- •Аннотация
- •The summary
- •1. Введение. Технико-экономическое обоснование темы.
- •2. Аналитический обзор оптических схем накачки диодными матрицами твердотельных лазеров, работающих на длине волны 1064 нм.
- •2.1 Схемы накачки активных элементов
- •2.2 Схемы поперечной накачки
- •2.3. Схемы накачки цилиндрических элементов
- •2.4. Схемы с прямым вводом излучения накачки
- •2.5. Схемы с оптическими системами подвода излучения накачки
- •2.6. Схемы накачки прямоугольных элементов.
- •2.7. Схемы с зигзагообразным распространением лазерного излучения
- •2.8. Схемы со скользящим падением лазерного излучения.
- •2.9 Схемы с квазипродольной накачкой.
- •2.10 Другие схемы накачки «слэб» элементов.
- •2.11 Итог аналитического обзора.
- •3. Разработка оптической и струкутурно – функциональной схемы установки.
- •3.1. Методика расчета генератора твердотельного лазера с накачкой диодными матрицами.
- •3.1.1. Расчет накачки.
- •3.1.2. Расчет усиления в резонаторе.
- •3.2 Разработка оптической схемы накачки лазерного генератора: продольный и поперечный варианты накачки.
- •3.2.1. Продольная накачка.
- •3.2.2. Поперечная накачка.
- •3.3. Структурно-функциональная схема установки.
- •3.4. Тепловой расчет лазерного генератора.
- •3.4.1 Тепловой расчет лазерного генератора при частоте следования импульсов 1000 Гц.
- •3.4.2 Тепловой расчет лазерного генератора при частоте следования импульсов 8 Гц
- •3.5. Разработка конструкции охлаждаемого элемента.
- •4.1. Расчет импульсной и средней мощности генерации при поперечной накачке.
- •4.1.1. Обоснование выбора выходного зеркала.
- •4.2. Расчет импульсной и средней мощности генерации при продольной накачке.
- •4.3. Выводы и основные результаты расчета
- •4.4. Оценка влияния температуры диодных матриц накачки на выходные характеристики лазерного генератора.
- •5. Экспериментальная часть.
- •5.1 Разработка эскизного варианта конструкции лазерного генератора.
- •5.2. Экспериментальное определение выходных характеристик лазерного генератора при частоте импульсов генерации 8 Гц.
- •5.2.1. Зависимость средней и импульсной мощности от температуры диодных матриц.
- •5.2.2. Зависимость средней мощности от частоты повторения импульсов накачки.
- •5.2.3. Определение расходимости лазерного пучка.
- •5.2.4. Определение длительности импульса генерации.
- •5.2.5. Выводы из экспериментальной части.
- •6. Экономическая часть.
- •Фонд оплаты труда составит:
- •Отчисления на социальные нужды
- •Амортизационные отчисления
- •Прочие расходы
- •Итоговая таблица
- •Расчет цены нир
- •Выводы по экономической эффективности.
- •7. Безопасность и экологичность проекта. Введение.
- •Анализ условий труда на рабочем месте инженера электронщика.
- •1. Опасность поражения электрическим током
- •2. Уровень шума
- •3. Обеспечение пожарной безопасности при эксплуатации проектируемого объекта
- •4. Оптимизация зрительных условий труда на рабочем месте.
- •5. Психофизиологические факторы, включающие в себя непрерывность и монотонность выполняемой работы
- •6. Нормализация микроклимата в помещении при работе оборудования.
- •7. Защита от лазерных излучений при эксплуатации проектируемого устройства.
- •Защита от лазерных излучений при эксплуатации проектируемого устройства
- •1. Нормативно – организационные требования.
- •2. Условия размещения лазеров в помещениях.
- •3. Общие требования к помещениям с лазерами.
- •4. Нормативно – технические требования.
- •5. Защитные очки
- •Экологичность.
- •8. Заключение.
- •9. Библиографический список.
2. Аналитический обзор оптических схем накачки диодными матрицами твердотельных лазеров, работающих на длине волны 1064 нм.
Излучением с длиной волны 1064 нм обладают кристаллы АИГ-Nd, а так же неодимовые стёкла. Неодимовые стёкла обычно изготавливаются из кварцевого стекла с введением в него примеси неодима. Такие кристаллы более просты и дешевы в изготовлении, чем кристаллы АИГ-Nd, но обладают рядом отрицательных отличий таких как:
- меньшая температурная прочность (температура стеклования стекла 450-470 оС в отличие от температуры плавления АИГ-Nd 1910-1950 оС);
- меньшая физическая прочность;
- меньшая энергетическая инверсность ввиду меньшего времени жизни ионов 3-го метастабильного уровня и, как следствие, более низкий КПД.
