Введение к работе
Актуальность. В связи с необходимостью решения проблем, связанных с транспортировкой лазерного излучения (дальняя связь, передача' энергии на расстояние) - актуальной становится задача повышения энергетической сиди излучения I (Вт/ср) имлульсно - периодических. (ИИ) С0я- лазеров.
Известно, что злектроконизащіоїшію С02- лазеры (ЭМЛ) атмосферного давления в случав резонаторов с больяим числом Френеля II но обеспечивают дифракционную расходимость излучения при длительностях импульса tfI3r| > 10 мкс. Основной причиной этого в моноимпульсном рекнке является самовоздействие кзлучєшія' в активной среде (АС), которое ігри рассматриваемых длительностях импульса имеет тепловой характер и приводит к возникновению мелкомасштабных' оптических неоднородюстой.
Кроме того, в кмпульсно-перкодичееком рекіше возникают динамические оптические неоднородности, связанные с наличием периодического онорговмделешш в потоке газа. Особенно сильно эти эффекта проявляются при использовании резонаторов.
Как- правило, значительного повышения направленности излучения можно добиться ' переходом к "' схеме "задающий геиератор-усилитель" (ЗГ-У), использование которой в со -лазерах с длительностью-импульса излучения s 1 мкс позволило приблизиться з мопоимпульсном режиме к дифракционной расходимости при энергии излучения ~ 1 кДк. Однако и в этом случае, в квазистационарном режиме самовоздействие приводит к появлению существенных мелкоf мзслтабннх неоднородности^ в со, ЭИ усилителе у ко через ~ 8 мкс.
ЗГ должен обладать'двумя, вообще говоря, взаимоисключающими свойствами: высокой выходной модностью для обеспечения (максимальной энергетической эффективности У и расходимостью близкой к дифракционной. При наличии системы согласования ЗГ и У с пространственной фильтрацией основним требованием к ЗГ является максимальная яркость в (Д:к/(см2-ср)). Использование для этих целей резонаторов с нл » 1 в силу изложенных ранее причин неперспективно. Представляется . целесообразным использовать в качестве ЗГ резонаторы с'П з 1, обладающие наибольшей яркостью, например, самофидьтруздий неустойчивый резонатор (ОЮР)." Кроме того, при w —» 1 увеличивается коэффициент пропускания пространственного
фильтра при 'Дифракционном качестве излучения на выходе , и ' чаи ' самым снижается лучевая нагрузка на его конструктивные элементы.
При .этом если ЗГ не обеспечивает, входную:' интенсивность на уровне параметра насыщения,' то для повышения' .эффективности' усилителя необходимо использование многопроходных схем. -
Целью данной диссертационной работы является получение".'
максимальной энергетической силы излучения в двухкаскаднрй лазер
ной установке на основе МП со2- ЗИЛ с замкнутым газодинамическим
контуром, длительностью импульса 1изл = .30 икс и частотой следо
вания импульсов до юо Гц.' ''-.''"".'
Решение поставленной задачи можно разделить, на три этапа. ;.
На первом этапе выбирается оптимальная конфигурация задающо- . го генератора, обладающая "высокой стабильностью, ' максимальной яркостью и требуемой длительностью импульса. .'.. .;-;.
На втором этапе выбирается оптическая схема ЗГ-У, позволяющая в моноимпульсном режиме"при достаточно большом КПД- усилителя; уменьшить вклад теплового -самовоздейстшя. в активной '-„среде "и' , получить излучение с расходимостью близкой к дифракционной.'"-. '.;. .
Ка третьем этапе в импульсно-периодическом-режиме проводится'": оптимизация параметров'системы ЗГ-У:с целью получения максималь-., ной энергетической сипы излучения.;',.:,"-,'/;;.:
Методы исследований. . Расходимость излучения регистрирова
лась в фокальной плоскости измерительной схемы двумя способами: с
чюмощыо проволочного'болометрического измерителя "(по .уровню 0.,5
энергии) и в моноимпульсном режиме 'методом калиброванных диафрагм
(по уровням 0,5 И 0,8 Е). . ... ;
Энергия излучения измерялась : с. помощью проволочных болометров проходного типа (ПРБ), калориметрами. ЛТШ-2М, а форма импульса --фотоприемниками.
