Введение. Технико-экономическое обоснование темы.

Аннотация

В дипломном проекте разработан задающий генератор лазерного излучения на основе кристалла иттрий алюминиевого граната активированного ионами неодима с накачкой диодными матрицами.

В пояснительной записке сделан обзор оптических схем накачки, описаны оптическая, структурная и функциональная схемы установки, а также разработана конструкция охлаждаемого квантрона и выбрана оптическая схема накачки. В проекте проведен расчет основных параметров лазерного генератора, а также создан его работающий эскизный вариант, определены его выходные характеристики и проведены экспериментальные исследования.

Дипломный проект содержит 110 листов, 62 рисунков, 15 таблиц, 43 библиографических наименований.

Ключевые слова: Лазерный генератор, квантрон, диодная матрица, системы накачки, твердотельный лазер.

The summary

 

In the degree project the setting generator of laser radiation on the basis of a crystal a yttrium of an aluminum pomegranate activated by ions of neodimium with a diode matrixes pumping is developed.

In the explanatory note is made the review of optical schemes of a pumping, optical, structural and functional schemes of installation are described, and also the design of the cooled generator is developed and the optical scheme of a pumping is chosen. In the project calculation of key parameters of the laser generator is carried out, and also its working outline variant is created, its target characteristics are defined and experimental researches are spent.

The degree project contains 110 sheets, 62 drawings, 15 tables, 43 bibliographic names.

Keywords: the Laser generator, quantron, a diode matrix, rating systems, the solid-state laser.

Содержание

1. Введение. Технико-экономическое обоснование темы.	6
2. Аналитический обзор оптических схем накачки диодными матрицами твердотельных лазеров, работающих на длине волны 1064 нм.	7
2.1. Схемы накачки активных элементов	8
2.2 Схемы поперечной накачки	9
2.3. Схемы накачки цилиндрических элементов	10
2.4. Схемы с прямым вводом излучения накачки	11
2.5. Схемы с оптическими системами подвода излучения накачки	18
2.6. Схемы накачки прямоугольных элементов	28
2.7. Схемы с зигзагообразным распространением лазерного излучения	29
2.8. Схемы со скользящим падением лазерного излучения	31
2.9. Схемы с квазипродольной накачкой	33
2.10. Другие схемы накачки «слэб» элементов	35
2.1.11 Итог аналитического обзора	39
3. Разработка оптической, структурной и функциональной схемы установки.	40
3.1. Методика расчета генератора твердотельного лазера с накачкой диодными матрицами.	40
3.1.1. Расчет накачки.	41
3.1.2. Расчет усиления в резонаторе.	45
3.2. Разработка оптической схемы накачки лазерного генератора: продольный и поперечный варианты накачки.	47
3.2.1. Продольная накачка.	47
3.2.2. Поперечная накачка.	54
3.3. Структурно-функциональная схема установки.	57
3.4. Тепловой расчет лазерного генератора.	58
3.4.1 Тепловой расчет лазерного генератора при частоте следования импульсов 1000 Гц.	58
3.4.2 Тепловой расчет лазерного генератора при частоте следования импульсов 8 Гц.	61
3.5. Разработка конструкции охлаждаемого элемента.	62
4. Расчет основных параметров лазерной системы, работающей на частоте следования импульсов генерации ~1 кГц.	66
4.1. Расчет импульсной и средней мощности генерации при поперечной накачке.	66
4.1.1. Обоснование выбора выходного зеркала.	69
4.2. Расчет импульсной и средней мощности генерации при продольной накачке.	70
4.3. Выводы и основные результаты расчета	72
4.4. Оценка влияния температуры диодных матриц накачки на выходные характеристики лазерного генератора.	73
5. Экспериментальная часть.	75
5.1. Разработка эскизного варианта конструкции лазерного генератора.	75
5.2. Экспериментальное определение выходных характеристик лазерного генератора при частоте импульсов генерации 8 Гц.	77
5.2.1. Зависимость средней и импульсной мощности от температуры диодных матриц.	77
5.2.2. Зависимость средней мощности от частоты повторения импульсов накачки.	79
5.2.3. Определение расходимости лазерного пучка.	80
5.2.4. Определение длительности импульса генерации.	81
5.2.5. Выводы из экспериментальной части.	82
6. Экономическая часть.	84
7. Безопасность и экологичность проекта.	91
8. Заключение.	107
9. Библиографический список.	108

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.

