Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 13
1.1 Выбор длины волны 13
1.2 Особенности Yb:Er стекла 17
1.3 Существующие на сегодняшний день лазерные излучатели 22
1.4 Выбор метода модуляции добротности 30
1.5 Обзор аналогов импульсных дальномеров 40
2 Разработка 12 мДж лазера на Yb:Er стекле 47
2.1 Расчет параметров активной среды 47
2.2 Расчет и оптимизация параметров системы накачки 53
2.3 Выбор и исследование источника накачки 61
2.4 Расчет параметров наведенной термолинзы в активном элементе 65
2.5 Расчет параметров резонатора и разработка оптической схемы лазера 69
2.6 Расчет системы охлаждения для достижения частоты следования импульсов 10 Гц в непрерывном режиме 77
2.7 Экспериментальные данные 81
2.7.1 Свободная генерация лазерного излучения 81
2.7.2 Модуляция добротности 82
2.7.3 Формирующая оптическая система 84
2.7.4 Технические характеристики разработанного лазерного излучателя . 88
3 Разработка миниатюрного лазера на Yb:Er стекле с акустооптическим модулятором добротности 93
3.1 Оптическая схема лазера 93
3.2 Моделирование системы накачки 94
3.3 Выбор источника накачки 99
3.4 Расчет резонатора 105
3.5 Эксперимент 106
3.5.1 Модуляция добротности 107
3.5.2 Расходимость лазерного излучения 120
3.6 Технические характеристики разработанного лазера 8 мДж 121
Заключение 127
Список сокращений 128
Список обозначений 129
Список источников 135
- Существующие на сегодняшний день лазерные излучатели
- Расчет и оптимизация параметров системы накачки
- Технические характеристики разработанного лазерного излучателя
- Технические характеристики разработанного лазера 8 мДж
Введение к работе
Актуальность темы исследования и степень её проработанности
На сегодняшний день широко распространены лазеры, работающие в безопасном для глаз диапазоне. Такие лазерные излучатели могут применяться в системах машинного зрения, дальнометрии и целеуказании, системах экологического и природного контроля, в медицинских комплексах [1; 2; 3; 4]. При этом, самым востребованным направлением использования является импульсная дальнометрия. Наиболее широкое распространение получили дальномеры, работающие в спектральном диапазоне 1.5-1.8 мкм, так как именно он считается безопасным для глаз. Помимо этого, наличие полос пропускания атмосферы в этом спектральном диапазоне позволяет реализовать на основании такого источника излучения дальномеры, способные работать на расстояниях до 30 км. Ещё одним важным преимуществом использования источников излучения с таким спектральным диапазоном является доступность фотоприемников, что также определяет интерес к этой области [5; 6].
Несмотря на большой потенциал данной методики измерения расстояний, существует и ряд трудностей, связанных как со сложностью реализации малогабаритного источника излучения, так и с необходимостью обеспечения высокой степени стабильности работы при различных нагрузках (удары, вибрация, линейное ускорение и перепады температуры). В свою очередь, современные требования к мобильности и к простоте эксплуатации (использование без специальной технической подготовки) определяют предел допустимой сложности устройства. Все эти особенности требуют учета при разработке компактных приборов бортового базирования.
Наиболее распространённым типом лазеров, работающим в безопасном для глаз спектральном диапазоне 1.5-1.6 мкм с частотами повторения импульсов более 1 Гц, являются лазеры, построенные по схеме с параметрическим генератором света (ПГС). Лазер с ПГС включает в себя параметрический преобразователь и лазер накачки. В простейшем случае параметрический преобразователь света представляет собой нелинейный кристалл, помещенный в резонатор. Использование лазеров такого типа накладывает ряд трудностей, связанных как с использованием сложного в эксплуатации и дорогостоящего ПГС, так и со сложностью реализации компактного устройства [4; 7; 8].
Одним из вариантов решения проблем, связанных с использованием схем с ПГС, является использование лазера с активным элементом (АЭ), изготовленным из Yb:Er фосфатного стекла, генерация в котором происходит сразу на длине волны 1.54 мкм. Основной проблемой при разработке лазеров такого типа является выбор модулятора добротности.
Пассивный модулятор добротности, в связи с низким сечением усиления в активной среде, при установке в резонатор вносит большие потери, не позволяя добиться высокого уровня коэффициента полезного
действия (КПД). Невозможность масштабирования при проектировании компактного устройства огранивает выходную энергию в лазерах с таким типом затвора единицами миллиджоулей для импульсов не более 25 не. Помимо этого, низкая стабильность эффективности модуляции добротности при работе в широком температурном диапазоне без применения дополнительных систем точной термостабилизации полностью лишает возможности реализации высокостабильного и, в тоже время, простого устройства [4; 9].
