Проектирование лазерных излучателей (1151954), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Изменение энергии накачкисамым уменьшим энергию на его выходе. Следовательно уменьшимусилителя.энергию на входе усилителя, что приведет к уменьшению выходнойэнергии излучателя. Можно уменьшить энергию накачки усилителя.В этом случае уменьшится коэффициент усиления среды в активномэлементе усилителя, что приведет к уменьшению выходной энергииизлучателя.
И в первом, и во втором случае полная энергия накачкигенус) будут различны. Выбирается тот(генератора и усилителя - E вак+ E вакгенусвариант, при котором E вак + E вак меньше. При одной и той же выходной энергии выходного излучения это дает больший КПД. Однозначного ответа на вопрос о том в каком каскаде более рациональноуменьшать энергию, практически нет. В разных случаях (разные типыактивных элементов, разный энергетический режим работы элеменРис.9.6.
Изменение энергии накачкигенератора.тов) это может быть по разному. Необходимо проверять оба варианта изменения энергии накачки.Необходимо только отметить то, что желательно, чтобы вобеих лампах не сильно отличались энергии накачки от номинального режима. Это связано с тем, что присильном отличии режимов может значительно отличаться ресурс работы обеих ламп накачки. Более рационально делать замену обеих ламп (генератора и усилителя) одновременно, что уменьшит эксплуатационные затраты и сократит время простоя.генусделается следующим образом. Для оптимизироОпределение оптимального значения E вак+ E вакванного генератора рассчитывем зависимость энергии на выходе усилителя от энергии накачки усилителяус(1)(рис.9.5) и находим величину E вак, при которой получается требуемая по заданию энергия. Полная энер(1)генус(1)ус(1).
Из результатов рис.9.5 находим E вак=24,8 Дж и получаемгия накачки равна E вак = E вак + E вак(1)генус(1)E вак = E вак + E вак =24+24,8=48,8 Дж.Устанавливаем в усилителе максимально допустимую энергию накачки. Рассчитываем зависиген(1)мость энергии на выходе усилителя от энергии накачки генератора и находим величину E вак, при которой получается требуемая по заданию энергия. Здесь необходимо учитывать, что при значительномгенуменьшении E вактребуется согласованная оптимизация коэффициента отражения выходного зеркала.Этот расчет при необходимости выполняется несколько раз при увеличении Rвых. В рассматриваемом слуусген(2)чае требуемое значение E вых=0,5 Дж получается при E вак=17,5 Дж.
Полная энергия накачки равна(2)ген(2)ус=17,2+36=53,2Дж.E вак = E вак + E вак(1)(2)и E ваквыбирается луший вариант (с наименьшим значением). В рассматриваеИз сравнения E вакмом случае более рационально уменьшить энергию накачки усилителя до 24,8 Дж. КПД лазера в этомслучае равен 1,03 %.Б.14. Оптимизация длительности импульса. Как правило в техническом задании длительность импульсазадается не более некоторого значения. Получение меньшей, чем по заданию, длительности является допустимым. Если вопрос о величине длительност импульса является критичным, то необходимо ее увеличить.
Одним из методов ее увеличения является увеличение длины резонатора. В рамках используемых вэтом разделе моделей энергия излучения, а следовательно и КПД лазера, при этом изменяться не будут.Но в действительности увеличение длины резонатора приводит к возрастанию дифракционных потерь,что приведет к уменьшению энергии излучения.Б.15. Начальное пропускание затвора. Выполним расчет зависимости энергии выходного излучения от начального пропускания затвора (рис.9.7).
Из этой зависимости найдем допустимую величину Тнач ≤ 13 %.Выбор оптимального значения обеспечивает отсутствия паразитной свободной генерации на этапе накачки (создания инверсной населенности).Б.16. Время включения затвора. Выполним расчет зависимости энергии выходного излучения от времени11Проектирование лазерного излучателя.включения затвора (рис.9.8). Из этой зависимости найдем допустимую величину tвкл ≤ 22 нс.Б.17. Задержка до накачки усилителя.
В п.А.2 была найдена оптимальная задержка до прихода усиливаемого импульса относительноначала накачки усилителя. Этот момент времени соответствует достижению максимального занчения коэффициента усиления среды активного элемента усилителя (максимальной инверсной населенности). Аналогично в п.Б.8 найдена величина оптимальной задержки довключения затвора генератора. Ее величина также соответствует достижению максимального занчения коэффициента усиления среды активного элемента генератора (максимальной инверсной населенности). Очевидно, если длительности импульсов накачки генератора иусилителя равны, то эти моменты времени будут совпадать. Если, например, длительность импульса накачки генератора меньше, чемусилителя, что иногда на практике имеет место, то генерируемый задающим генератором импульс приходит на усилитель в тот моментвремени, когда в активном элементе коэффициент усиления не достигсвоего максимального значения.