Итог аналитического обзора.

Разнообразие областей применения ТТЛ обуславли­вает различные требования к их выходным характери­стикам. Поэтому не существует универсальной схемы поперечной накачки, позволяющей получать весь спектр требуемых выходных характеристик. Важной задачей раз­работки квантрона является поиск его оптимальной кон­струкции, с помощью которой можно получить требуе­мые выходные характеристики при наименьших эконо­мических затратах.

Практически во всех работах представлены резуль­таты исследования созданных квантронов (законченных конструкций) с оптимальными параметрами. При проек­тировании квантронов с полупроводниковой накачкой, как правило, решается задача формирования однород­ного по сечению активного элемента распределения мощ­ности накачки. По сравнению с ламповой накачкой по­лупроводниковая характеризуется значительно меньшей шириной спектра излучения и высокой пространственной когерентностью. Это дает возможность формировать распределения мощности накачки различного вида. Оче­видно, что существуют инварианты, определяющие связь между параметрами элементов при масштабировании квантронов по мощности накачки и размерам активного элемента, но функциональные возможности квантронов с этой точки зрения в работах не рассматривались. Ком­плексное моделирование процессов полупроводниковой накачки, оптимизация параметров квантронов для раз­ных целей - предмет отдельного рассмотрения.

Практически отсутствуют работы по квантронам на основе активных элементов с несколькими активато­рами и конверсионными активными средами, имею­щими различные длины волн поглощения. Для разра­ботки таких квантронов требуются комбинированные источники накачки. Очевидно, что решение всех этих вопросов еще впереди.

 

Расчет накачки.

В нашем распоряжении имелась активная среда YAG-Nd³⁺, имеющая следующие параметры:

- поперечное сечение 3х3 мм;

- длина l = 30 мм и диодные матрицы с размером излучающей области 5х25 мм и пиковой мощностью излучения ~800 Вт при длительности импульса генерации 350 мкс. В этом случае удобно организовать поперечную накачку с концентрацией излучения на боковую грань активного элемента и продольную накачку с концентрацией излучения на торцевую грань активного элемента.

    В основе расчета накачки активной среды лежат две формулы:

 

        закон Бугера – Ламберта – Бера                           (1)  

и

          эффект насыщения поглощения                           (2)

где    I – интенсивность накачки (Вт/см²) при прохождении области активной среды на х (см) вглубь, I₀ – интенсивность накачки (Вт/см²) в начале области, α – коэффициент поглощения (см^-1), α₀ – линейный коэффициент поглощения (см^-1), когда I<<I_s, I_s – интенсивность насыщения (Вт/см²).

    Очевидно, что (1) и (2) – взаимосвязанные уравнения и их решение образует рекурсию по мере последовательной подстановки (1) в (2) и обратно. Физически это объясняется тем, что коэффициент поглощения уменьшается с ростом интенсивности света, а интенсивность увеличивается при уменьшении коэффициента поглощения. Такую систему удобно решать методом конечных итераций.

    Для этого разделим ширину прокачиваемой области кристалла на n областей (рис. 33) с шириной δ=a/n, где а – ширина кристалла.

Для расчета односторонней накачки активной среды основываемся на рассмотренном законе Бугера – Ламберта - Бера, которое записываем для последовательных шагов проводимого расчета δ и получаем следующие соотношения (3):

 

 

 

(3)

 

При введении в систему накачки второй диодной матрицы, накачивающей противоположную сторону кристалла, расчет значительно усложняется, так как появляется система из двух рекурсивных уравнений (4):

 

                                  (4)

    Теперь значение коэффициента поглощения α зависит не только от I₁ (интенсивность излучения первой матрицы), но и от I₂ (интенсивность излучения второй матрицы), которые, в свою очередь, тоже зависят от α.