Использование широко распространенных электрооптических модуляторов (Э/О), в основе работы которых лежит эффект Поккельса, в лазерах на Yb:Er стекле, работающих с частотой следования импульсов более 1 Гц, весьма затруднительно. Причиной этого является низкая теплопроводность фосфатного стекла, из которого изготавливается АЭ, вызывающая сильную тепловую деформацию, в результате чего проявляется эффект "анизотропии деполяризации", что при установленном в оптический резонатор поляризаторе, необходимым для работы электрооптического модулятора, вносит большие потери, тем самым срывая генерацию [8; 10; 11].
На сегодняшний день единственным модулятором добротности, используемым в компактных лазерах с АЭ из Yb:Er стекла, работающих с частотой повторения импульсов больше 1 Гц, является затвор, работающий на явлении нарушенного полного внутреннего отражения - НПВО (FTIR), пришедший на смену оптико-механическим затворам с крутящейся призмой. Использование такого типа модуляторов в устройстве, работающем в широком температурном диапазоне, приводит к необходимости использования дополнительных систем термостабилизации, а сложная технология производства в сочетании с необходимостью применения специальной системы управления определяет его низкую доступность [13; 14].
Помимо этого, представляется перспективным использование в компактных лазерах на Yb:Er стекле, работающих с частотой повторения импульсов больше 1 Гц, акустооптических затворов (А/О). В настоящее время имеются А/О затворы, работа которых основана на дифракции света на звуковой волне. Модуляторы добротности такого типа изготавливаются в основном для работы с непрерывным излучением и отличаются большими габаритами, что определяет нецелесообразность их использования в компактном переносном устройстве [8; 11; 12]. Появление компактных А/О затворов с высокой эффективностью преобразования излучения свободной генерации в моноимпульс позволяет заявить о возможности разработки компактных эффективных лазеров на Yb:Er стекле, работающих с частотой следования импульса 5-10 Гц при относительной простоте конструкции.
Таким образом, актуальность настоящей диссертационной работы обусловлена необходимостью разработки полуторамикронных компактных лазеров с АЭ из Yb:Er фосфатного стекла, работающих в широком
температурном диапазоне с частотой следования импульсов от 5 до 10 Гц, для использования в импульсной дальнометрии.
Целью работы является разработка компактных эффективных лазеров на Yb:Er стекле с диодной накачкой и модуляцией добротности, работающих в широком температурном диапазоне, для применений в дальнометрии.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи исследования:
Провести экспериментальное исследование работы акустооптических затворов в лазерах на Yb:Er стекле для импульсной дальнометрии на расстояния 10-20 км, работающих с частотой следования импульсов 5-10 Гц, и сделать вывод о возможности их применения в качестве эффективных модуляторов добротности.
Рассчитать и экспериментально апробировать оптимальные параметры резонаторов для реализации эффективных компактных лазеров на Yb:Er стекле с диодной накачкой и акустооптической модуляцией добротности.
Разработать компактные лазерные излучатели на Yb:Er стекле с диодной накачкой и активной модуляцией добротности.
Рассчитать, разработать и охарактеризовать высокоэффективную систему накачки для компактных лазеров на Yb:Er стекле с диодной накачкой.
Определить причины возникновения паразитных импульсов в лазерах на Yb:Er стекле с активной модуляцией добротности и эффективной системой накачки.
Предложить и экспериментально апробировать эффективные методы подавления паразитных импульсов в лазерах на Yb:Er стекле с активной модуляцией добротности и эффективной системой накачки.
Провести анализ пространственно-энергетических и эксплуатационных характеристик разработанных лазеров и определить возможность и перспективы их применения в импульсной дальнометрии.
Научная новизна настоящей диссертационной работы заключается в следующем:
1. Определена природа происхождения второго и последующих паразитных импульсов генерации в лазерах на Yb:Er стекле после снятия с А/О затвора высокочастотного управляющего сигнала. Появление паразитных импульсов связано с медленным (порядка 300 не) временем открытия затвора и наличием медленной (порядка 1 мс) подсистемы ионов Yb . Медленное открытие затвора приводит к выполнению нескольких пороговых условий в процессе открытия и появлению импульса с амплитудой, которая сопоставима с амплитудой первого гигантского импульса. Подсистема Yb при интенсивной накачке после возбуждения ионов Ег3+ осуществляет запасание энергии и в отсутствие накачки передает энергию ионам Ег3+, что приводит к превышению порога и генерации
последующих импульсов малой амплитуды, представляющих собой релаксационные колебания.
-
Продемонстрирована возможность подавления генерации второго и последующих паразитных импульсов путем внесения дополнительных потерь в резонатор лазера на Yb:Er стекле.
-
Показано, что использование шестигранного отражателя в лазерах на Yb:Er стекле с односторонней боковой диодной накачкой позволяет получить высокий оптический КПД 4.8%, а также упростить конструкцию квантрона излучателя по сравнению с использованием двух- и более сторонней геометрией систем накачки.
