Содержание к диссертации
Введение в
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО МЕТОДАМ МОДУЛЯЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ДАННОЙ РАБОТЫ.
1.1. Оптико-механические модуляторы.
1.2. Электрооптические модуляторы
1.3. Магнитооптические модуляторы
1.4. Акустооптические модуляторы 15
1.5. Интерференционные модуляторы
1.6. Полупроводниковые модуляторы I
1.7. Внутренняя модуляция излучения лазера 19
1.8. Анализ методов модуляции излучения лазера для технологических целей и выбор направления
исследования. 22.
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОПЕРЕЧНОГО МАГНИТНОГО ПСШЯ НА ПАРАМЕТРЫ АКТИВНОЙ СРЩІ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАЗЕРОВ 28
2.1. Анализ литературы по воздействию магнитного поля на работу газоразрядных лазеров 29
2.1.1. Магнитооптические эффекты в газоразрядном лазере 29
2.1.2. Плазменно-оптические эффекты в газоразрядном лазере в присутствии магнитного поля
2.2. Радиальное распределение заряженных частиц плазмы положительного столба разрядной трубки в поперечном магнитном поле
2.2.1. Скорости заряженных частиц в газоразрядной плазме при наличии поперечного магнитного поля..
2.2.2. Расчет радиального распределения заряженных частиц без учета рекомбинации частиц в объеме.
2.2.3. Расчет радиального распределения частиц с учетом объемной рекомбинации Zj.9
2.2.4.Исследование перемещения максимума концентрации плазмы лазеров в цилиндрической трубке под действием поперечного магнитного поля 50
2.3. Анализ сил, действующих на заряженные частицы в разряде в поперечном магнитном поле 5"4
2.4. Влияние магнитного поля на функцию распределения электронов
2.4.1. Теоретическое исследование 60
2.4.2. Экспериментальное исследование.
2.5. Влияние магнитного поля на среднюю энергию электронов Ц-9
2.6. Влияние поперечного магнитного поля на продольный градиент электрического поля 82
2.7. Выводы 84
3. МОДУЛЯЦИЯ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОРАЗРЩЩЫХ ЛАЗЕРОВ МЕТОДОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОПЕРЕЧНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ИХ АКТИВНЫЕ СРВДЫ 86
3.1. Понятие модового объема и его связь с помощью лазера 86
3.2. Модуляция мощности излучения атомарных и ионных лазеров под действием поперечного магнитного поля 88
3.3. Модель -лазера и кинетика лазера, работающего в поперечном магнитном поле.
3.3.1. Анализ литературы
3.3.2. Релаксационные процессы в смесях
3.3.3. Кинетическая модель СС -лазера
3.3.4. Кинетические уравнения лазера
3.3.5. Решение системы кинетических уравнений С02 лазера в стационарном режиме 1 -11
3.4. Программа расчета модуляционной характеристики лазера и результаты вычислений
3.5. Экспериментальное исследование модуляции излучения СС -лазера поперечным магнитным полем №5
3.6. Выводы 12.9
4. РАБОТА С02-ЛАЗЕРА, УПРАВЛЯЕМОГО ПОПЕРЕЧНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛИЛ В ДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ 150
4.1. Инерционность магнитной системы управления
4.1.1. Включение катушки с ферромагнитным сердечником на импульсное напряжение
4.1.2. Включение катушки с ферромагнитным сердечником на синусоидальное напряжение
4.2. Инерционность, обусловленная временем движения плазменного шнура поперек магнитного поля в трубке
4.3. Инерционность, обусловленная временем жизни возбужденных молекул в модовом объеме 139
4.4. Инерционность, обусловленная временем жизни излучения в резонаторе
4.5. Экспериментальное исследование динамической работы -лазера, управляемого поперечным магнитным полем
4.6. Выводы 14S
5. РАЗРАБОТКА УПРАВЛЯЕМОГО ПО МОДНОСТИ С02-ЛАЗЕРА ПОПЕРЕЧНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ 15"0
5.1. Конструкция магнитной системы управления 150
5.2. Расчет магнитного поля в зазоре сердечника, созданного постоянным током
5.2.1. Теоретическое положение -151
5.2.2. Описание программы расчета 163
5.3. Расчет необходимой амплитуды входного напряжения в зависимости от параметров катушки 169
5.4. Анализ экономического эффекта применения лазера, управляемого поперечным магнитным полем
5.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ПРШЮЖЕНИЕ 2
Введение к работе
В последние годы бурно развивается новая область физики -квантовая электроника, которая находит все более широкое применение в различных областях науки и техники. Квантовая электроника позволяет раздвинуть рамки используемого диапазона электромагнитных колебаний в сторону более коротких дайн волн. Широкое применение лазеров в современной науке и технике объясняется специфическими свойствами лазерного излучения. Лазер - это генератор когерентного света. В отличие от источников света (например, ламп накаливания и ламп дневного света) лазер дает оптическое излучение, характеризующееся высокой степенью упорядоченности светового поля или, как говорят, высокой степенью когерентности. Такое излучение отличается высокой монохроматичностью и направленностью.
Первый оптический квантовый генератор был создан Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым (СССР) и Х.Цайгером, Ч.Таунсом (США) в 1957 году. С этого времени квантовая электроника стала развиваться возростающими темпами.