Из системы уравнений (4) при их сложении следует уравнение (5):

                      (5)

                        (6)

При x=0 получаем:

,                              (7)

,                      (8)

 

Для других значений x, можно получить следующие выражения, используя метод итераций с шагом δ и количеством шагов n:

 

 ,                 (9)

     Полученная формула позволяет получить значение интенсивности накачки в любой части стержня. Очевидно, что поглощенная стержнем интенсивность I_p (от англ. «pumping» – накачка) является разностью между интенсивностью, падающую на стержень и интенсивностью, выходящей из стержня после его прохождения:

 

I_p = b ∙(I _пад - I _вых),                                          (10)

 

где b – количество диодных матриц (учитывая, что матрицы одинаковые и расположены симметрично относительно стержня).

 

I _пад = k ∙ I _дм,                                        (11)

 

где I _дм – интенсивность излучения диодной матрицы, k – коэффициент, характеризующий долю интенсивности, попадающую на стержень. Он зависит от геометрического расположения стержня в накачивающем пучке, паразитных отражений и качества полировки элементов оптической системы.

 

I _вых = I _{( n δ)} - I _пад  ,                                       (12)

 

где I _{( n δ)} – суммарная интенсивность на боковой грани стержня.

     Таким образом, подставив (11), (12) в (10), получим:

 

I_p=b∙(2∙k∙I _дм -I_{(n δ )}),                                 (13)

 

На основе представленных выражений формируем в среде MathCad цикл для проведения вычислений процесса при односторонней и двусторонней накачке алюмоиттриевого граната диодными матрицами.

 

Продольная накачка.

 

При использовании мощной продольной накачки возникает проблема однородной фокусировки излучения накачки в интенсивное пятно на торцевой грани активного элемента. При этом размер пятна должен быть согласован с параметрами активной среды. Это условие необходимо выполнять для обеспечения максимальной эффективности использования излучения накачки.

Хорошо известно, что угловая расходимость пучка, излучаемого лазерным диодом различна в разных направлениях относительно p-n перехода. В типичном случае она составляет: по оси Y, т. е. в направлении, p-n перехода – (30 – 40)⁰, и по оси Х, т. е. в направлении, перпендикулярном p-n переходу - (10 – 15)⁰ – рисунок 34.

 

 Рис.34.  Характер излучения, эмитируемого лазерными диодами

 

Обычно при продольной накачке для фокусировки излучения лазерного диода в пятно требуемого размера и интенсивности в апертурной плоскости активного элемента, используются различные оптические системы, коллимация и фокусировка излучения накачки в которых осуществляется с помощью цилиндрических и сферических линз. Основная задача указанных оптических систем заключается в уменьшении угловой расходимости лазерного пучка накачки до величины около (0,5х0,5)⁰ с последующей фокусировкой излучения на вход активного элемента.

Недостатки известных линзовых систем продольной накачки обусловлены, в основном, неоднородностью пятна накачки по поперечному сечению активного элемента, которое приводит также к неоднородной накачке и по длине активной среды твердотельного лазера, что существенно ухудшает выходные характеристики лазера. 

В том случае, когда источник излучения накачки содержит большое количество излучающих элементов (лазерных диодов) этот недостаток линзовых систем особенно заметен. Например, когда он выполнен в виде нескольких диодных матриц высокой мощности (более 2000 Вт каждая). В этом случае суммарная мощность излучения, падающая на выходную фокусирующую линзу, существенно увеличивается. Поскольку распределение интенсивности излучения I_r, прошедшего через линзу, осуществляющую фокусировку излучения на вход активного элемента имеет резко выраженный максимум с боковыми лепестками значительно меньшей интенсивности (рисунок 35), оптические системы в упомянутых выше устройствах фокусируют излучение в пятно малого диаметра относительно поперечного сечения активного элемента, что существенно ухудшает поперечную однородность накачки.