4. Разработаны компактный и миниатюрный лазеры на стекле,
работающие в широком температурном диапазоне -40..+60С с частотой
следования импульса 10 и 5 Гц соответственно.
5. Разработанные лазеры по совокупности пространственно-
энергетических характеристик (компактный лазер 12 мДж/ 25 не/ 10 Гц/ 1
мрад; миниатюрный 8 мДж/ 20 не /5 Гц /1 мрад) не уступают мировым
аналогам и имеют более компактные габариты (150x80x50 и 110x30x30 мм3,
соответственно).
Теоретическая и практическая значимость работы определяется тем, что созданные компактный и миниатюрный лазеры на Yb:Er стекле с активной модуляцией добротности, работающие в безопасной для зрения области спектра, по совокупности выходных характеристик (компактный лазер 12 мДж/ 25 не/10 Гц/1 мрад; миниатюрный8 мДж/ 20 не /5 Гц /1 мрад) соответствуют, а по ряду параметров превосходят зарубежные аналоги (оптический КПД 4.8%), что с учетом результатов предварительной оценки говорит о перспективности их применения в импульсной дальнометрии. Разработаны, промоделированы и исследованы высокоэффективные системы накачки, экспериментально апробирована и описана методика подавления второго и последующего паразитных импульсов, что позволило создать эффективные лазеры на Yb:Er стекле.
В результате исследования разработана практическая база знаний, используя которую можно организовать серийное производство компактных полуторамикронных лазеров на Yb:Er: стекле для использования в импульсной дальнометрии, медицинских приложениях и экологическом мониторинге.
Методы исследования. При подготовке диссертационной работы был проведен обзор и анализ научной литературы по проблеме исследования. Выполнено теоретическое моделирование систем накачки, а именно исследование поглощения излучения накачки в активном элементе методом Монте-Карло с использованием среды программирования ТгасеРго. Моделирование работы системы охлаждения проводились в программном обеспечении Криотерм, тепловые расчеты системы накачки выполнены с помощью Solid Works Flow Simulation. Расчет геометрических параметров лазерного излучателя, в том числе матричным методом, был выполнен с помощью компьютерного моделирования в программах Mathcad, Zemax,
б
Wolfram Mathematica. Экспериментальное исследование пространственно-временных характеристик выходного излучения разработанных лазеров осуществлялось с использованием анализатора пространственного профиля пучка, быстрого фотоприемника, осциллографа и пироэлектрического измерителя энергии лазерного излучения. Методом двух сечений была измерена расходимость лазерного излучения в соответствии с ГОСТ 26086-84. 3D моделирование конструкции лазерных излучателей выполнено в среде Solid Works.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
1. Акустооптические затворы на основе кристаллического кварца
позволяют достигать эффективности преобразования 60-70% от энергии
свободной генерации, не оказывают влияния на анизотропию активной среды
при работе на частотах повторения импульсов от 1 до 10 Гц, а также не
требуют дополнительных систем термостабилизации в компактных лазерах
на Yb:Er стекле, работающих в широком температурном диапазоне
(-40..+60С) с энергией в импульсе 8-12 мДж.
2. Появление второго и последующих паразитных гигантских
импульсов лазерной генерации в лазерах на Yb:Er стекле после снятия с А/О
затвора высокочастотного управляющего сигнала связано с наличием
медленной (порядка 1 мс) подсистемы ионов Yb . Указанная подсистема при
интенсивной накачке после возбуждения ионов Ег3+ осуществляет запасание
энергии и после генерации первого импульса в отсутствие накачки передает
энергию ионам Ег3+, что приводит к превышению порога и генерации
последующих импульсов. Подавление генерации второго и последующих
паразитных импульсов необходимо осуществлять внесением
дополнительных потерь в резонатор лазера.
3. Шестигранный отражатель, оптимизированный с использованием
численного моделирования, для Yb:Er лазера с односторонней диодной
накачкой позволяет упростить конструкцию квантрона и системы
охлаждения, а также достичь высокого оптического КПД (4,8%). Применение
шестигранного отражателя позволяет реализовать эффективную систему
охлаждения, которая обеспечивает генерацию Yb:Er лазера в режиме
модуляции добротности с частотой следования 10 Гц в широком
температурном диапазоне с энергией в импульсе 12 мДж / 25 не.
4. Применение трехсторонней системы накачки обеспечивает
эффективную генерацию Yb:Er лазера при четырехкратном снижении объема
излучателя. Использование компактного эффективного акустооптического
затвора, трехсторонней системы накачки и оптимизированных параметров
резонатора позволяет достичь пространственно-энергетические
характеристики излучения 8 мДж /20 не/ 5 Гц/ 0.8 мрад в миниатюрном Yb:Er
лазере, работающем в температурном диапазоне -40..+60С.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность полученных в результате работы результатов подтверждается использованием общепринятых методов исследования и проведения
экспериментов, а также общим согласованием с результатами, полученными в других работах.