Современный этап развития лазерной техники характеризуется постоянным ростом числа разработок лазерных установок и приборов различного назначения, расширением их промышленного выпуска и внедрением во многие области науки, техники и производства. Лазер стал незаменимым средством повышения эффективности научных исследований, производительности труда и качества выпускаемой продукции.
Важное направление развития лазерной техники - управление оптическим излучением, которое заключается в изменении одного (а в отдельных случаях - нескольких) из параметров, характеризующих оптическое излучение. Системы, осуществлявдие управление оптическим излучением, делят на два больших класса. В соответствии с общепринятой терминологией устройства, позволяющие управлять амплитудой, фазой, частотой и поляризацией оптического излучения, называют модуляторами, а системы, управляющие направлением распространения светового потока - дефлекторами.
Управление излучением - основная задача, возникающая при освоении нового диапазона частот электромагнитного спектра. Поэтому не случайно, что интенсивные работы по исследованию модуляторов и дефлекторов оптического диапазона начались почти одновременно с работами по исследованию оптических квантовых генераторов.
В настоящее время известно большое число методов и физических явлений, на основе которых созданы оптические модуляторы. Классификация этих модуляторов рассмотрена в разделе .
Данная диссертация посвящена разработке одного из методов управления лазерным излучением - управлению с помощью поперечного магнитного поля. Это принципиально новый метод модуляции, основывающийся на плазменно-оптическом эффекте, обусловленный взаимодействием магнитного поля с активной средой лазера. Такой метод позволяет управлять выходной мощностью лазера непрерывного действия большой мощности, меняя ее значение от нулевого до максимального по данному закону при достаточном быстродействии. Несомненно, такой метод сможет применяться в промышленности, особенно в технологии при сварке металлов. При сварке необходимо формировать импульсы лазерного излучения длительностью от единиц до десятков мсек. Обычно используют механический и токовый методы управления мощности и времени излучения. Такие методы имеют существенные недостатки:
1. Эти методы имеют сравнительно большую инерционность быстродействие обычно больше 10 сек.
2. В процессе модуляции излучение все время проходит через резонатор, большая часть рабочего времени лазера не связана с производством и это снижает эффективность работы лазера, снижает ресурсы и долговечность лазера.
3. Для токового метода модуляции необходимо модулировать высокое напряжение (больше 30 кВ), что усложняет блок питания и не гарантирует надежность работы установки.
Целью работы являются:
1. Исследование влияния магнитного поля на параметры активной среды лазеров, такие как концентрация электронов, температура электронов, продольный градиент поля, функция распределения электронов по энергии в плазме газового разряда и т.д. Оценка точности расчета по модели и сравнение с экспериментальными данными.
2. Исследование кинетических процессов С02-лазеров с учетом влияния внешнего поперечного магнитного поля на активную среду. Исследование динамических процессов с учетом влияния переменного магнитного поля.
3. Расчет и конструирование магнитной системы управления.
4. Разработка управляемого мощного газоразрядного лазера для технологических целей.
Диссертация состоит из пяти разделов.
Первый раздел посвящен критическому анализу литературы по исследуемой теме.
Во втором разделе предлагается изучение влияния магнитного поля на параметры активной среды газоразрядных лазеров.
В третьем разделе приводится исследование кинетических процессов С02-лазера с учетом влияния внешнего поперечного магнитного поля.
В четвертом разделе рассматривается работа СС -лазера, управляемого магнитным полем в динамическом режиме.
Пятый раздел посвящен расчету магнитного поля, созданного электромагнитной системой. В этом разделе также рассмотрены вопросы применения эффекта магнитной модуляции к выпускаемым промышленностью лазерам.
При выполнении работы были использованы теоретические, численные и экспериментальные методы исследований. Оценка точности теоретических выводов и разработанных программ расчета проводилась сравнением с результатами экспериментальных исследований.
Научная новизна работы заключается в:
1. Разработке методики расчета радиального распределения электронов положительного столба тлеющего разряда в поперечном магнитном поле.
2. Разработке программы решения кинетических уравнений С0-лазера с учетом действия поперечного магнитного поля на плазму положительного столба.
3. Исследовании функции распределения электронов по энергии в плазме газоразрядных лазеров с учетом влияния поперечного магнитного поля на их активную среду.
Научные положения, выносимые на защиту:
І. В отпаянных газоразрядных лазерах среднего давления с током разряда до ОД А, помещенных в поперечном магнитном поле, конфигурация разряда будет такова, что сила магнитного давления уравновешивается силой трения и силой "градиента концентрации", причем при малой индукции магнитного поля (от 0,01 до 10-0,03 Тесла), основную роль играет сила трения.
2. В отпаянных газоразрядных лазерах среднего давления действие поперечного магнитного поля на выходную мощность обусловлено изменением зоны взаимодействия активной среды с полем резонатора и тока разряда, при этом с ростом индукции магнитного поля эти величины уменьшаются.
3. Быстродействие магнитного управления С02-лазером определяется временем перемещения плазмы внутри трубки, временем нарастания магнитного поля, временем жизни возбужденных молекул и временем установления излучения в резонаторе, причем два первые фактора играют решающую роль.