Рис.35. Распределение энергии в фокальной плоскости линзы

Кроме того, существенное увеличение мощности падающего на линзу излучения может привести к локальному разрушению просветляющего покрытия торцевой поверхности активного элемента. Тем самым ограничивается эффективность накачки, так как вероятность такого локального разрушения обуславливает необходимость уменьшения падающей на линзу мощности, в результате чего снижается максимально достижимый уровень плотности мощности накачки в апертурной плоскости активного элемента и увеличивается начальный коэффициент поглощения, что существенно снижает длину прокачиваемой области стержня.

Оригинальным вариантом поперечной накачки стержня является использование растр-световодной системы, которая позволяет осуществить реализацию импульсно-периодического режима работы твердотельного лазера с высокой импульсной и средней мощностью генерации. Двухсторонняя растр-световодная система накачки позволяет завести излучение накачки в торец лазерного стержня с квадратным поперечным сечением без расположения оптических элементов на оси резонатора.

Несомненным достоинством растр-световодной системы накачки является высокая интенсивность и однородность излучения накачки, так в поперечном направлении, так и на значительно большей длине активной среды, чем при линзовой накачке. Это достигается применением призменного фокусирующего растра.

Излучение накачки, попавшее в активный элемент под углом, меньшим критического, остается «сфокусированным» на всей его длине, и активный элемент, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда, играет роль световода. Коэффициент пропускания такого световода η _L зависит от отношения апертуры к длине светопровода (a / L), от величины фокуса призменного растра F и от качества отражающей поверхности световода.

Критический угол падения излучения накачки на торец активной среды, при котором излучение накачки все еще будет распространяться вдоль световода, определяется выражением:

                        (22)

n ₁ и n ₂ - показатели преломления соответствующих сред.

 

На рисунке 36 иллюстрируются устройство призменного фокусирующего растра.

 

 

Рис.36.  Иллюстрация принципа работы призменного фокусирующего растра.

1 –лазерный стержень, 2, 3 - оптические клинья, 4 – грани клиньев, 5 – ряды, в которые организованы клинья

 

Растр состоит из двух рядов оптических клиньев, последовательно расположенных по ходу распространения излучения накачки. Клинья в каждом ряду скрещены таким образом, что огибающая клиньев образует поверхности повернутых под углом 90⁰ цилиндрических линз. Точнее говоря, преломляющие грани клиньев образуют многогранную поверхность, огибающая которой по форме близка к цилиндрической поверхности.

Каждый клин изготавливается из материала, прозрачного на длине волны накачки.

Первый и второй ряды 5 клиньев 2 и 3 состоят, соответственно, из 2P и 2Q оптических клиньев (P и Q – целые числа), расположенных в каждом ряду параллельно друг другу и ортогонально клиньям другого ряда. Преломляющие грани 5 клиньев в одном ряду обращены наружу, а преломляющие грани 5 клиньев в другом ряду обращены к лазерному стержню 1 - активному элементу. Плоские грани клиньев одного ряда обращены к плоским граням клиньев другого ряда так, что зазор между ними отсутствует, и среднюю плоскость А призменного растра можно определить как плоскость, проходящую через плоские грани клиньев в двух рядах 5. В центре рядов 5 соответствующие клинья отсутствуют, вследствие чего в призменном растре образуется сквозная полость. В том случае, когда все клинья имеют одинаковую ширину b, размер указанной сквозной полости равен bxb. Таким образом с каждой стороны от указанной сквозной полости располагаются по Р клиньев в одном ряду и Q клиньев в другом ряду. Преломляющие грани 6 клиньев в каждом ряду ориентированы в одном направлении, при этом направление ориентации клиньев в одном ряду ортогонально направлению ориентации клиньев в другом ряду (на рисунке 28 в целях лучшего понимания  оба ряда клиньев разнесены друг от друга).

Оптические клинья представляют собой призмы с преломляющим углом θ_k - рисунок 37.

Рис.37. Геометрия оптических клиньев.

