Проектирование лазерных излучателей (1151954), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Как отмечалось в разделе 9.1 этотметод проектирования дает наиболее объективные результаты. При экспериментальной реализации удается получить хорошее согласие с результатами расчетов. В этом разделе в качестве примера рассмотримрезультаты работы [1], в которой представлены результаты экспериментальных исследований лазера наYSGG:Cr3+:Nd3+ с активной модуляцией добротности. На момент публикации был получен наиболее высокий КПД лазера в моноимпульсном режиме, превышающий 4 %. Особенностью [1] было то, что былспециально выращен активный элемент, с параметрами, оптимальными для моноимпульсного режимаработы, для этого элемента был специально разработан квантрон, обеспечивающий максимальную эффективность, и в качестве модулятора добротности использовался НПВО затвор (с нарушением полноговнутреннего отражения), имеющий минимальные потери в открытом состоянии.Параметры лазера следующие:1. Активный элемент - YSGG:Cr3+:Nd3+ с концентрацией активаторов 1%.2.
Размеры активного элемента - диаметр 6 мм, длина 100 мм.3. Активный элемент накачивался лампой накачкой, максимальная энергия - 15 Дж.4. Импульс накачки имел колоколообразную форму, длительность импульса - 150 мкс.5. Коэффициент отражения выходного зеркала - 20 %.Измеренная зависимость энергии выходного излучения отэнергии накачки приведена на рис.9.17. В процессе моделированиянеобходимо уточнить некоторые параметры, которые не известны изэксперимента, или не были приведены в [1].
При проведении моделирования наилучшее согласие было получено со следующими параметрами:1. Время включения модулятора добротности - 100 нс.2. Пропускание модулятора добротности в открытом состоянии 98%.3. Начальное пропускание модулятора добротности - 2%.Рис.9.17. Результаты эксперименталь4. Дифракционные потери резонатора - 4%.ных измерений [1].5. Задержка до включения затвора - 100 мкс.6. Освечиваемая длина активного элемента - 96 мм.7. Относительная эффективность квантрона - 1,6. Напомним, что этот параметр характеризует эффективность квантрона по отношению к серийно выпускаемым промышленность.Параметры затвора задавались по типовым значениям, которые были получены в других работах.
Величина дифракционных потерь является типовой для многомодового режима работы. Задержка довключения затвора оптимизировалась на максимальную энергию. Относительная эффективность квнтрона подбиралась по наилучшему согласию расчетных результатов с экспериментальными данными.Результаты моделирования лазера представлены на рис.9.18.Точками показаны экспериментальные данные. Отличие результатоврасчета от экспериментальных данных не превышает 1-2%. Из этихрезультатов можно сделать следующие выводы. Эффективность лазера возрастает до энергии накачки 11 Дж.
Далее энергия выходногоизлучения прекращает нарастать и КПД лазера начинает уменьшаться. Причины этого несложно понять, если сделать расчет временныхзависимостей, которые представлены на рис.9.19. С ростом энергиинакачки уменьшается время линейного развития генерации (см. раздел 7). Начиная с энергии накачки 11 Дж время линейного развитияРис.9.18. Результаты моделирования.становится меньше, чем время включения модулятора добротности.Генерация происходит в условиях, когда потери в затворе не успевают уменьшиться до минимальногозначения.Необходимо учитывать тотфакт, что время включения затворабольше времени развития генерациидаже при энергии накачки меньше 11Дж. Генерация начинает развиватьсяс того момента времени, когда коэффициент усиления будет равен сумРис.9.19. Временные зависимости.марным потерям.
Часть времени за-16Усиление и генерация импульсного лазерного излучения.твор переключается, когда генерация отсутствует. Учет времени включения производится с того моментавремени, когда потери становятся меньше усиления. Таким образом малое начальное пропускание затвора позволяет уменьшить влияние достаточно большого времени включения затвора.Теперь можно сделать прогноз о возможных параметрах излучения лазера для различных применений.1.
Для получения больших энергий выходного излучения необходимо использовать затвор с меньшимвременем включения. Наиболее рационально выбрать затвор НПВО, который имеет меньшую величину времени включения. Другим вариантом является использование электро-оптического затвора,который позволяет получить время включения до единиц наносекунд. Но в этом случае в силу того,что потери в электро-оптическом затворе больше, КПД лазера будет меньше.ген>11 Дж является увеличение длины ре2.
Возможным вариантом увеличения выходной энергии при E вакзонатора, что приводит к увеличению времени линейного развития генерации. Но при этом увеличиваются дифракционные потери резонатора. Возможно потребуется скорректировать конфигурациюрезонатора с целью уменьшения дифракционных потерь.3. Увеличить время линейного развития можно при уменьшении коэффициента отражения выходного зеркала.