Фотографии отпечатков -излучения ' сог-лазера были . получены./
методом сенсибилизации фотоэмульсии, а также: -.с-- помощью термо
бумаги. - .".-,''- ':'-''''*'.'.;". " .'."'
. Научная новизна. В диссертации; "представлены , следующие научные результаты, являющиеся новыми:" -'-
1. Впервые наблюдался эффект полной модуляции интенсивности
излучения-самофильтрующего неустойчивого резонатора в активной среде с " развитым самовоздействием. Представлена теоретическая модель данного' явления. '
2. Впервые, система ЗГ-У на основе С02- ЗИЛ в моноимпульсном
режиме позволила получить излучение с расходимостью примерно в
2-2,5 раза превышающей дифракционную при длительности импульса
~ ЗО їдке и выходной энергии до з кДн. При этом вплоть до 1,5 кДж
(длина АС усилителя ~ ю м, энергевклад ~ 100 Дк/л) самовоздейст-
вие излучоїшя в активной среде усилителя не было обнаружено, что
обеспечивалось высоким качеством излучения на входе в усилитель (ко более 2-х дифракционных пределов).
3. Впервые с помощью ишульсно-периодаческого С02- ЗИЛ полу
чена энергетическая сила излучения 1 тераватт на стерадиан при
выходной мощности г* 90 кВт, расходимости 4'дифракционных угла и
апертуре 20 см. . .
4. Впервые экспериментально обнаружен максимум энерге
тической силы излучения і""1"" системы ЗГ-У на основе импульсно-
периодического сог- ЗИЛ, связанный с ухудшением оптического
качества активной среды при росте мощности накачки в усилителе.
Приведена двухмасштабная феноменологическая модель, иллюстри
рующая данное явление и позволяющая проводить оптимизацию пара
метров усилителя для достижения . максимума энергетической .силі
излучения. '."'.
Практическая ценность работы заключается в разработке принципов построения двухкаскадной лазерной установки с мощностью излучения ~ 90 кВт и энергетической силой света на уровне тераватт на стерадиан. Разработанная система могсет применяться при решении задач, связанных с транспортировкой лазерного излучения: дальняя связь, передача энергии на расстояние.
- Реализация и внедрение результатов. Основные результаты диссертационной работы получены в рамках одной из основных тем и используются в разработках предприятия.
Агшробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены автором и обсуждены:
- на Щ Всесоюзной конференции по взаимодействию излучения, плазменных и электронных потоков с веществом (Сухуми, 1988);
на VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1990).
Публикации. Основные результаты работы изложены в 5 статьях, 2 опубликованных тезисах,докладов, и в 2 авторских свидетельствах на изобретение - всего 9.работ.
Структура и 'объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, 4 глав, заключения, изложена на 6 з страни-дах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 1 таблицу и список литературы из. 77 наименований - всего 100 страниц.
На защиту выносятся: .
-
Результаты экспериментального исследования .процесса генерации излучения импульсно-периодического сог- ЗИЛ с самофильт-рующим неустойчивым резонатором с длительностью импульса ~ зо икс и оптимизация его для использования в качестве задающего генератора схемы ЗГ-У. Теоретическая модель эффекта полной модуляции интенсивности излучения самофильтрукщего неустойчивого резонатора в активной среде с развитым самовоздействием.
-
Результаты экспериментального исследования и оптимизация параметров системы ЗГ-У на основе импульсно-периодического СОг-ЭИЛ с мощностью излучения 90 кВт, длительностью импульса - 30 МКС и частотой следования импульсов до 1оо Гц с целью достижения -максимальной энергетической силы света. Двухмасштабная феноменологическая модель, иллюстрирующая наличие максимума энергетической силы света.