Для обеспечения фокусировки излучения накачки на торцевую грань лазерного стержня в пятно требуемого размера аха  с высокой плотностью мощности и «квазиплоским» распределением интенсивности по поперечному сечению лазерного стержня, клинья в обоих рядах ориентированы, как было отмечено выше, ортогонально относительно друг друга (например, клинья в одном ряду ориентированы в горизонтальном направлении, а клинья в другом ряду – в вертикальном направлении или наоборот) и выполнены с переменной величиной углов преломления θ_k1, θ_k2, так что указанные величины преломляющих углов θ_k1, θ_k2 клиньев в каждом ряду уменьшаются в направлении от края ряда к его центру в соответствии с формулами (23) и (24):

 

         ,      (23)

                   (24)                 

где θ _{k 1,} θ _{k 2} – величины преломляющих углов клиньев в первом и втором ряду клиньев, соответственно, h_{k 1,} h_{k 2} – расстояния от оси резонатора лазера до наиболее удаленной от оси резонатора грани k -ого клина в первом и втором ряду клиньев, соответственно, f – фокусное расстояние оптического элемента для фокусировки излучения накачки на торцевые грани активного элемента, состоящего из двух рядов оптических клиньев, определяемое как расстояние между торцевой гранью активного элемента и средней плоскостью упомянутого оптического элемента, а₁, a ₂ – размеры лазерного пятна излучения накачки на торцевой грани активного элемента, соответствующие первому и второму ряду клиньев, n – показатель преломления клиньев. 

Клинья могут иметь как одинаковую, так и различную ширину, что позволяет варьировать форму лазерного пятна на торцевой грани активного элемента, согласуя ее с формой поперечного сечения лазерного стержня. При этом все клинья в каждом ряду имеют одинаковую ширину, но в общем случае отличную от ширины клиньев в другом ряду, например b_x и b_y. Количество клиньев в каждом ряду определяется требуемым размером пятна изображения на торцевой грани лазерного стержня и максимально возможной плотностью мощности излучения накачки. В общем случае число P не равно Q, что связано с различными размерами излучающей области диодной матрицы по двум ортогональным осям.

Пятно, получающееся в фокальной плоскости растра, имеет квадратное сечение, равное размеру элементарной ячейки растра bxb при условии малой расходимости излучения накачки. На рисунке 38 представлено распределение интенсивности в фокальной плоскости растра.

 

Рис.38. Распределение интенсивности излучения в фокальной плоскости растра лазерных диодов

 

Апертура лазерного стержня квадратного сечения выбирается таким образом, чтобы пятно в фокальной плоскости растра соответствовало упомянутой апертуре. Но, как правило, a > b из-за большой расходимости излучения диодных матриц.

Таким образом, призменный фокусирующий растр позволяет осуществить суммирование излучения накачки от всех лазерных диодных матриц и фокусировку излучения в пятно требуемого размера на торцевой грани лазерного стержня с «квазиплоским» распределением интенсивности по поперечному сечению пятна.

Продольная накачка осуществляется следующим образом (рисунок 39). Излучение лазерных диодных матриц СЛМ-2М коллимируется посредством цилиндрических линз ЦЛ в двух перпендикулярных плоскостях и имеет после них форму прямоугольного растра, образованного совокупностью лазерных пятен, излученных диодными матрицами. Затем посредством оптических клиньев осуществляется суммирование излучения накачки от всех лазерных диодных матриц и фокусировка суммарного излучения в пятно, имеющее, например, форму квадрата с размерами bxb, согласованного с размерами аха торцевой грани активного элемента. За счет преломления лучей в каждом клине в двух ортогональных плоскостях указанное пятно имеет «квазиплоское» распределение интенсивности излучения. Возбуждаемое в активном элементе излучение усиливается резонатором при отражении от зеркал М₁ и М₂ до уровня генерации. Наличие в рядах клиньев сквозной полости исключает потери при прохождении излучения между зеркалами резонатора и увеличивает эффективность работы лазера.

Как видно из рисунка 39, излучение накачки вводится в активный элемент через две противоположные торцевые грани и тем самым увеличивается длина прокачиваемой области.

