Лазерные источники излучения для оптико-локационных систем Ставров, Александр Афанасьевич

Введение к работе

Актуальность темы. Оптические локационные системы (ОЛЗ) издавна привлекают к себе внимание ученых и практиков как инструментальные средства, обеспечивающие максимальную информативность и точность при наблюдениях и дистанционных измерениях. Уногие десятилетия это были преимущественно пассивные системы, которые прошга длительный путь развития от простейших врительных труб до современных сверхсложных астрономических комплексов.

Принципиально новь» для ОЛЗ функциональные возможности возникли благодаря созданию светодальномерных устройств, ставших праобразом современных систем активного типа С использованием подобных устройств впервые появилась возможность выполнения линейных оптических измерений непосредственно, без привлечения косвенных данных об угловых характеристиках наблюдаемых объектов. Последуюсззе бурное развитие ОЛЗ активного типа связано с реализацией в 1960-х годах генерации лазерного излучения.

Созданные к концу 1970-х годов лазерные дальномеры, предназначенные для работы по динамичный объектам, базировались преимутпаст-венно на рубиновых и неодимсодержащих (на основе стекла или иттрий-аиюминиевого граната) лазерах. Лучшие к этому времени отечественные ЭЛЗ активного типа обеспечивали измерения дальности до диффузно отражающих объектов с расстояний в б... 10 км при погрешности порядка 10 м. Отдельные уникальные стационарные системы позволяли опреде-іять расстояния до удаленных на сотни и тысячи километров космических объектов (ИСЗ, Луна), оснащенных уголковыми отражателями, с погрешностью в единицы н десятки сантиметров. Предпринимались попытки ;оздания дальномера с радиусом действия 20 км для лоцирования протяженных объектов, а такие дальномерно-следяией системы, работающей ю уголковому отражателю на расстояниях до 30... 40 км. Совместное Йгнкционирование в реальном масштабе времени ОЛЗ активного и пас-іивного типа, обеспечивающее наиболее полное сочетание изобразительных и измерительных характеристик лоцируемого объекта, реалкзо->ано не было.

Выдвинутая практической необходимостью проблема совдания ОЛЗ истивно-пассивного типа имеет многоуровневый характер и непосредственно связана с задачей реализации оптимизированного лазерного информационного канала, а также его главных компонент - лазерных ис-

точников с управляемыми гарантированными параметрами излучения. При этом актуальность задачи обусловлена как требуемым для ее решения комплексным подбором типов и характеристик лазеров, так и необходимостью максимально полного учета условий их практического применения. Актуальность проблемы дополнительно подтверждается устойчивым международным спросом на системы подобного класса.

Связь работы с научными программами и темами. Основные результаты диссертационной работы получены в процессе реализации крупных государственных программ, соответствующих тематике БелОЫО, в рамках НИР "Виола" (1980, гос. регистр. N Х-06267), -НВ-10-102-80" (1981. гос. регистр. N Х-56804). "Прогноз" (1981, гос. регистр. N Х-56808). "Импульс" (1983, гос. регистр. N Я-56469), "Сталинит-БН" (1985, гос. регистр. N Я-56470), "Алгоритм" (1986. гос. регистр. N Х-11515). "Критерий" (1988. гос. регистр. N Х-58649). "Блеск" (1989, гос. регистр. N Х-58912), "Вельвет" (1991. гос. регистр. N Х-59379). ОКР "Виола" (1986), "Вереск" (1994). "Висмутнн-Н" (1997). "Альтернатива" (1998).

Цель к задачи исследований. Комплексной проблемой, решаемой в настоящей работе, является установление основных закономерностей функционирования ОЖ! активно-пассивного типа н формулировка иа их основе совокупности требований к оптимальным источникам лазерного излучения с гарантированными управляемыми параметрами, поиск физических механизмов, отвечающих ва формирование необходимых характеристик генерации, а такие отработка методик, материалов и аппаратуры для практической реализации зтих параметров. Для достижения поставленной цеди были определены следующие главные задачи:

1. Анализ значимых для ОЖ! стадий формирования и распространения информационных световых потоков и выявление основных факторов, обусловливающих точностные н энергетические характеристики системы.

