Введение к работе
Актуальность проблемы
Создание новых тохнологлй и' дальнейший научно-технический прогресс в настоящее,время во многом связаны с использование:.! лазеров. Их уникальные свойства - высокая спектральная яркость, монохроматичность, направленность излучения в сочетании с широким диапазоном длин воли генерации - открыли большие возможности для практического использования лазерных устройств.
Наиболее технологичными, серийными и массовыми по номенклатуре являются газовые лазеры (ГЛ).
Создание тех или иных лазерных систем, особенно со специальными характеристиками, является довольно длительным и дорогостоящим процессом. Доотому эффективность разработки во многое определяется качеством теоретического расчета параметров лазерной системы (ЛС) нз стадии ее функционального проектирования. ГЛ, будучи наиболее распространенными, тем не менее, часто являются дорогостоящими и не обладают предельными пока-" зателями характеристик, что в частности объясняется некомп-лексностыо исследования и выбора их параметров на этапе разработки. Необходимость моделирования ГЛ и -их оптики связана с быстрым развитием техники ГЛ, увеличением мощности и габаритов (например, мощных ГЛ), делающими экспериментальную оптимизацию их параметров дорогостоящей и требующей больших затрат времени. Ряд задач физики и оптики ГЛ принципиально разрешим лпшь с использованием ЭВМ. Основные физические процессы, определяющие работу ГЛ, хорошо изучены и их численное моделирование мог.сет быть проведено с достаточно высокой степенью точности. Общность теории ГЛ позволяет создать с помощью вычислительного эксперимента (ВЭ) методики модельного исследования и синтеза подобных устройств.
В настоящее время успех создания лазерной установки (Л7) определяется опытом, знаниями и возможностями разработчика, а использование ЗЭ для решения задач оптики ГЛ (ОГЛ) сцерзивает-ся отсутствием требуемых методов и средстз его организации.
Таким образом, актуальной является задача формализации традиционной схемы разработки и создания новой методики
исследования ГЛ, основанной на комплексном предварительном машинно:.! анализе моделей ГЛ, т.е. использовании подхода,методов и средств ВЭ.
Целыэ работы является развитие теоретических и ингенерных основ построения средств вычислительного эксперимента по оптике газовых лазеров.
В соответствии с указанной целью в работе были поставлены и решены следуіхіие задачи:
-
Разработана методика.проектирования лазерной установки ка этапе НИР. На основе принципов новых информационных технологий реализована технологическая схема автоматизированного анализа и синтеза на модели. Выполнен анализ традиционной и предлагаемой на основе 33 методик создания ЛС на оснозе ГЛ.
-
Разработаны модели выделенного из ГЛ класса лазерных . систем.
Разработаны методы и алгоритмы «модельного анализа и син-, теза оптики ГЛ и исследована их эффективность. Сформулированы требования к функциональным возмо.:;ностям и структуре программных инструментальных средств.
4. Выполнена программная реализация:
- прикладных пакетов моделей оптики ГЛ и методов оптимиза
ции в рамках интегрированной системы диалогового исследования
и разработки ЛУ;
- средств организации взаимодействия пользователя-непрог
раммиста с ЭК.! на основе новых' информационных технологий.
5. Выполнен ВЭ - проведена экспериментальная апробация в
задачах создания лазерных и слотзшх физических систем с полуг
чением оптимальных значений заданных выходных характеристик
излучения.
Научная новизна
-
Формализована традиционная и предложена основанная на использовании новых информационных технологпй(вычислительного эксперимента) методика анализа и синтеза конструкции оптики ГЛ.
-
Разработаны и адаптированы математические модели для решения задач оптики маломозных ГЛ (минимизация нестабильности оси диаграммы направленности (ОДД) устойчивого резонатора;
анализ и синтез устойчивых плоских и прос^нственных ломаных оптических резонаторов (ЛОР)) и оптики мощных ГД (анализ п синтез формы используемых зеркал, импульсного лазерного усилителя с целью минимизации расходимости выходного излучения; расчет физических параметров зеркал ГЛГЛ при неразрушакхцем контроле на основе двухмодового СГЛ).
3; Решены задачи создания и адаптация эффективных,по точности или быстродействию методов оптимизации. Объяснено их использование при расчете геометрических характеристик оптических резонаторов для работы с плохо обусловленными матричными моделями и с системами существенно-нелинейных интегро-алгебраичес-ких уравнений.
-
Предложен и реализован алгоритм рационального выбора конструкции резонатора ГЛ.
-
Сформулированы принципы построения, предложены функциональная схема и структура интегрированной расчетно-олтлмизацнон-ной системы и ее диалогового интерфейса, ориентированного на работу физика-исследователя (пользователя-непрограммиста).
-
В результате выполнения ВЭ по ОГЛ получены области стабильности ОДЕІ, оптимальные в смысле расходимости излучения профили зеркал поддиаграммы устойчивости ЛОР, а таяза температурные и временные зависимости изменения параметров зеркал
и характеристик выходного излучения I.O.
На защиту выносятся:
-
Принципы формирования инструментария ЗЭ и метода исследования, используемые в ВЭ по оптике ГЛ.
-
Методика анализа и синтеза оптики ГЛ с. помо-дью ВЭ..
-
Принципы построения многокритериальной системы управления процессом проектирования лазерной установки.