Такие кристаллы, как правило, накачивают с помощью импульсных ламп или лазерных диодов, а не высокомощными диодными матрицами, поэтому рассмотрим варианты схем оптической накачки кристаллов АИГ-Nd.
2.1 Схемы накачки активных элементов
Существует два основных способа полупроводниковой накачки активной среды - продольная и поперечная накачка. К первому способу относятся схемы накачки ТТЛ, в которых излучение накачки вводится в активный элемент вдоль его оптической оси (направления распространения генерируемого излучения) или под небольшим углом к ней. Такая схема накачки позволяет создать ТТЛ с высоким КПД и обеспечить генерацию одномодового лазерного излучения и хорошую стабилизацию выходных параметров. Это связано с хорошим согласованием накачиваемого объема активного элемента и объема генерируемой моды, малой длиной резонатора и малым числом юстируемых элементов. Однако схема продольной накачки не позволяет накачать большой объем активной среды. Для этого используется специальная оптика и элементы для ввода излучения, что увеличивает стоимость устройств накачки и приводит к уменьшению эффективности. Кроме того, большую лучевую и тепловую нагрузку испытывает приторцевая область, через которую излучение накачки вводится в активный элемент. С учетом сказанного выше ТТЛ с продольной накачкой являются наиболее предпочтительными в качестве задающих генераторов и источников излучения со средними мощностями в единицы - десятки ватт.
Со времени появления полупроводниковых источников накачки схемы поперечной накачки находят наибольшее применение в конструкциях ТТЛ, особенно в ТТЛ со средней и высокой мощностями. В схемах поперечной накачки излучение вводится в активный элемент через его образующую (боковую поверхность), что позволяет осуществлять накачку всего объема активной среды без использования сложных систем подвода излучения. Это обеспечивает простое и эффективное масштабирование выходной мощности ТТЛ, а также позволяет реализовать равномерное по объему активного элемента поглощение излучения накачки, что существенно уменьшает тепловую нагрузку на него. В данном обзоре рассматриваются квантроны с поперечной накачкой, для которых информация представлена наиболее полно.
2.2 Схемы поперечной накачки
В первую очередь стоит отметить, что конструкция квантрона с поперечной накачкой определяется главным образом подходом к реализации схемы накачки активного элемента. Существуют два подхода - накачка с малым числом проходов и многопроходная накачка, определяемые числом проходов излучения накачки через сечение активного элемента. В большинстве конструкций используется малое число проходов, причем большая часть излучения накачки поглощается преимущественно на первом проходе через активный элемент. Выбором геометрических размеров элементов квантрона, концентрации активатора активного элемента и параметров излучения накачки удается обеспечить формирование требуемого распределения инверсной населенности по сечению. В некоторых случаях используется многопроходное распространение излучения накачки при небольшом поглощении излучения за один проход. Это позволяет повысить однородность распределения по сечению инверсной населенности, но выдвигает более жесткие требования к качеству используемых материалов и элементам конструкции.
Независимо от подхода к реализации схемы накачки в конструкции квантрона можно выделить следующие основные элементы и узлы: активный элемент, источник накачки, узел ввода излучения накачки, отражатель. Оптимальные параметры всех этих элементов тесно связаны между собой и требуют комплексного подхода к их рассмотрению. Отправными элементами при проектировании квантрона являются активный элемент и полупроводниковый источник накачки. При выборе активного элемента необходимо решить ряд традиционных вопросов: о материале и форме активного элемента, концентрации активатора, матировке боковой поверхности, способе охлаждения. Выбор полупроводникового источника накачки сводится к выбору компоновки полупроводниковых излучательных структур. Большинство современных статей посвящены исследованию квантронов для лазеров, работающих в непрерывном и квазинепрерывном режимах. В этих режимах широкое применение находят полупроводниковые линейки наряду с диодными матрицами. Важными вопросами являются способ подвода излучения накачки к активному элементу, а также характеристики отражателя в квантроне. Эти два момента оказывают непосредственное влияние на общую эффективность квантрона. Одним из параметров, характеризующих эффективность квантрона в целом, является эффективность поглощения мощности накачки. При разработке квантрона, как правило, ставится задача получения максимальной эффективности. Другим важным параметром квантрона является распределение инверсной населенности по сечению активного элемента, которое определяется схемой подвода излучения накачки, образующей активного элемента и геометрическими параметрами самого квантрона.
В большинстве исследований оптимизация квантрона направлена на формирование равномерного по сечению распределения мощности накачки. Это позволяет, с одной стороны, в полной мере использовать объем активного элемента, а с другой - реализовать параболическое распределение температуры по сечению активного элемента, что дает возможность эффективно компенсировать термооптические искажения традиционными методами линейной оптики. Оборотной стороной являются снижение общей эффективности ТТЛ, особенно в одномодовом режиме, и увеличение порога генерации из-за того, что генерируемые моды сосредоточены в основном в приосевой области активного элемента.