2. Определение требований к спектрально-энергетическим и пространственно-временным параметрам излучения н путей кх реализации с использованием достижений лазерной физики.

3. Поиск и отработка наиболее простых и надежных средств и методов оперативного управления спектральным составом излучения твердотельных лазеров с электронными и электрон-фононными переходами, пригодных для использования в составе 0Л2.

4. Осуществление генерации стабильных управляемых импульсов наносекундного и субнаносекундного масштабов длительности с применением перспективных методов и средств активной и пассивной модуля-

ции добротности и синхронизации продольных мод резонатора.

Б. Выяснение особенностей реализации и практическая отработка методов и средств управления пространственными характеристиками лазерного излучения при использовании активных и пассивных устройств селекции поперечных мод резонатора

6. Практическая реализация лазерных средств с гарантированными управляемыми параметрами излучения и информационных каналов на их основе для перспективных ОЛС активно-пассивного типа

Объект и предмет исследования. Объектом исследования диссертационной работы являются мощные лазеры импульсно-периодического действия, обеспечивающие реализацию перспективных ОЛС активно-пассивного типа. Предмет исследования - установление основных закономерностей функциональной адаптации лазерных источников ивлучения к составу и условиям эксплуатации ОЛС и их оптимизация на основе учета всех значимых компонент измерительного процесса, отработки новой элементной базы и схемных решений.

1&тодология и методы проведенного исследования. В работе применена методология многоуровневого системного анализа. Экспериментальные исследования базируются на методах лазерной физики, спектроскопии и люминесценции, физической оптики. Расчеты выполнены с использованием методов физики атмосферы, геометрической оптики, математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

5. Показано, что оптимальной для ОЛС активно-пассивного типа совокупностью параметров обладают твердотельные перестраиваемые и дискретные источники лазерного излучения на основе активных сред, содержащих не только традиционные генерирующие ионы Сг⁵⁺ и Nd³⁺, но также ионы Т1³⁺, сИ⁺. Nl²⁺. Со²⁺, Er^J+, Tm⁵⁺, Ho^s+. При этом наиболее практичным является импульсно-периодический режим работы с длительностью локационных сигналов в наносекундном и субнаносекунд-ном диапазонах.

6. Разработан новый малопараметрический метод учета регулярной рефракции атмосферы, обеспечивающий корректировку угловых и линейных параметров движения лоцируемого объекта в реальном масштабе времени с приемлемой для практических целей точностью.

7. Найдены оптимальные варианты спектральной адаптации лазерного излучения к условиям функционирования реальных ОЛС: в случае перестраиваемых лазеров целесообразно сочетание методов электромеханического и акустооптического управления спектрами генерации; для

лазеров с дискретными спектральными переходами оптимальными являются применение селективно отражающих или поглощающих оптических элементов резонатора, а также смена активной среды. Предложен и реализован новый состав иттербий-эрбиевого стекла и оптический элемент на его основе, обеспечивающие спектральную селекцию излучения нео-димсодержащих лазеров с длинами волн 1.06 и 1,32 мкм.

4. Впервые созданы оптимизированные в импульсно-периодическом режиме лазеры на основе: эрбийсодержащего стекла ЛГС-Х с рекордно низким порогом генерации и относительно высокой частотой следования импульсов; гольмийсодержащего кристалла ИАГ:Сг³⁺-Тт³*-Но³'*', способного функционировать в весьма широком диапазоне тепловых нагрузок; кристалла форстерита M^SlC^Cr**. допускающего создание полностью твердотельного перестраиваемого лазера с когерентной накачкой и эффективностью генерации, близкой к предельной.

