Введение к работе
Актуальность темы. Развитие лазерной техники и технологии является одним из важных направлений научно-технического прогресса на современном этапе. Для широкого практического применения необходимы достаточно компактные, но в то же время сравнительно мощные лазеры. Наиболее перспективным и удовлетворяющим указанным требованиям является использование лазеров с активной средой кольцевого сечения -лазеров коаксиальной конструкции. Повышение энергии в коаксиальных лазерах достигается путем увеличения поперечных размеров резонатора (и активной среды) при сохранении продольных габаритов. В настоящее время коаксиальные лазеры используются в малогабаритных дальномерах и локаторах, мобильных лидарных комплексах, в технологических и медицинских установках, где к габаритам и удельной мощности предъявляются достаточно жесткие требования..Значительные преимущества в этом отношении может обеспечить наличие выходного излучения кольцевого сечения.
Для того, чтсбы z глибольшей степени использовать дг,стсп;;ства кольцевой активной среды оптический резонатор, должен удовлетворять основным требованиям:
-
Обладать высоким КПД за счет эффективного согласования внут-рирезонаторного поля с большим объемом лазерно-активной среды в коаксиальной камере;
-
Обеспечить требуемые пространственные характеристики выходного излучения;
-
Обеспечить приемлемые тепловые режимы работы элементов оптического резонатора, а также его термическую и механическую стабильность.
В диссертационной работе исследовался резонатор типа плос-кость-асферика. предназначенный для использования в лазерах с активным объемом кольцевого сечения ( А. с. N1061670 авторы Орлов Б. В.. Польский Ю.Е.).
Анализ опубликованных работ по исследованию различных схем резонаторов, применяемых в лазерах с активной средой кольцевого сечения показал, что в настоящее время они достаточно активно изучаются как экспериментально, так и теоретически. Однако чрезвычайная сложность происходящих при этом процессов существенно ограничивает возможность аналитических подходов, а изготовление самих лазеров и обо-
- г -
рудования для их детального экспериментального исследования требует значительных затрат. Поэтому разработка таких резонаторов нецелесообразна без-моделирования, так как информация, полученная с помощью численных расчетов позволяет понять физические явления, происходящие в резонаторе и заменить натурные эксперименты более дешевыми машинными.
В ряде задач практического применения, например, при оценке изменения параметров резонаторов, возникающих в процессе изготовления и эксплуатации необходима инженерная методика расчета резонаторов коаксиальных лазеров на основе трехмерной модели. Данная диссертационная работа посвящена решению этой задачи.
Полученные в результате выполнения работы данные дают возможность принимать решения о целесообразности разработки и применения таких резонатор без изготовления опытных образцов и проведения дорогостоящих экспериментов. С учетом указанных обстоятельств актуальность данной диссертационной работы очевидна.
Цель работы. Математическое моделирование асферического резонатора для получения требуемых характеристик поля и разработке на его основе методики расчета резонаторов коаксиальных лазеров.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
-
Определением основных характеристик резонатора на основе плоской модели с учетом влияния тепловой линзы, создаваемой активной средой и влияния разьюстировок зеркал резонатора.
-
Разработкой приближенной трехмерной модели для анализа асферического резонатора и исследованием влияния различных конструктивных параметров резонаторов на характеристики выходного излучения лазера на базе предложенной модели.
-
Проведением сопоставительного анализа результатов численного моделирования и экспериментальных исследований. Разработкой инженерной методики расчета резонаторов коаксиальных лазеров.
Методы исследования. К основным методам, используемым при выполнении диссертационной работы относятся методы теории резонаторов, методы лучевых матриц, метод интегральных уравнений, методы численного моделирования, численные методы.
Научная новизна исследований представлена следующими результатами:
1. Разработана приближенная трехмерная модель для анализа асферического резонатора и исследовано влияние различных конструктивных
параметров резонаторов на характеристики выходного излучения лазера на базе предложенной модели.
2.'Разработана трехмерная модель, позволяющая учесть деформации плоского зеркала (малая конусность).
-
На базе двумерной модели коаксиального резонатора проведен анализ модовой структуры поля, позволяющий определить зависимость дифракционных потерь от величины угла разъюстировки зеркал.
-
Проведен анализ влияния разъюстировок зеркал на пространственные характеристики лучевых потоков в "короткофокусной" области устойчивости резонатора.
-
Получены расчетные соотношения, позволяющие определять параметры тепловой линзы, создаваемой активной средой для коаксиальной разрядкой камеры.
Достоверность результатов работы подтверждена сравнением теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными авторами ранее выполненых работ и детальным сопоставлением полученных результатов с работами других авторов.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
-
Предложена приближенная методика, позволяющая выбрать конструктивные параметры резонатора для лазеров с активной средой кольцевого сечения, обеспечивающая получение заданных характеристик выходного излучения.
-
В рамках трехмерной модели, предложенной в настоящей работе, получена возможность теоретически определять области существования многоходовых мод и конструктивные параметры резонаторов для данных мод-
-
Проведенные исследования позволяют осуществить выбор радиуса кривизны асферического зеркала, обеспечивающего максимальное заполнение рабочего промежутка разрядной камеры, а также оценить технологические отклонения, возникающие при изготовлении асферических зеркал коаксиальных лазеров.
-
Результаты теоретического анализа позволяют осуществить выбор величины рабочего зазора разрядной камеры для согласования электромагнитного поля резонатора с рабочим объемом активной среды.
-
Оценено влияние разъюстировок зеркал на пространственные характеристики лучевых потоков для различных областей устойчивости резонатора.
-
Даны рекомендации, позволяющие учесть влияние тепловой лин-
зы, создаваемой активной средой, при выборе конфигурации резонаторов коаксиальных лазеров.
7. Результаты исследований обобщены в виде характерных зависимостей в инженерной методике, использование которой упрощает процесс предварительной оценки для расчетов параметров создаваемого лазера.
Реализация результатов работы. Полученные в дисертаиии результаты внедрены в научные разработки Государственного института прикладной оптики г. Казань, в учебный процесс кафедры Радиоэлектронных и квантовых устройств КГТУ им.А.Н.Туполева при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "Применение лазеров в науке и технике, Ленинград, 1980 г.; на П-м Межреспубликанском симпозиуме "Оптика атмосферы и океана". Томск, 1995 г.; на lll-и Межреспубликанском симпозиуме "Оптика атмосферы и океана", Томск, 1996 г.; на IV-м Межреспубликанском симпозиуме "Оптика атмосферы и океана", Томск, 1997 г.; на научно-технических пинференциях Казанского государственного технического университета (КАИ) за 1976-1984 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ; написано 3 отчета по НИР.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, содержит 72 рисунка и 6 таблиц.
