Проектирование лазерных излучателей (1151954), страница 5
Текст из файла (страница 5)
После оптимизации всех параметров лазерамы сможем узнать какую максимальную энергию импульса можно получить в генераторе. Сравнивая еевеличину с требуемой энергией E вхус (п.А.3) мы будем принимать дальше решение.Относительную эффективность квантрона задаем равной 1,0. Это соответствует квантронамсреднего качества. При необходимости мы можем увеличить этот параметр, сделав более жесткие требования к качеству квантрона. Обычно за этим параметром стоит цена квантрона.Б.6. Модулятор добротности.
В этом разделе рассмотрим проектирование лазера с активным модулятором добротности. Проектирование лазера с пассивным затвором рассмотрим в разделе Б.9.Для активных модуляторов добротности следующий набор параметров формализованно описывает все используемые типы затворов:1. Начальное пропускание затвора (в закрытом состоянии) (Тнач).2. Конечное пропускание затвора (в открытом состоянии) (Ткон).3. Время включения затвора (tвкл).4.
Задержка до включения затвора (tзад).Конкретные числовые значения этих параметров определяются типом затвора:1. Электро-оптический затвор (ЭО-затвор).2. Затвор с нарушением полного внутреннего отражения (НПВО-затвор).3. Акусто-оптический затвор (АО-затвор).4. Механический затвор.Для генерации моноимпульсного излучения в основном используются ЭО-затвор и НПВО-затвор.Наименьшее время включения (до нескольких наносекунд) может быть получено в ЭО-затворе,так как процесс установления электрического поля в кристалле является практически безинерционным.Основное ограничение связано с используемыми схемами управления, которые должны формировать импульсы амплитудой единицы киловольт. Для получения длительности переднего фронта (время открытиязатвора) в несколько наносекунд скорость нарастания напряжения должна составлять около 1010-1011 В/с.Качество материала, однородность электрического управляющего поля в кристалле определяют Ткон вЭО-затворах.
Типовые значения Тнач составляют от 0,5% до 5-7% (в зависимости от конструкции). Величина Ткон обычно равна 95-98%. Наиболее широко эти затворы применяются в лазерах с активными средами, имеющими высокие коэффициенты усиления (большие значения сечения генерационного перехода)- YAG:Nd3+, YAP:Nd3+, YVO4:Nd3+, GdVO4:Nd3+, KGW:Nd3+, Рубин и др. Это связано с тем, что с такимиактивными элементами время развития генерации будет небольшим (десятки наносекунд).В затворах НПВО процесс переключения определяется механическим растяжением и сжатием материала. Время включения определяется скоростью акустических волн и размерами затвора.
Как правилоtвкл составляет несколько сотен наносекунд. У этих затворов небольшое начальное пропускание (Тнач от0,2% до 1-2%) и больщое конечное пропусание (Ткон до 99%). Эти затворы наиболее эффективны в лазерахс активными средами, имеющими небольшое усиления (небольшие значения сечения генерационного перехода) - стекло с Nd3+, YSGG:Nd3+, LSB:Nd3+, LISAF, LICAF, LISGAF и др. Также этот затвор можетэффективно использоваться с такими активными элементами, как YAG:Nd3+, YAP:Nd3+, YVO4:Nd3+,GdVO4:Nd3+, KGW:Nd3+ при генерации не на основной длине волны (1,32 мкм; 0,94 мкм; 1,44 мкм, 1,12мкм и др.).
На этих длинах волн сечения генерационного перехода небольшие.Хотя формально мы относим задержку до включения затвора к группе парамтеров затвора, но еевеличина определяется не параметрами затвора, а схемой управления (схемой задержки). По этому параметру никаких ограничений нет.Б.7. Конечное пропускание затвора. Прежде всего нам необходимо задать конечное пропускание затвораТкон.
От его величины зависит энергия выходного излучения. Выбираем ЭО-затвор и примем, что конечное пропускание затвора равно 97%.При выборе начального пропускания (Тнач) и времени включения (tвкл) затвора будем исходить изследующего. Характер зависимостей от этих параметров имеет краевой максимум (см. рис.). В процессепроектирования мы находим не оптимальные значения этих параметров, а их допустимые значения, прикоторых параметры выходного излучения будут не хуже, чем в идеальном случае.
Если эти параметры затвора выбраны оптимальными, то энергия излучения будет такая же, как в случае Тнач=0 % и tвкл=0 нс. Поэтому на этом этапе примем их значения минимальными, а после завершения проектирования генератораопределим допустимые значения Тнач и tвкл. Очевидно, что за величинами этих параметров стоит цена затвора и схемы управления.Таким образом на этом шаге необходимо оптимизировать лазер по следующим параметрам:1. Задержка до включения затвора (tзад).2. Коэффициент отражения выходного зеркала (Rвых).Оптимизацию лазера необходимо начинать с выбора оптимального значения задержки до включения затвора. Это связано со следующим.