5. Впервые показана возможность расширения условий существования одноимпульсного режима генерации твердотельных перестраиваемых лазеров на основе А1₂0₃:Т1³⁺ при когерентной накачке еа счет принудительной модуляции добротности резонатора перестраиваемого преобразователя, а также предложен и реализован новый метод получения цуга субнаносекундных импульсов в таком лазере.

6. Впервые методом кластерного моделирования подтвержден механизм формирования фототропных центров в нелинейных хромсодержащих кристаллах, состоящий в размещении ионов сИ⁺ в тетраэдрических по кислороду позициях при варядовой компенсации ионами Са²⁺. Установлены перспективы практического применения твердотельных пассивных элементов управления лазерным излучением в составе ОЛС, а также предложены и реализованы новые активные электрооптические устройства, обеспечивающие высокоскоростное управление как поляризованными; так и неполяризованными световыми потоками.

7. Выяснен физический механизм стабилизации генерационных параметров твердотельных лазеров, заключающийся в селектирующем воздействии на структуру поперечных мод конфигурации резонатора, типа управляющего затвора и степени возбуждения активной среды, и отработаны методики практических расчетов телескопического резонатора с активной и пассивной модуляцией добротности, обеспечивающие реализацию требуемых для ОЛС пространственных характеристик лазерного излучения.

8. Установлена доминирующая в процессе управления длительностью субнаносекундных импульсов роль спектральных селекторов на ос-

5 нове эталонов Забри-Перо, а также заметное влияние на параметры излучения глубины модуляции и частично.степени превышения порога генерации лазера Предложен и реализован новый тип быстродействующего пассивного затвора на основе стекла, легированного твердым раствором полупроводниковых соединений, для осуществления режима синхронизации мод в неодимсодержащих лазерах.

9. Показано, что энергетические параметры лазера могут быть
эффективно повышены в составе ОЛС как ва счет применения катодолю-
минесцентных источников накачки, так и путем рационального выбора
квантовых усилительных структур.

10. Определены основные пути оптимизации ОЛС активно-пассивно
го типа, заключающиеся в комплексном учете наиболее значимых компо
нент погрешности измерительного процесса, локализованных в аппара
туре, среде распространения информационных световых потоков и лоци-
руемом объекте.

Практическая значимость полученных результатов.

Созданы новые лазеры импульсно-периодического действия на основе эрбий- и гольмийсодержащих активных элементов, а также твердотельные перестраиваемые лазеры с когерентной накачкой на основе сапфира с титаном и форстерита, обладающие гарантированными управляемыми спектрально-энергетическими и временными параметрами излучения. Разработаны лазеры с неустойчивым телескопическим резонатором при активной и пассивной модуляции добротности, обладающие стабильными параметрами генерации и минимальной расходимостью лазерного излучения при высоком качестве светового пучка в поперечном сечении. Впервые реализованы неодимсодержащие лазеры с адаптированной по условиям возбуждения катодолюминесцентной накачкой.

Разработана и освоена в промышленном производстве серия лазеров с активной и пассивной модуляцией добротности резонатора, пригодных для применения в конкретных ОЛС. Отработаны базовые структуры, лазерного дальнометрического канала и ОЛС активно-пассивного типа, использованные в ряде аппаратурных разработок БелОШ и ОАО "Пеленг".

Созданы новые оптические элементы и среды, обеспечивающие управление параметрами лазерного излучения. Предложены и опробованы методики оперативного учета регулярной рефракции атмосферы, а также оптимизации структуры и функциональных связей ОЛС активно-пассивного типа.

6 Основные положения, выносимые на защиту.

1. Область решения большинства практически значимых локационных задач может быть существенно расширена путем совершенствования традиционных (содержащих генерирующие ионы Ст³* и Nd³*) лазеров, а также с помощью дискретных и перестраиваемых твердотельных источников когерентного света на основе Ег³⁺, Тт³⁴", 110³^. Ті³⁺, Сг^А+, Nl²⁺. Со²*, функционирующих в импульсно-периодическом режиме при длительности световых сигналов, соответствующей наносекундному и субнано-секундному временным интервалам.