 

Рис.39. Схема продольной накачки.

Поперечная накачка.

Для накачки твердотельных YAG-Nd лазеров широко используется схема поперечной накачки. Она характеризуется расположением источников излучения – лазерных диодов или лазерных диодных линеек по периметру внешней поверхности активного элемента – лазерного стержня. Основное достоинство поперечной накачки – возможность получения больших выходных мощностей.

Из аналитического обзора видно, что существует много вариантов реализации схем поперечной накачки – с непосредственным вводом излучения в активную среду, с использованием параболических концентраторов в оптической системе транспортировке излучения, с применением диффузных рефлекторов и др. Отметим, что не существует стандартной схемы поперечной накачки при работе лазера с невысокой выходной мощностью. Это объясняется рядом причин.

Во-первых, при поперечной накачке излучение, распространяющееся в активной среде, поглощается в меньшей степени по сравнению с продольной накачкой. Это связано с тем, что при поперечной накачке длина пути, на котором происходит поглощение излучения, обычно меньше двух длин Бэра, за исключением схем с многоходовым распространением луча. Следствием этого является то, что независимо от коэффициента поглощения материала активной среды будут наблюдаться существенные потери излучения. Во-вторых, в типичном случае распределение усиления не является хорошо согласованным с профилем лазерной моды, что снижает эффективность накачки.

Наиболее эффективным способом поперечной накачки в нашем случае является размещение диодных матриц в вдоль оси лазерного стержня с поперечным сечением 3х3 мм в непосредственной близости от боковой поверхности стержня с использованием цилиндрической линзы и зеркального концентратора (рисунок 40), который и был реализован в рамках данного дипломного проекта.    

 

 

Рис.40. Поперечная схема накачки, реализованная проекте.

1- Диодные матрицы, 2- цилиндрические линзы, 3- стержень АИГ-НД,      4- юстировочные винты.

 

Простая оптическая система рассчитывалась методом моделирования (рис.41). В результате была реализована однопроходная схема использования излучения накачки. При симметричном расположении диодных модулей в результате взаимного наложения излучения всех модулей в центральной области стержня формируется симметричная зона достаточно однородной накачки. В этой зоне поглощается не менее 80 % энергии, эмитированной лазерными диодами.

Рис.41. Оптическая схема поперечной накачки.

 

Симметрия играет важную роль при использовании нескольких диодных линеек или модулей. Для получения оптимальных выходных характеристик YAG-Nd лазера накачка должна быть максимально однородной. Это требование обусловлено оптическими свойствами материала активной среды. Так, в YAG-Nd в значительной мере проявляются эффекты тепловой линзы и двойного лучепреломления вследствие нагрева материала и для их минимизации необходимо обеспечить симметричную картину накачки. 

Симметричная схема поперечной накачки имеет следующие преимущества:

 - при малой величине выходной мощности симметричная схема накачки обеспечивает высокую эффективность поглощения излучения активной средой и хорошее пространственное распределение излучения. Для накачки стержня достаточно использовать несколько симметрично расположенных диодных модулей;

 - при большой величине выходной мощности эффективное поглощение излучения активной средой можно обеспечить при помощи большого числа узких, вертикально ориентированных относительно боковой поверхности стержня диодных модулей.    

Однако симметричной схеме поперечной накачки присущи и недостатки, в том числе:

 - эффективность поглощения излучения накачки и пространственное распределение усиления в стержне ухудшаются при увеличении ширины каждого вертикально ориентированного диодного модуля. Монтаж и охлаждение большого числа диодных модулей затруднен. Снабжение каждого диодного модуля согласующей оптикой позволяет сконцентрировать в стержне большое мощности, но схема накачки при этом становится более сложной;

 - для достижения требуемого уровня поглощения излучения активной средой необходимо контролировать температуру лазерных диодов. С увеличением количества диодных модулей задача одновременной подстройки с этой целью температуры всех диодных модулей существенно усложняется.