Результаты были представлены в виде устных и стендовых докладов на следующих конференциях, в т.ч. международных:
18th International Conference "Laser Optics 2018", Россия, Санкт-Петербург, 25 - 29 июня2018 г.
17 International Conference "Laser Optics 2016", Россия, Санкт-Петербург, 27 июня - 1 июля2016 г.
16 International Conference "Laser Optics 2014", Россия, Санкт-Петербург, 30 июня - 4 июля2014 г.
Автором было принято участие в проекте ГНЦ РФ ЦНИИ РТК по разработке медицинского комплекса для лечения сосудистых заболеваний, а именно по разработке лазера, оказывающего термическое воздействие. Результаты позволили расширить применение разрабатываемого в рамках диссертации лазера для применения при лечении сосудистых заболеваний в медицине, что подтверждено актом о внедрении результатов диссертации в научную деятельность.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей и тезисов конференции, из которых 8 в рецензируемых международных реферативных базах данных и системах цитирования.
Личный вклад автора. Диссертация является законченной научной работой, написанной лично автором. Личный вклад состоит в формировании цели исследования и определении задач, в поиске источников необходимой информации, выборе объектов и предметов исследования. Теоретические положения, рекомендации, выводы и практические результаты являются итогом самостоятельной интеллектуальной деятельности. Все случаи заимствования материала оформлены соответствующими ссылками.
Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично, либо при непосредственном участии в процессе научной деятельности. Все теоретические и практические положения диссертации докладывались на международных научно-практических и промышленных выставках и конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 145 страницах, содержит 77 рисунков, 20 таблиц, список использованной литературы, включающий 101 наименование.
Существующие на сегодняшний день лазерные излучатели
Рассмотрим существующие на сегодняшний день лазерные излучатели на иттербий-эрбиевом стекле, работающие в режиме модуляции добротности.
Можно выделить две геометрии системы накачки применяемой в таких лазерах: торцевая и боковая. При геометрии системы первого типа излучение источника накачки фокусируется с помощью формирующей оптической системы в торец активного элемента. Резонатор такого лазера состоит из двух зеркал с дихроичным покрытием; база резонатора обычно составляет 1050 мм. В таких лазерах применяются акустооптические, электрооптические и пассивные затворы. Лазер с такой системой накачки способен генерировать импульсы с энергией до сотен микроджоулей при длительностях меньше 10 нс, при этом частота следования импульсов может достигать единиц килогерц.
В работах [30; 31; 32] использовались выходные сферические зеркала с высоким коэффициентами отражения 99% и 95%, а радиусами кривизны поверхностей -25 и 50 мм соответственно. При этом на частоте следования 1 Гц возможно достичь энергий импульса порядка единиц миллиджоулей с длительностями импульсов 24-30 нс с применением затворов на эффекте полного внутреннего отражения, а также пассивных затворов. База резонатора при этом составляла 50 мм с различными выходными зеркалами (цилиндрическое и плоское) [33; 34; 28]. Основными недостатками лазеров построенных по схеме с торцевой накачкой являются незрелость технологии изготовления высокопрочных дихроичных зеркал, а также наличие сложной системы фокусировки излучения накачки в активный элемент. Рассмотрим более подробно работы описывающие лазеры на Yb:Er:стекле с поперечной системы накачки.
В системах с ламповой накачкой были получены энергии импульсов в режиме модуляции добротности до 30 мДж, но данные лазеры имеют два существенных недостатка – ограниченный срок службы ламп (до 50 000 вспышек) и низкую частоту следования импульсов (не более 1 Гц при непрерывной работе без циклов). Так, в работе Н. Воробьева и др. [35] накачка активного элемента размером 4х77 мм3 осуществлялась лампой с энергией 70 Дж. Модуляция добротности осуществлялась электрооптическим затвором, при этом база резонатора составляла 43 см, энергия в импульсе 1.2 мДж с длительностью 200 нс при частоте следования 1 Гц.
В работе А. Левошкина и др. [36] использовался затвор на эффекте полного внутреннего отражения, при этом была достигнута энергия 8 мДж. Лазер генерировал импульсы с длительностью 15 нс при частоте следования 1 Гц. Активный элемент из стекла KGSS-0135/1 размером 1.65х26 мм3, допированного ионами хрома, накачивался лампой с энергией 6 Дж. Концентрация ионов Yb3+ и Er3+ составляла 2х1021 см-3 и 1.8х1019 см-3 соответственно. База резонатора составляла 90 мм, при этом использовались плоское высокоотражающее зеркало и сферическое выходное зеркало с коэффициентом отражения 82% и радиусом кривизны поверхности 500 мм. В работе И.Л. Воробьева и др. [37] активный элемент размером 3х50 мм3 накачивался лампой ИНП-3/45 с энергией 18 Дж. База резонатора составляла 20 см, при этом использовались плоские зеркала. Коэффициент отражения выходного зеркала составлял 60%. В качестве модулятора добротности использовался электрооптический затвор. Выходная энергия в режиме модуляции добротности достигала 25-30 мДж.
