Проектирование лазерных излучателей (1151954), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Из этих зависимостей при σ нак,усил =3 %Рис.9.10. Зависимость от энергии накачки генератора.(±15 мДж) находим допустимое изменение энергии накачки: -1,6 Дж и+2 Дж относительно номинального значения энергии накачки усилителя 24,8 Дж, или, нормированные на номинальное значение энергии,-6,5% и 8,1%.Рис.9.11. Зависимость от энергии накачки усилителя.На рис.9.12 приведена зависимость энергии на выходе усилителя от задержки до включения затвора. При изменении величинызадержки в любую сторону относительно номинального значения,энергия на выходе усилителя уменьшается. Возможно определить допустимое отклонение выходной энергии только в меньшую сторону иопределить два соответствующих значения времени задержки.
Пусть,как и ранее, допустимое отклонение выходной энергии равноσ зад,ген =-3 % (-15 мДж). Такое изменение энергии выходной излученияв рассматриваемом случае имеет место при изменении задержки от 17,5 мкс до +18,9 мкс относительно номинального значения. Относительное изменение задержки (относительно номинального значения90 мкс) составляет -19,4 % и +21 %.Рис.9.12.
Зависимость от задержки доПри распределении полной нестабильности между параметвключения затвора.рами необходимо учитывать два фактора:1. Характер зависимости.2. Сложность обеспечения требуемого допуска.В случае монотонно возрастающих зависимостей нестабильность параметра сильно влияет на выходную энергию. В этом случае необходимо задавать большее значение σ i . Тем самым задается достаточно большое допустимое отклонение параметра, которое технически можно обеспечить. Для зависимостейс экстремум можно задавать более жесткий σ i .
Даже в этом случае допустимое отклонение параметра будет вполне реализуемым технически.Технические возможности некоторых устройств позволяют получить высокую точность для параметра. Например, схемы задержки до включения затвора и задержки до накачки усилителя(генератора), построенные на основе схем ждущих мультивибраторов, позволяют обеспечить точность нехуже 0,1 мкс. Относительная нестабильность параметра в этом случае, как правило, не превышает 1%.Для рассмотренного выше случая рис.9.12 это приведет к изменению энергии на выходе усилителя менеечем на 0,1%. Это позволяет снять вопрос о влиянии нестабильности таких параметров и не учитывать их в(9.9).Примем, что основными действующими механизмами являются следующие и определим значениянестабильности энергии выходного излучения, обусловленные их действием:1.
Нестабильность энергии накачки генератора - σ нак,ген =3 %.2. Нестабильность энергии накачки усилителя - σ нак,усил =3%.3. Конечное пропускание затвора - σ кон,проп, =2,65 %.В соответствии с (9.9) в сумме это дает заданное в задание значение σ Σ =5 %.По аналогии с рассмотренным выше подходом рассчитываем зависимость энергии выходного излучения усилителя от конечного пропускания модулятора добротности (рис.9.13) и находим, что допустимое изменение конечного пропускания модулятора добротности составляет -4,5 %.
Верхний предел из-13Проектирование лазерного излучателя.менения не задается, так как даже при Тнач=100 % энергия на выходеусилителя увеличивается менее, чем на допустимое отклонение.На этом проектирование излучателя закончено. Полученныерезультаты для последующего проектирования и конструированияпредставим в следующем виде:Генератор:Активный элемент - YAG:Nd3+ ∅5∗50 мм (квантрон среднего качества).Длина резонатора - 250 мм.Конфигурация резонатора должна обеспечивать дифракционные потери резонатора не более 5%.Коэффициент отражения выходного зеркала - 13%.Затвор - электрооптический,начальное пропускание - не более 13 %конечное пропускание - не менее 97 %Рис.9.13.
Зависимость от конечногопропускания модулятора добротности.Усилитель:Активный элемент - YAG:Nd3+ ∅6,3∗100 мм (квантрон среднего качества).Устройства питания:Генератор:Усилитель:−6%энергия накачки24 Дж + 7%длительность импульса75 мкс.задержка накачки генератора относительно накачки усилителя 11 мкс ± 0,1 мкс..−6,5%энергия накачки25 Дж + 8%длительность импульса75 мкс.Устройство управления затвором:задержка до включения 90 мкс ± 0,1 мкс.длительность переднего фронта - не более 22 нс.9.4.
Проектирование лазерного излучателя с пассивной модуляцией добротности.Проектирование лазера с пассивной модуляцией добротности с целью получения заданной выходной энергии с заданным числом импульсов и максимальным КПД является непростой задачей. Приизменении энергии накачки изменяется число импульсов. При изменении коэффициента отражения выходного зеркала и коэффициента начального пропускания пассивного затвора (и неизменной энергии накачки) изменяется как число импульсов, так и энергии этих импульсов. Непростой является задача проектирования лазерного излучателя, генерирующего одиночный импульс, так как одновременно необходимоменять энергию накачки, коэффициент отражения выходного зеркала Rвых и начальное пропускание затвора Tнач.