Но в этом случае приген=11 Дж уменьшится энергия выходного излучения из-за того,E вакчто зеркало будет неоптимальным. В области энергий накачкиген>11 Дж может быть получена большая энергия выходного изE ваклучения. Для случая коэффициента отражения выходного зеркала10 % результаты для энергии выходного излучения от энергии накачки представлены на рис.9.20.4. Исследованный в [1] лазер имел коэффициент отражения зеркала,оптимальный при энергии накачки 11 Дж. Для получения больРис.9.20. Генерационные зависимостиших энергий излучения при меньших энергиях накачки необходилазера с различными выходными зермо увеличить коэффициент отражения выходного зеркала. Накалами.рис.9.9 приведены зависимости для энергии выходного излученияот энергии накачки при коэффициенте отражения выходного зеркала 40 %.
В этом случае значительно уменьшился порог генерации и в области накачек менее 10 Дж лазер имеет больший КПДпо сравнению с исходным вариантом.5. Так как основным ограничением при накачке с энергией более 11Дж является большое время включения, то в том же лазере энергетически более эффективным будет режим генерации пачки импульсов.
Коэффициент усиления среды активного элемента пригенерации каждого импульса излучения в пачке в этом случае будет меньше, чем в моноимпульсном режиме. Это приведет к увеличению времени линейного развития генерации. При проведенииРис.9.21. Параметры лазера в режимахгенерации моноимпульса (МИ) и пачрасчетов задавалась задержка до включения модулятора добротки импульсов (ПР).ности 26 мкс, период следования импульсов 10 мкс. Все остальныепараметры аналогичны исходному варианту.
В этом случае лазеризлучал последовательность 20 импульсов с энергиями от 7,8 мДж до 60,3 Дж. При энергии накачки 12Дж суммарная энергия выходного излучения была равна 0,684 Дж с КПД равным 5,7 %. Зависимостиэнергии выходного излучения и КПД лазера в режиме генерации пачки импульсов (ПР) и генерациимоноимпульсного излучения (МИ) (исходный вариант для сравнения) приведены на рис.9.21. Хорошовидно, что во всем диапазоне изменения энергии накачки КПД лазера возрастает. Во всем этом диапазоне время линейного развития генерации больше времени включения модулятора добротности. Дляполучения большей энергии выходного излучения энергия накачки может быть увеличена.Проектирование лазера с пассивной модуляцией добротности.
В качестве второго примера рассмотрим результаты моделирования лазера с пассивным затвором, результаты экспериментальных исследований которого были получены в НИИ РЛ МГТУ им.Н.Э.Баумана. В качестве активного элемента использовался стандартный элемент из YAG:Nd3+ с размерами: диаметр 6,3 мм, длина 65 мм. Активный элемент монтировался в стандартный квантрон с ламповой накачкой и накачивался импульсами длительностью 75 мкс.
Резонатор лазера имел длину 400 мм. Коэффициент отражения выходного зеркала был равенRвых=28%. В качестве пассивного модулятора добротности использовались элементы из YAG:Cr4+ с начальным пропусканием 26% и 43%.Наилучшее согласие результатов расчетов с экспериментальными данными было получено приследующих параметрах:1. Относительная эффективность квантрона - 0,95.2. Освечиваемая длина активного элемента - 60 мм.17Проектирование лазерного излучателя.3. Дифракционные потери - 5%.4.
Для затвора с T0=26% конечное пропускание равно 77%.5. Для затвора с T0=43% конечное пропускание равно 84%.Отличие величин конечного пропускания пассивных затворов связано с тем, что степень просветления затворов (отношение коэффициентов поглощения в закрытом и открытом состояниях) примерно остается неизменной. Поэтому чем более плотный затвор (с меньшимначальным пропусканием), тем будет меньше и величина пропускания в открытом состоянии.Результаты экспериментальных измерений (точки) и резульРис.9.22. Результаты экспериментальтаты расчетов (линии) представлены на рис.9.22. В области небольных измерений и моделирования.ших энергий накачки получено хорошее согласие результатов расчетов с экспериментальными данными.
При энергии накачки более 25Дж по результатам расчетов получаются большие энергии излучения, чем это имеет место в эксперименте.Это может быть связано с возрастанием потерь в резонаторе.На основании полученных результатов можно сделать следующие прогнозы.1. Для получения одиночного моноимпульса при энергии накачки 25 Дж необходимо использовать пассивный затвор YAG:Cr4+ с начальным пропусканием 10%. При этом затвор будет иметь конечное пропускание 70%. В этом режиме лазер будет излучать импульс энергией 180 мДж.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