В работах [38; 39] использовался НПВО затвор. Выходная энергия в режиме модуляции добротности достигала 15 мДж. Лазер генерировал импульсы с длительностью 50 нс при частоте следования 1 Гц. Активный элемент размером 2.5х35 мм3, допированный ионами хрома, накачивался лампой ИНП-2-3/35. Концентрация ионов Yb3+ и Er3+ составляла 2.3х1021 см-3 и 1.6х1019 см-3 соответственно. База резонатора составляла 100 мм, при этом использовались плоские зеркала. Коэффициент отражения выходного зеркала составлял 78% или 84%.
Постепенно мощные полупроводниковых линейки лазерных диодов, работающие на длине волны 940 нм, вытеснили импульсные Xe-лампы. По сравнению с лампами ЛДЛ имеют ряд преимуществ: узкополосный спектр излучения, попадающий в полосу поглощения Yb:Er стекла, способны работать с частотой следования импульсов до 20 Гц, при длительности импульса накачки может достигать 5 мс.
В работе Д.А. Бондаренко и др. [40] накачка активного элемента осуществлялась двумя лазерными диодными линейками ATC-Q70 с длинной волны излучения 940 нм мощностью 130 Вт и длительностью импульса 5 мс. Активный элемент представлял собой стержень 1.6х24 мм3 с концентрацией ионов Er3+ 3х1019 см-3. Активный элемент находился внутри сапфирного отражателя диаметром 3 мм (рисунок 1.9).
Был использован резонатор длиной 24 мм с плоским высокоотражающим зеркалом и сферическим выходным зеркалом с радиусом кривизны поверхности 500 мм, для обеспечения режима модуляции добротности применяли акустооптический затвор. Была получена энергия в импульсе 15 мДж с длительностью импульса 16 нс при частоте следования 5 Гц. Диаметр пучка на выходе составлял 1 мм с расходимостью 2 мрад. Габариты лазерного излучателя составляли 62х56х25 мм3.
В работе А. Ю. Абазадзе и др. [41] накачка активного элемента из стекла ЛГС-ХК в виде стержня 2.5х10 мм3 с концентрациями ионов Yb3+ 2х1021 см-3 и Er3+ 1.6х1019 см-3 осуществлялась лазерными диодными линейками фирмы «Полюс» с мощность 80 Вт и длительностью импульса 4.5 мс. Была получена энергия 3 мДж с длительностью импульса 35 нс при частоте следования импульсов 0.5 Гц с помощью затвора на эффекте нарушенного полного отражения. При этом база резонатора составляла 50 мм с плоским выходным зеркалом с коэффициентом отражения 89% и высокоотражающим сферическим зеркалом с радиусом кривизны поверхности 814 мм. Диаметр пучка лазерного излучения составлял 0.6 мм с расходимостью 4 мрад.
В работе Л. О. Бышевской-Конопко и др. [42] активный элемент представлял собой стержень 2.2х22 мм3 с концентрацией ионов Er3+ 1.6х1019 см-3. Накачка осуществлялась лазерной диодной линейкой с энергией излучения 550 мДж. Схема накачки и расположения элементов представлена на рисунке 1.10.
База резонатора составляла 90 мм с выходным зеркалом с коэффициентом отражения 83%. Модуляция добротности осуществлялась затвором на эффекте полного внутреннего отражения, при этом была достигнута длительность импульса 31.2 нс и энергией 10 мДж при частоте следования 10 Гц.
В работе Т. Yanagisawa и др. [43] излучение коллимировалось в активный элемент который представлял собой стержень размером 1.7х1.7х10 мм3 с концентрациями ионов Yb3+ 1.5х1021 см-3 и Er3+ 6х1019 см-3 с помощью призм как показано на рисунке 1.11. Накачка осуществлялась лазерными диодами с длиной волны излучения 975 нм с четырех сторон мощностью 1.2 кВт и длительностью 0.5 мс.
Расчет и оптимизация параметров системы накачки
Моделирование системы накачки проводилось для системы односторонней диодной накачки с круглой геометрией отражателя, где переменными параметрами выступали Dотр – диаметр отражателя, dАЭ – диаметр активного элемента, din – ширина щели, Lin – расстояние от излучающей поверхности до щели в отражателе, схематичное изображение поперечного сечения которой приведено на рисунке 2.3(а).
Расчеты проводились в двумерном приближении, при этом предполагалась однородность характеристик излучения и активной среды вдоль длинной стороны излучающей площадки линейки, то есть вдоль оси АЭ. В плоскости быстрой координаты ЛДЛ угловое распределение повторяло экспериментально измеренное распределение излучения линейки. Излучение в расчетах считалось поляризованным в плоскости медленной координаты ЛДЛ.