Но задача значительно упрощается, если использовать свойство, рассмотренное в разделе 7,полученное при сравнении лазеров с активной и пассивной модуляцией добротности (см. рис.7.13). Напороге генерации лазера с пассивным затвором все его выходные параметры будут такие же, как в лазерес активной модуляцией добротности при условии, что коэффициент пропускания модулятора добротности и все остальные параметры в обоих лазерах аналогичны.Таким образом получается, что проектирование задающего генератора может быть выполнено сактивной модуляцией добротности по методике п.Б подраздела 9.3.Исходя из энергетического режима работы активного затвора определяем коэффициент пропускания, который будет иметь пассивный затвор в открытом состоянии.
Задаем эту величину в качестве конечного пропускания активного затвора и выполняем полное проектирование на заданные втехническом задании требования. На последнем шаге расчетов задаем в качестве модулятора добротности пассивный затвор. Если лазерс активной модуляцией оптимизирован правильно, то и с пассивнымзатвором получаем сразу требуемые параметры.Необходимо учитывать следующее.
Эта методика позволяетвыполнить проектирование для случая работы лазера на пороге генерации. Нам необходимо учитывать, что источник питания имеетнекоторую нестабильность энергии. При некотором увеличенииэнергии накачки энергия импульса на выходе лазера практически неРис.9.14. Зависимость энергии излучения генератора от коэффициента отизменится. Но при небольшом уменьшении энергии накачки (нижеражения выходного зеркала.порога генерации) выходная энергия лазерного излучения будет рав14Усиление и генерация импульсного лазерного излучения.на нулю. Для исключения этого необходимо немного увеличить энергию накачки.Рассмотренный выше подход проектирования лазера с пассвиным затвором требует знания величины конечного пропусканиязатвора в рабочем режиме.
Эти данные не всегда известны. Другойметод проектирования лазера с пассивным затвором основан на прямой оптимизации параметров лазера.При заданной энергии накачки необходимо построить семейство графиков для энергии выходного излучения от начального проРис.9.15. Зависимость энергии на выпускания затвора и коэффициента отражения выходного зеркала.
Походе усилителя от коэффициента отэтим зависимостям необходимо найти оптимальную комбинацию Tначражения выходного зеркала.и Rвых. Если полученная энергия выходного излучения не соответствует требуемой, то необходимо измененить энергию накачки и повторить расчеты.На рис.9.14 приведены зависимости энергии выходного излучения генератора от коэффициентаотражения выходного зеркала при различных значения коэффициента начального пропускания модулятора добротности.
Аналогичные зависимости для энергии на выходе усилителя приведены на рис.9.15. Изэтих результатов следует, что в достаточно большом диапазоне изменения Tнач (от 3 % до 8 %) получаетсятребуемая энергия. При этом Rвых должен выбираться от 3 % до 11 %.9.5. Проектирование лазерного двухпроходового усилителя.Отличие проектирования двухпроходового усилителя заключается в том, что нагрузка на торецактивного элемента обусловлена действием двух потоков излучния - входного и выходного, величиныэнергии которых соизмеримы.
Но до расчета коэффициента усиления усилителя мы не знаем величинуэнергии входного сигнала. А расчет можно выполнить только для элемента с заданным диаметром. Поэтому мы можем воспользоваться (9.2), выбрав больший диаметр активного элемента, чем в случае однопроходного усилителя.
После проведения расчета усилительных характеристик и определения требуемойэнергии входного сигнала, необходимо уточнить величину диаметраDаэус ≥ус4 ( E вых+ E вхус ) .πQдоп(9.11)Использование двухпроходных усилителей опревдано в том случае, когда энергия на выходе задающегогенератора очень небольшая (плотность энергии много меньше плотности энергии насыщения). Это может иметь место для одномодового задающего генератора.Например, для рассматриваемой задачи зависимости энергии выходного излучения от энергии входного импульса для случаев одно- (кривая 1) и двухпроходных (кривая 2) усилителей приэнергии накачки 36 Дж представлены на рис.9.16.
Для однопроходного усилителя E вхусил =215 мДж, для двухпроходного - E вхусил =135мДж. Из этих зависимостей видно, что для рассматриваемой задачинаибольшая разность E вхусил имеет место в области входных сигналов 50-100 мДж. Здесь наибольший выигрыш от применения двухпроходного усилителя.Из (9.11) следует, что при энергии входного сигнала 135мДж диаметр активного элемента Dаэус должен быть больше 6,7 мм.Рис.9.16. Усилительные характеристикиоднопроходного (1) и двухпроходногоИз типо-ряда активных элементов (табл.9.1) ближайший диаметр(2) усилителей.равен 8 мм.15Проектирование лазерного излучателя.9.6. Проектирование лазерного излучателя по известным экспериментальным данным.Проектирование лазера с активной модуляцией добротности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