Исправить эту ситуацию можно, если начинать накачку генератора с задержкой относительно началанакачки усилителя. С этой целью необходимо выполнить расчет зависимости энергии выходного излучения усилителя от задержки донакачки усилителя (рис.9.9) и выбрать оптимальное значение. Величина ее может быть как положительной (начало накачки генератораопережает накачку усилителя), так и отрицательной (начало накачкиусилителя опережает накачку генератора). Из результатов рис.9.9следует, что оптимальное значение tзад=-10 мкс.Рис.9.7. Выбор допустимого начального пропускания затвора.Рис.9.8.
Выбор допустимого временивключения затвора.На этом этапе проектирования получены все основные параметры выходного излучения. Следующим этапом является определение требований к устройствам питания и управления с целью обеспечения допустимой нестабильности энергии выходного излучения отимпульса к импульсу.Б.18. Определение требований к устройствам питания и управления.Для решения этой задачи необходимо определить те параметры наРис.9.9. Выбор задержки до накачкичальных условий, у которых величина может изменяться от импульсаусилителя.к импульсу излучения. Очевидно, например, что такие параметры какдиаметр и длина активного элемента не изменяются.
Коэффициентотражения выходного зеркала в зависимости от конструкции и условий эксплуатации лазера может изменяться, но эти изменения очень медленные. Как правило от импульса к импульсу изменяются парамтеры,связанные с внешним питанием и управлением. К ним относятся:1. Энергия накачки генератора и усилителя (определяется источником питания).2. Задержка до включения затвора (определяется схемой задержки).3. Конечное пропускание затвора (определяется схемой управления затвором).В задании задана полная нестабильность энергии излучения, которая складывается из-за действияразличных механизмов. Нам необходимо разделить полную величину нестабильности между всеми параметрами. В силу статистической независимости действия всех механизмов вклад их является независимыми полная относительная нестабильность равна22222.(9.9)σ Σ2 = σ нак,ген,+ σ нак,усил,+ σ зад,ген,+ σ зад,нак,+ σ кон,проп,Здесь каждое слагаемое справа определяет относительную нестабильность энергии выходного излучения(относительно номинального значения) при изменении соответствующего параметра.
Необходимо разделить полную ошибку между всеми параметрами и определить допустимое отклонение по каждому из этихпараметров. Для решения задачи разделения полной ошибки рассмотрим основные особенности влиянияпараметров на энергию выходного излучения. Все расчеты проводятся с оптимальными параметрами лазера. Определение допустимых отклонений проводится графическим методом из зависимостей для выходной энергии усилителя от всех основных параметров.Для энергии выходного излучения усилителя существует два вида зависимостей - монотонно возрастающие, и имеющие экстремум относительно номинального режима. К первому типу относятся - зависимости от энергии накачки обоих каскадов, зависимости от всех видов потерь, и, в частности, от конечного пропускания затвора.
Ко второму типу относятся зависимости для задержки до включения затвора,задержки до накачки усилителя.12Усиление и генерация импульсного лазерного излучения.На рис.9.10 приведена зависимость энергии выходного излучения усилителя от энергии накачки генератора. Эта зависимостьмонотонно возрастает. Точечными линиями показан номинальныйрежим накачки генератора. При изменении энергии накачки в положительную или отрицательную сторону относительно номинальногозначения энергии накачки, согласованно в большую или меньшуюсторону будет изменяться энергия выходного излучения. Пусть например, допустимая нестабильность выходной энергии, обусловленная нестабильностью энергии накачки генератора не должна превышать σ нак,ген =3 %. Это дает допустимое отклонение энергии выходного излучения ±15 мДж.
Эти допустимые границы проведены нарис.9.10 горизонтальными пунктирными линиями. Несложно найтисоответствующие им допустимые отклонения энергии накачки генератора (вертикальные пунктирные линии). Они раны -1,5 Дж и +1,7Дж относительно номинального значения 24 Дж, или, нормированные на номинальную энергию накачки генератора, -6% и +7%.Аналогичные рис.9.10 зависимости от энергии накачки усилителя приведены на рис.9.11.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