Расчет производился по методу Монте-Карло, основанного на разбиении АЭ на сетку элементов. Вид хода распространения лучей, использованного в модели, представлен на рисунке 2.3 (б). В каждом элементе оценивалась суммарная поглощенная мощность излучения накачки. Поскольку при проведении расчета использовался АЭ с концентрацией ионов Yb3+ 31021 см-3, то уже после второго прохода наблюдалось значительное падение интенсивности излучения накачки за счет поглощения, поэтому при расчете учитывались два прохода излучения накачки.
При расчете хода лучей в отражателе учитывались потери на поглощение в АЭ, потери на внешнем отражающем покрытии и потери на входе в щелевую диафрагму. Влияние прочих источников потерь считались несущественным и не учитывалось.
Эффективность накачки считалась равной энергетической эффективности поглощения излучения накачки АЭ rjотр (энергетическая эффективность отражателя) и рассчитывалась на основе выражения:
Методика расчета системы накачки включала в себя два основных этапа:
Расчет распространения излучения диодной линейки в объеме отражателя с определением пространственного распределения поглощенной энергии накачки в активном элементе.
Расчет изменения во времени пространственного распределения коэффициента усиления активного элемента.
В рамках параметров излучения линейки и активного элемента можно пренебречь эффектами насыщения поглощения и проводить данные два расчета последовательно, то есть рассчитать сначала пространственное распределение поглощаемой мощности накачки активной средой и затем, основываясь на этих данных, вычислить пространственно-временное изменение коэффициента усиления в сечении АЭ. При этом можно предполагать, что в пределах импульса накачки мощность излучения линейки остается постоянной.
Как показано на рисунке 2.3 в отражателе есть щелевая диафрагма для ввода излучения, параметры которой влияют на КПД системы накачки. На рисунке 2.4 представлена зависимость эффективности системы накачки от параметров щелевой диафрагмы. Результаты получены при расчете отражателя с радиусом rотр=3 мм и расстоянием между линейкой и входной гранью трубки Lin=0.4 мм.
Из приведённых данных видно, что оптимальной можно считать ширину щели 0.4-0.6 мм. Увеличение зазора приводит к увеличению потерь излучения через щелевую диафрагму.
На рисунке 2.5 представлены распределения плотности поглощенной в объеме АЭ мощности энергии накачки W(x,y) , полученные для различных радиусов трубки отражателя. Расчеты были проведены для случая температуры диодной линейки равной 25оС. Суммарная мощность излучения лазерных диодных линеек бралась 240 Вт. Ширина щелевой диафрагмы на внешнем отражающем покрытии была 0.6 мм, а расстояние излучающей поверхности лазерной диодной линейки до осветителя 0.4 мм.
Эффективность системы накачки, оцененная по уравнению 2.10, при увеличении радиуса светоотражателя падает: а – 60%; б – 52%; в – 45%, однако наблюдается рост однородности распределения поглощенной мощности накачки, что согласно работам [46; 75; 78; 79; 80; 81] сказывается на общей эффективности системы накачки.
Как видно из рисунка 2.5 увеличение радиуса отражателя приводит к снижению его энергетической эффективности. Однако наблюдается повышение однородности распределения поглощённой в объеме АЭ мощности накачки. В таком случае, при отсутствии в резонаторе элементов с нелинейным поглощением, будет наблюдать линейный рост поглощенной энергии во времени без изменения пространственного распределения. Уменьшение площади сечения осветителя приводит к росту эффективности отражателя, то есть с точки зрения эффективности системы накачки целесообразно использовать осветитель с меньшим диаметром, но это приводит к неоднородности прокачки АЭ. На практике, использование отражателя с внешним диаметром 4 мм, с учетом геометрических размеров АЭ, является предельным случаем, поскольку толщина стенки осветителя при этом составляет 500 мкм. Энергетическая эффективность такого отражателя составляет 60%, что уступает системам, накачка в которых осуществляется с нескольких сторон, в связи с чем был проведен поиск эффективного светоотражателя сложной формы, позволяющего приблизиться к эффективности систем с накачкой с нескольких сторон.
Для повышения эффективности системы накачки было проведено моделирование систем накачки сложной формы, отличной от цилиндра с симметричным расположением АЭ в отверстии по центру: отражатели в виде прямоугольного параллелепипеда и параллелепипеда со скошенными фасками. Примеры результатов расчета для трех вариантов сечения осветителя сложной формы приведены на рисунке 2.6.