2. Для управления спектром излучения твердотельных перестраиваемых лазеров оптимальным является сочетание электромеханических и акустооптических дисперсионных элементов, в то время как управляемую спектральную селекцию излучения лазеров на дискретных переходах в ближней ИК области целесообразно осуществлять в составе 0Л2 с помощью селективно поглощающих оптических сред и выбора активного элемента. При этом энергетический потенциал лазерных источников света может быть ваметно повышен путем использования селективно возбуждающей катодолюминесцентной накачки к оптимального выбора квантовых усилительных структур.

3. Ыногоэлементные электрооптические и пассивные кристаллические устройства управления лазерами на дискретных переходах позволяют реализовать устойчивые к внешним факторам способы получения наносе кун дньи импульсов генерации, а стабильность пространственных характеристик излучения таких лазеров ваметно повышается при использовании телескопического ревонатора вследствие селектирующего воздействия на поперечную.модовую структуру конфигурации резонатора, элемента управления и степени возбуждения активной среды. Возможности достижения требуемых временных и пространственных характеристик генерации твердотельных перестраиваемых лазеров с когерентной накачкой могут быть существенно расширены за счет принудительной модуляции добротности и использования специальных конфигураций ревонатора.

4. Эффективность управления субнаносекундными импульсами генерации при активной синхронизации мод ревонатора определяется преимущественно степенью воздействия на продольную модовую структуру спектрального селектора на основе эталона Фабри-Перо, глубины модуляции и уровня накачки лазера. Пригодным для реализации субнаносе-кундных импульсов генерации сочетанием оптико-физических свойств обладает также пассивный затвор на основе стекла, легированного по-

лупроводниковыми соединениями CuInS2^._X)Se_2x.

5. Оптимизация ОЛС активно-пассивного типа и ее составных частей может быть осуществлена на основе анализа всех значимых компонент погрешности с учетом их пространственно-временной локализации. При этом оперативный учет регулярной рефракции атмосферы может быть осуществлен малопараметрическим методом, использующим минимальное число характеристик, регистрируемых в зоне размещения аппаратуры: температуру и давление воздуха, а также текущие нескорректированные значения дальности и угла места

Личный вклад соискателя. Содержание диссертации отражает личный вклад автора. Он заключается в формулировке вадач исследований, непосредственном участии в теоретических и экспериментальных исследованиях, анализе и интерпретации результатов.

Работа выполнялась в основном на базе ОАО "Пеленг" и Института физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси. Отдельные исследования проводились в других научных организациях Республики Беларусь, Российской Федерации и Украины. Творческий вклад соавторов отраден в примечаниях к тексту диссертации.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на Республиканской научно-технической конференции "Проблемы создания и применения в народном хозяйстве лазерной и оптико-электронной техники" (Минск, 1982), Ш Всесоюзной конференции "Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации" (Таллин, 1987), Ш Всесоюзной школе по пикосекундной технике (Ереван, 1988), XX Всесоюзном съезде по спектроскопии (Киев, 1988), Расширенном заседании секции ГКНТ "Лазерные люминофоры" (Звенигород, 1988). X Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1989), IV Национальной конференции "Лазеры и их применение" (Пловдив, 1990), Международной конференции "Химия твердого тела" (Свердловск-Одесса, 1990), УШ Ыэждународной конференции по тройным и многокомпонентным соединениям (Кишинев, 1990), VI и УП Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград, 1990, 1993), XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991), Республиканской конференции "Научное и аналитическое приборостроение" (Минск, 1995).

Опубликованность результатов. Основные материалы, представленные в диссертации, опубликованы в 33 статьях, 5 препринтах, 26 авторских свидетельствах и патентах на изобретения, 18 тезисах докла-

дов на конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит ив введени общей характеристики работы, девяти глав, вьшодов, списка использо ванных источников. ООщий объем составляет 327 страниц, в том числ 94 рисунка и 19 таблиц. Библиография содержит 496 наименований.