Таким образом, при размещении источников накачки в непосредственной близости от боковой поверхности лазерного стержня максимальная мощность излучения, поглощаемая активной средой, ограничена количеством лазерных диодов, которые могут быть размещены вокруг стержня. 

В нашем случае можно ограничиться двумя диодными матрицами расположенными напротив друг друга (рис. 40).

 

Экспериментальная часть.

5.1 Разработка эскизного варианта конструкции лазерного генератора.

 

    Разработанный эскизный вариант конструкции, изображенный на рис.54 смоделирован в системе AutoCad 2004.

 

Рис.54. Эскизный вариант конструкции лазерного генератора.

1 - стержень YAG-Nd, 2 - зеркала-радиаторы кристалла, 3 - цилиндрические линзы, 4 - диодные матрицы, 5 - патрубки охлаждения матриц, 6 - юстировочные винты для линз, 7 - уплотнения Вильсона, 8 - зеркала резонатора, 9 - держатели зеркал резонатора, 10 - юстировочные отверстия, 11 - основания зеркал резонатора, 12 – кулер, 13 – корпус, 14 - отверстия для ножек.

 

Кристалл YAG-Nd (1) зажат между двумя металлическими зеркалами (2), выполняющих также роль радиаторов. Между соприкасающимися поверхностями кристалла и зеркал нанесен тонкий слой резинового теплопроводящего клея, создающего хорошую термическую адгезию между кристаллом и металлом, а также позволяющий стержню «дышать» при тепловом расширении. Две диодные матрицы (4) расположены симметрично по обе стороны от кристалла. Излучение накачки диодных матриц на пути прохождения к кристаллу фокусируется цилиндрическими линзами (3), что помогает более эффективно вводить излучение в активную среду. Каждая линза закреплена в небольшом корпусе, снабженном резьбовыми отверстиями, сквозь которые проходят юстировочные винты (6). Юстировочные винты необходимы для перемещения линз и корректировки расходимости светового пучка накачки. Винты закреплены на корпусе генератора с помощью креплений Вильсона (7), суть работы которых проиллюстрирована на рис. 55.

Рис.55. Принцип крепления Вильсона.

 

    Исходящее из кристалла излучение усиливается в резонаторе, который состоит из двух зеркал (8) с коэффициентами отражения 100% и 80%. Зеркала закреплены в пластиковых держателях (9), в которых предусмотрены юстировочные отверстия (10) для регулировки направления отраженного излучения по горизонтали. Держатели крепятся к основанию резонатора (11), которые в свою очередь также снабжены юстировочными отверстиями (10) для регулировки направления излучения по вертикали. Между всеми подвижными частями резонатора проложены плотные резиновые кольца так, как это показано на рис. 56.

 

Рис.56. Иллюстрация юстировочного узла резонатора.

    На корпус установки (13), выполненный из 4х мм стали приклеены два кулера (12), охлаждающих радиаторы, которые играют роль зеркал –концентраторов излучения накачки. В корпусе предусмотрены четыре ответвления для монтажа ножек (14), либо для крепления установки на плоской поверхности.

 

    Конструкция генератора очень компактна. Ее габариты менее чем 160х120х30 мм без кулеров. Фотографии собранной конструкции с разных ракурсов представлены на рис. 57.

 

Рис.57. Внешний вид разработанного генератора лазерного излучения.

Экономическая часть.

    Для того, чтобы разработка какой-либо системы проходила эффективно и организованно, без лишних затрат труда, материальных средств и в минимальные сроки, необходимо эффективное планирование.

Основной задачей планирования является распределение по срокам и исполнителям заданий на разработку устройства или системы, а также определение общей продолжительности их проведения.

Наиболее наглядным, удобным и простым является ленточный график проведения выполнения научно исследовательской работы (рис.61) (НИР). Он показывает продолжительность каждого вида работ в виде отрезков времени, которые располагаются в соответствии с последовательностью выполнения работ. Использование ленточного графика позволяет четко отобразить объем решаемой задачи, установить взаимосвязь работ и определить события, свершенные во время решения поставленной задачи, составить обоснованный план выполнения комплекса работ, более эффективно исп