При оптимальном расположении диодной линейки относительно отражателя 0.4-1.0 мм и размеров щели 0.2-1.0 мм КПД отражателя больше на 5% для прямоугольного отражателя и на 10-15% для прямоугольника с фасками. При этом для отражателя с фасками КПД системы накачки практически не зависит от формы сечения отражателя и определяется в основном соотношением площадей сечений АЭ и отражателя. Форма сечения отражателя влияет главным образом на однородность поглощения накачки в АЭ. На рисунке 2.6 всем вариантам отражателей не круглой формы соответствует КПД 65-71%. С точки зрения соотношения однородности прокачки и КПД выбран отражатель, позволяющий достигнуть близкий к максимальному КПД системы накачки, для такой геометрии, - 71%. Как видно из рисунка, уменьшение площади сечения отражателя при сохранении диаметра АЭ приводит к росту КПД на 4%, однако, в этом случае возрастает неоднородность поглощенной энергии накачки по поперечному сечению активного элемента.
За оптимальную геометрию был принят отражатель с габаритами 3.6х5 мм для диаметра активного элемента 2 мм. Поперечное сечение системы накачки с отражателем оптимальной формы представлено на рисунке 2.7. Для случая с оптимальным отражателем был проведен расчет пространственного профиля усиления активной среды на основе системы кинетических балансных уравнений (2.1), в которой величина плотности мощности накачки уровня 2F5/2 ионов Yb3+ задавалась на основе рассчитанных распределений W(x,y,z,t) [82; 83]. Где g(x,y,z,t) – интегральное однопроходовое усиление в каждой точке АЭ в момент времени t, kg – слабосигнальный коэффициент усиления, аE r и вE r вынужденное сечение поглощения и излучения ионов эрбия, N0Er – концентрация ионов Er3+, NE2 r – концентрация ионов эрбия в возбужденном состоянии. Результаты расчетов приведены на рисунке 2.8(а). На рисунке 2.8(б) приведены зависимости коэффициента усиления слабого сигнала от времени при различном уровне поглощаемой активной средой мощности накачки Рнак. Значения Рнак, используемые в численном примере, примерно соответствуют величинам, которые реализуются в рассматриваемой геометрии накачки (см. рис. 2.7). Как видно из рисунка 2.8, к пятой миллисекунде с момента начала импульса накачки пространственная структура усиления активной среды становится однородной.
Коэффициент усиления слабого сигнала к этому моменту достигает максимального значения равного 0.187 см-1. Дальнейшее излучение импульса накачки приводит лишь к нагреву активной среды. Как видно из представленных данных, оптимальная длительность импульса накачки при мощности излучения линейки 240 Вт с точки зрения равномерности наведения в АЭ коэффициента усиления должна составлять5 мс. Таким образом, при полном обходе по резонатору полный прирост мощности слабого сигнала будет составлять 19%.
Технические характеристики разработанного лазерного излучателя
Разработанный лазерный излучатель на Yb:Er стекле с боковой диодной накачкой, работающий в режиме активной модуляции добротности осуществляемой с помощью акустооптического затвора нового поколения работает в широком температурном диапазоне –40 до +60С. Технические характеристики разработанного лазера представлены в таблице 2.10.
Сравним характеристики разработанного лазера с характеристиками излучателей в существующих импульсных дальномерах, которые представлены в таблице 2.11.
Разработанный лазерный излучатель не уступает по техническим характеристикам мировым аналогам и имеет энергию большую, чем у аналогов представленных в таблице 2.11. Исходя из данных приведенных в таблице 2.12 уменьшение энергии на 20-30% позволяет обеспечивать дальность обнаружения цели порядка 40 км при применении приемных систем нового поколения как в лазере ELEM10K [58]. Разработанный излучатель имеет возможность работы на частоте следования 10 Гц с энергией в импульсе 12 мДж и имеет компактные габариты.
На основании моделирования распределения плотности поглощённой накачки сделан вывод о необходимости использования светоотражателя шестигранной формы. Полученная зависимость эффективности поглощения от различных геометрических параметров системы накачки позволила разработать схему системы накачки, обладающую наибольшей энергетической эффективностью равной 71%. На основании системы уравнений (2.11) и результатов моделирования распределения поглощенного излучения накачки исследована динамика пространственного распределения профиля усиления активной среды от времени накачки. Сделан вывод о том, что с точки зрения равномерности наведения коэффициента усиления длительность импульса накачки должна составлять 5 мс.
Проведено экспериментальное исследование световых характеристик диодных источников накачки отечественного производства. Определен КПД, который для ЛДЛ, используемой в разработке 12 мДж лазера составляет 42%. Оценен уровень тепловыделения при мощности накачки, необходимой для достижения необходимого уровня выходной энергии, который составляет 16.5 Вт при частоте следования импульсов 10 Гц.