Запасание энергии в активном элементе происходит при вы-9Проектирование лазерного излучателя.ключенном модуляторе добротности. В этом режиме влияние величины Rвых на достижимый коэффициент усиления среды небольшое.При увеличении Rвых возрастает уровень шумов в активном элементе,что приводит к уменьшению достижимой инверсной населенности(запасенной в среде энергии). В конечном итоге этоге приведет к небольшому уменьшению tзад. Но это изменение мало. Его можно учестьна последнем этапе расчетов.Если первоначально оптимизировать коэффициент отражения выходного зеркала, то при неоптимальной задержке до включения затвора найденное значение Rвых может значительно отличатьсяот того значения Rвых, которое будет найдено при оптимальной задержке.
Поэтому при такой последовательности оптимизации потребуется повторное нахождение оптимального значения Rвых.Рис.9.3. Выбор оптимальной задержкидо включения затвора.Б.8. Задержка до включения затвора. Задаем принятое в п.Б.1 значение Rвых=20 % и расчитываем зависимость энергии генератора от задержки до включения затвора (рис.9.3). Находим оптимальное значениеtзад. Величина ее равна 90 мкс.Б.9. Коэффициент отражения выходного зеркала. Рассчитываем зависимость энергии выходного излучения от коэффициента отражениявыходного зеркала (рис.9.4).
Находим оптимальное значение Rвых,при котором максимальна энергия выходного излучения. ВеличинаRвых для рассматриваемой задачи равна 13 %. При этом получаетсятребуемая энергия выходного излучения 500 мДж.На рис.9.4 для сравнения приведена также зависимость длямощности выходного излучения Pвых. Видно, что оптимальные значения Rвых для получения максимальной энергии и мощности отличаются мало.Б.10.
Уточнение диаметра активного элемента усилителя. При выборе диаметра активного элемента генератора Dаэген было принято, чтоRвых=20 %. При оптимальном значении Rвых=13 % из (9.7) находим,что Dаэген ≥ 4,1 мм. Это согласуется с выбранным значением Dаэген .Рис.9.4. Выбор оптимального коэффициента отражения выходного зеркала.ген. Далее возНа этом этапе мы должны сравнить требуемую величину E вхусил с полученной величиной E выхможны два варианта:ген1. Полученная энергия излучения лазера E выхменьше требуемой энергию на входе усилителя E вхусил , коусил.торая необходима для получения на выходе излучателя требуемой по заданию энергии E выхген2.
Полученная энергия излучения лазера E вых превышает требуемую энергию на входе усилителя E вхусил ,усил.которая необходима для получения на выходе излучателя требуемой по заданию энергии E выхген< требуемойБ.11. Дополнительная оптимизация генератора, выбор альтернативы. В первом случае ( E выхусил)необходимоисчерпатьвсерезервы,имеющиесявсхеме.НеобходимосогласованноувеличиватьТконE вхзатвора, уменьшать дифракционные потери (предполагая ужесточить требования к оптическому качествуэлементов и выбирать оптимальную конфигурацию резонатора), увеличивать относительную эффективность квантрона.
При изменении этих параметров необходимо проводить оптимизацию Rвых (п.Б.9), таккак изменилось отношение коэффициента усиления активного элемента к вредным потерям резонатора.генЕсли отличие между E выхи требуемой E вхусил очень велико и эти меры не могут помочь, то необходиморассмотреть вопрос об использовании дополнительного каскада усиления или использования двухпроходного усилителя.
В случае использования дополнительного однопроходного усилителя в качетве требуемой на его выходе энергии задается величина E вхус , найденная в п.А.3. И далее повторяеются все этапы,изложенные в п.А и п.Б. Имеется также возможность увеличения относительной эффективности квантрона усилителя. Что более целесообразно - использовать более качественные, а, следовательно, и более дорогие элементы, или использовать дополнительный каскад усиления, можно определить при комплексномрешении технико-экономической задачи.Б.12. Выбор коэффициента увеличения согласующего телескопа.
На этом этапе, зная диаметры активныхэлементов генератора и усилителя, мы можем найти коэффициент увеличения согласующего телескопаГ= Dаэус / Dаэген . В рассматриваемом случае он равен 1,26.10Усиление и генерация импульсного лазерного излучения.ген> требуеБ.13. Оптимизация энергии накачки. Во втором случае ( E выхусилмой E вх ) необходимо переходить к этапу совместной оптимизациигенератора и усилителя.
Как отмечалось в п.9.2 необходимо уменьшить энергию накачки генератора или усилителя для получения требуемой по заданию энергии выходного излучения. Вопрос стоит отом в каком каскаде это делать более рационально, когда будетбольший КПД лазера?Уменьшив, например, энергию накачки генератора, мы темРис.9.5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