-
Математические и.вычислительные модели задач оптики маломощных ГЛ: оси диаграммы направленности, устойчивости плоских и пространственных ломаных оптических резонаторов; и мощных ГЛ: расходимости выходного излучения мощного оптического усилителя с неустойчивым резонатором, поведения параметров зеркал модных ГЛ под воздействием излучения.
-
Метода и алгоритмы оптимизации,используемые для решения задач
п.4, оптимальные до: объему используемой оперативной памяти (модифицированный метод штрафных функций), точности оптимизации (модифицированный метод расширенного лагранжиана),быстродействию (геометро-оптимизационный* метод) для рассматриваемого класса задач.
-
Принципы разработки диалогового интерфейса расчетно-одтимизационной системы ПРЛГАЛ-ДІЮС я ее входной язык.
-
Разработанное базовое и прикладное программное обеспечение ВЭ.
-
Полученные с поы::дьга ВЭ и используемые в разработках' физических установок рекомендации, решения, зависимости, диаграммы и другие практически значимые результаты, подтвержденные актами об использовании и внедрении.
Основные методы исследования
Метода исследования рассматриваемых задач базируются на основе комплексного использования теории и методов математического программирования, теории матриц и матричной оптики, теории построения.моделей и проектирования, теории решения систем уравнений, методов численного интегрирования и дифференцирования, методов машинной геометрии и графики, принципов разработки диалоговых систем и организации взаимодействия проектировщика и ЭВМ, новых информационных технологий и современных приемов программирования.
Практическая ценность диссертации заключается в разработке инструментальных средств проведения ВЭ в области оптики Г. Для класса ГЛ предложена методика расчета конструкции резонатора. Реализованы алгоритм рационального удовлетворения критериев проектирования, прикладное программное обеспечение на основе новых информационных технологий, входной язык пользователя-непрограммиста.
Разработанные математические модели и алгоритмы реализованы в виде диалоговой расчетно-оптимизационной интегрированной системы ПРАГАЛ-ДИОС. На основе ПРАГАЛ-ДИОС реализованы прикладные системы расчета параметров оптики СГЛ и МГЛ.
При проведении работы выполнены вычислительные эксперименты по стабилизации оси диаграммы направленности устойчивого
і резонатора, нахождению параметров устойчивых плоского л лрост-ранствеїшого ломаных резонаторов, синтезу формы зеркал мощного лазерного усилителя, расчету доглощеяия/отракения излучения на поверхности зеркал МГЛ. ..':,'
Внедрение результатов работы и их достоверность подтверждаются реализацией, экспериментальными исследованиями и промышленным использованием разработанных инструментальных средств. Математические и программные средства внедрены и использованы в 9 организациях, в том числе непосредственно по теме диссертации в п/я В-8279, п/я В-2І88, Ф11АЫ СССР, ІШІІ All СССР, ЬПЕИ при проведении НИР, ОКР и в учебном процессе. Универсальность програшних средств позволила такае использовать их в других областях - при выполнении перспективного, календарного и текущего планирования, в разработке технологических частей проектов, осуществления управления электронным лучем, при обучении студентов и переподготовке персонала на заводе "Импульс" МФ НИИ "Фонон", в ГПИ-ІЗ МШ СССР, п/я В-2І88, МФ ЦШК и МИСиС.
Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 14 печатных работах и 5 научных отчетах и докладывались на: Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы метрологического обеспечения научных исследований и учебного процесса в вузах" (г.Ленинград,1984 г.)і У Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (г.Ленинград,1987 г.), ІУ.У Всесоюзных ' конференциях по проблемам машинной графики (г.Серпухов,1987 г., : г.Новосибирск,1989 г.); П Всесоюзном .семинаре по методам синтеза типовых систем обработки данных (г.Звенигород,1985 г.), ' Всесоюзной школе "Вопросы оптимизации вычислений" (Крым.Кацп-вели,1991 г.), Всесоюзном семинаре молодых ученых и специалистов "Информатика и вычислительная техника" (г.Ззенигород, 1986 г.), Всесоюзной школе-семинаре "Актуальные проблемы лазерной техники и технология" (г.Звенигород, 1984 г.); симпозиуме "Математическое обеспечение для автоматизации исследований, идентификации и планирования экспериментов" (г.Харьков, 1984 г.), У координационном совещании ".Математическое обеспечение интегрированных систем САПР-ГАП в машиностроении" (г.Ипевск,1984гО, УШ Симпозиуме "Логическое управление в промышленности"
(г.Куйбышев,1985 г.); УІ-УШ региональных школе-семинарах по оптимальному проектированию и смешшм вопросам {г.Ростов-на-Дону,. 1984, 1986, 1909 гг.); семинаре "Метода и средства сбора, распределения и обработки информации в АСУ реального времени" (г.Москва,I986); Московской городской конференция молодых ученых и специалистов "Системы автоматизированного проектирования (САПР-85)" (г.Москва, 1985 г.); ХХХ.ХШ и ШП Научных конференциях МИФИ (1983,1985,1987 гг.); научных семинарах лаборатории КРФ ФИАН СССР и МИФИ.
Объем и структура тзаботы. Работа содержит 132 страницы
основного текста, 36 рисунков, I таблицу, список литературы
из 130 наименований и прилокеняя на 49 страницах, включающие
5 таблиц. ,