Разработан лазер с активным элементом из Yb:Er:стекла с боковой диодной накачкой и модуляцией добротности малогабаритным акустооптическим затвором на кристаллическом кварце. Использование акустооптического затвора, работающего в условиях, соответствующих генерации серии импульсов, позволяет добиться эффективности преобразования от свободной генерации к моноимпульсу до 70% при условии генерации одного импульса – 60 %. Разработанный лазерный излучатель продемонстрировал стабильную работу в температурном диапазоне от -40 до +60С с возможностью непрерывной работы с частотой следования импульсов от 1 до 10 Гц. При этом выходная энергия составила 12 мДж при длительности импульса 25 нс. Разработана формирующая оптическая система, применение которой обеспечивает расходимость лазерного излучения 1 мрад.
Данные характеристики лазера, с учетом его компактных габаритов (1508050мм3), позволяют утверждать о том, что разработанное устройство по совокупности таких параметров, как массогабаритные характеристики, устойчивость работы в температурном диапазоне от -40 до +60С, простоте и эргономичности конструкции отвечает современным требованиям для его применения в импульсной лазерной дальнометрии в безопасном для глаз диапазоне длин волн и превосходит мировые аналоги.
Технические характеристики разработанного лазера 8 мДж
Разработанный лазерный излучатель стабильно работает в широком температурном диапазоне от -40 до +60С с частотой следования импульсов от 1 до 5 Гц с выходной энергией 8 мДж, длительностью импульса не более 20 нс и расходимостью излучения не более 1 мрад после формирующей оптической системы. Технические характеристики разработанного лазера представлены в таблице 3.7.
Такие характеристики лазера с учетом его компактной реализации в габаритах 1103030 мм3 позволяют говорить о том, что разработанное устройство отвечает современным требованиям для его применения в импульсной лазерной дальнометрии в безопасном для глаз диапазоне длин волн. Внешний вид разработанного экспериментального образца с формирующей оптической системой представлен на рисунке 3.22.
Далее была проведена оценка дальности обнаружения объекта для применения разработанного лазера на Yb:Er стекле с боковой диодной накачкой, работающего в режиме активной модуляции добротности в системах импульсной дальнометрии.
Максимальная дальность обнаружения объекта зависит от энергии импульса лазерного излучения и может быть описана следующим выражением [101]: где Епр – минимальная энергия регистрируемая фотоприемником; 1и 2 – коэффициенты пропускания передающей и приемной оптических систем дальномера; dпр – диаметр объектива приемника; – коэффициент потерь в атмосфере; =Eц/E0 – коэффициент, который определяется как отношение энергии излучения Eц, попадающей на цель, к полной энергии пучка E0 излучения на мишени [101].
Коэффициент потерь, возникающих в атмосфере , рассчитывается по формуле [101]: =п+м+р, (3.10) где п – коэффициент потерь на поглощение в атмосфере; м– молекулярное рассеяние; р – аэрозольное рассеяние.
Лазерное излучение разработанного устройства попадает в «окно прозрачности» атмосферы, следовательно, значение поглощения пренебрежимо мало. Коэффициент потерь, который обусловлен молекулярным рассеянием, вычисляется по формуле [101]: где г – длина волны лазерного излучения,м – показатель молекулярного рассеяния для длины волны 550 нм равный 0.0116 км-1.
Для определения коэффициента аэрозольного рассеяния использована следующая формула [101]: гдеVm – метеорологическая дальность видимости, q – параметр, зависящий от метеорологической дальности видимости: при Vm не более 10 км, q=0.585 Vm1/3, при Vm более 10км, q=1.3.
При выполнении расчета были прияты следующие допущения: пучок лазерного излучения, измеряемый на максимально дальности, полностью находится в поле зрения приемного оптического тракта дальномера; размер диаметра пучка лазерного излучения на цели больше размера отражающей поверхности мишени, то есть =1; для диффузно-отражающей цели коэффициент отражения =0.5. Исходные данные для расчета дальности приведены в таблице 3.8.
Расчет был произведен с помощью программного обеспечения Wolfram Mathematica. На рисунке 3.23 приведена зависимость требуемой энергии в импульсе необходимой для обнаружения объекта на различных расстояниях при метеорологической видимости 7, 10, 15, 20 км.
Разработанный компактный лазерный излучатель с активной модуляцией добротности и боковой диодной накачкой обеспечивает 400 кВт пиковой мощности излучения при длительности импульса 20 нс и энергии импульса 8 мДж. Данный лазерный излучатель работает в широком температурном диапазоне с частотой следования импульсов 5 Гц и расходимостью лазерного излучения 1 мрад и обеспечивает дальность обнаружения цели порядка 19.5 км при метеорологической дальности видимости 20 км. Как видно из рисунка 3.16 при энергии лазерного излучения 12 мДж значение максимальной дальности превышает ее значение для восьми миллиджоульного лазера лишь на 1.3 км, при увеличении габаритов устройства в 4.4 раза. Следовательно, разработанный миниатюрный лазер на Yb:Er:стекле обладает совокупностью оптимальных характеристик удовлетворяющих требованиям импульсной дальнометрии и не уступающих мировым аналогам.