабл.9.1. Рекомендованный типо-ряд размеров активных элементов.ров и сечений активных элементов (Sae).Для изготовления элементов необходиLae, ммма специальная технологическая оснаDae, ммSae,50658090100120150стка. Очевидно, что для изготовлениясм25,00,2∗∗элементов с диаметрами из существую6,30,3∗∗∗∗щего типо-ряда существует оснастка,8,00,5∗∗∗∗которая быстрее окупается и в меньшей10,00,8∗∗∗степени стоимость ее переносится на каждый изготовленный элемент. Поэтомув целом стоимость элементов с размерами из рекомендованного типо-ряда оказывается меньше.
Выбираем ближайшее большее значение из рекомендуемого типо-ряда размеров активных элементов Dаэус = 6,3 мм.В практике разработки лазеров сложились оптимальные соотношения между диаметром и длинойактивного элемента. Он сформировалось исходя из существующих размеров разрядного промежуткаламп накачки и объемной плотности мощности накачки, обеспечивающих оптимальное согласованиеспектра излучения лампы со спектром поглощения активного элемента. Для моноимпульсного режимаусработы оптимальные соотношения приведены в таблице 9.1. Выбираем длину Lаэ= 100 мм. Освечиваемая(накачиваемая) длина составляет 92-96 мм.Для накачки такого элемента используются импульсные лампы накачки с длительностью импульса 75 мкс (на уровне 0,5) и максимальной энергией 36 Дж.
В этом режиме работы ресурс работы лампысоставляет не менее 108 импульсов.Рассмотрим вопрос об оптической схеме усилителя. На практике применяются однопроходные(рис.4.1) и двухпроходные (рис.4.5) усилители. У каждого из них свои достоинства и недостатки. В этомразделе мы рассмотрим случай однопроходного усилителя и в заключении рассмотрим особенности применения 2-х проходных усилителей.А.2.
Оптимальная задержка прихода усиливаемого импульса. Зададим энергию накачки, максимальнуюдля используемого квантрона - 36 Дж. Величина оптимальной задержки практически не зависит от энергии входного сигнала. Поэтому зададим энергия входного сигнала, например, 1 мДж, которая соответствует режиму усиления слабого сигнала. Длительность импульса задаем в соответствии с заданием 20 нс.По результатам расчета получаем, что оптимальная задержка равна 90 мкс. Эта величина определяетсяотносительно начала импульса накачки. В конце нам нужно будет уточнить эту величину относительнонакачки генератора.6Усиление и генерация импульсного лазерного излучения.А.3. Энергия входного сигнала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
