Введение к работе
Актуальность работы
U момента создания первых газовых лазеров с каждым годом увеличивается объем промышленного выпуска и расширяется диапазон применений этого класса приборов. Особое место занимают СО? лазеры, и объясняется это тем, что у данных лазеров эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения в сочетании с максимально достижимой мощностью значительно превосходят аналогичные параметры других типов лазеров.
В последние годы газовые лазеры с возбуждением активной среды высокочастотным (ВЧ) электромагнитным полем получают все более широкое распространение. Они имеют низкое напряжение питания, наименьший уровень оптических шумов, компактны, мобильны, позволяют быстро и в широких пределах управлять энергетическими, спектральными и пространственно-временными параметрами выходного излучения лазера. Преимущества цельнометаллических газовых лазеров с ВЧ накачкой позволяют использовать их в компактных мобильных лазерных системах различного назначения. Широкий спектр применений этих лазеров и наличие высокочастотного возбуждения определяют специфические особенности технической реализации радиотехнических систем стабилизации частоты данных лазеров и ряд предъявляемых к ним особых требований: они должны быть компактными, экономичными, дешевыми и удобными в работе, не должны требовать применения дополнительных фотоприемников и оптических схем, усложняющих конструкцию лазера. Разработка таких систем стабилизации частоты является важной и актуальной задачей, поскольку газовые лазеры с ВЧ возбуждением, в том числе имеющие цельнометаллическую конструкцию, начинают играть ведущую роль"на мировом лазерном рынке.
Поскольку лазеры могут иметь различные параметр*.! разрядной системы и оптического резонатора, желательно еще до изготовления лазера, то есть на стадии проектирования, уметь аналитическим путем оценить достижимый уровень стабильности частоты излучения ' и необходимые для этого средства.
Цель диссертационной работы:
Настоящая работа посвящена исследованию и созданию радиоэлектронных систем стабилизации частоты излучения СОп лазеров с высокочастотной накачкой, базирующихся на использовании оптогерцо-вого эффекта в плазме газового разряда.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
1. Теоретического анализа и математического моделирования ра
диоэлектронной системы стабилизации параметров излучения цельноме
таллического СОг лазера в целом и ее компонентов:
механизма оптогерцового эффекта (ОГЭ) и формирования ОГЭ-сигнала в схеме автоподстройки частоты (AIM) и автоматической регулировки мощности (АРМ);
энергетического спектра электронов высокочастотной газоразрядной плазмы и импеданса активной среды;
зависимости электрических свойств системы возбуждения газового лазера от ее параметров;
влияния внутри- и внерезонаторного уровня оптического излучения на радиотехнические параметры устройства стабилизации .частоты лазера.
-
Выбора и обоснования оптимального способа построения датчиков сигнала ошибки, использующих оптогерцовый эффект.
-
Проведения комплекса экспериментальных исследований разработанных датчиков сигнала ошибки и построенных на их основе радиоэлектронных систем стабилизации частоты излучения цельнометаллического СОг лазера с. высокочастотной накачкой.
Методы исследования. При выполнении работы были использованы классические радиотехнические методы устойчивости, быстродействия и точности систем радиоавтоматики; методы радиотехнических цепей и сигналов для оптимизации схемотехнических решений отдельных узлов системы стабилизации; метод Шермана для численного решения кинетического уравнения Максвелла-Больцмана, описывающего функцию распределения электронов по энергиям в плазме газового разряда; методы современной физики газового разряда; общепринятые методы измерения выходных параметров лазеров, высокочастотных генераторов накачки и радиоэлектронных систем стабилизации частоты лазерного излучения. Основные теоретические положения проверены путем моделирования, макетироьа'кил и натурного экспериментирования, а также, сравнения с результатами, полученными другими авторами.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Обоснованы принципы действия и разработаны оптимальные датчики сигнала ошибки для радиотехнических устройств стабилизации частоты 002 лазера, работающие на основе оптогерцового эффекта и отличающиеся низким уровнем выходных шумов, а также возможностью работы в широком диапазоне изменения уровня мощности высокочастотного возбуждения лазера.
-
?)азработана математическая модель газового разряда в сие-
теме возбуждения COg лазера, отличающаяся самосогласованным характером, учетом большого количества факторов, влияющих на параметры разряда и уровень оптогерцового эффекта, и обладающая достаточной для практики точностью описания моделируемого объекта. На основе созданной модели проведен теоретический анализ электрических параметров высокочастотного газового разряда в смеси C0z-N2-He, позволяющий получить необходимые технические характеристики радиоэлектронной системы стабилизации частоты лазера.
-
Выявлены на основе теоретических и экспериментальных данных зависимости, обеспечивающие получение необходимых электрических параметров устройства высокочастотного возбуждения СОг лазера и обладающие возможностью учета давления рабочей смеси газов и геометрии устройства в широком диапазоне мощности высокочастотной накачки лазера.
-
Разработаны инженерные методики расчета и практические рекомендации по проектированию и оптимизации радиотехнических устройств стабилизации частоты излучения газового лазера, отличающиеся учетом специфики применения оптогерцовых датчиков сигнала ошибки и особенностей стабилизации частоты лазеров, перестраиваемых по линиям излучения активной среды.
Практическая ценность работы состоит в следующем: применение разработанных методик и радиоэлектронных систем стабилизации параметров излучения цельнометаллических COg лазеров с ВЧ накачкой позволяет существенно улучшить технические и эксплуатационные характеристики лазерных систем специального и народно-хозяйственного назначения, повысить качество выходного оптического излучения и'оптимизировать тракт высокочастотного возбуждения СОг лазера, добиться качественного согласования ВЧ генератора накачки с излучающей головкой в широком диапазоне вкладываемой в активную среду мощности. Разработаны алгоритмы и программы для численных расчетов импеданса разряда, входного сопротивления излучающей головки и коэффициента оптогерцового эффекта в плазме активной среды COg лазера. Разработано радиотехническое устройство стабилизации частоты перестраиваемого лазера, характеризующееся , значительным расширением технических возможностей и условий эксплуатации лазера.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в 11 научно-исследовательских работах, выполненных в научном конструкторско-технологическом бюро "Феррит" и в Воронежском государственном техническом университете (ВГТУ).
Внедрение отражено в актах внедрения соответствующих НИР, а
- 4 -также в актах внедрения диссертационной работы. Результаты работы использованы в курсовом и дипломном проектировании на кафедре радиотехнических систем Воронежского государственного технического университета.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Радиотехнические способы повышения стабильности частоты выходного излучения цельнометаллических СОг лазеров с высокочастотной накачкой, основанные на использовании оптогерцовых датчиков сигнала ошибки синхронного типа, улучшении согласования генератора накачки с излучающей головкой и оптимизации параметров устройства высокочастотного возбуждения СОг лазера
-
Математические модели, алгоритмы и результаты численного анализа импедансных характеристик плазмы активной среды лазера и величины оптогерцового эффекта.
-
Результаты экспериментальных исследований электрических и радиотехнических параметров плазмы ВЧ газового разряда- и уровня сигнала ошибки, получаемого на основе оптогерцового эффекта.
-
Принципы действия и схемотехнические решения датчиков сигнала ошибки для радиотехнических устройств стабилизации частоты излучения лазеров с высокочастотным возбуждением, построенных на основе оптогерцового эффекта с использованием синхронного способа обработки падающей и отраженной волн накачки в тракте высокочастотного возбуждения лазера.
-
Радиотехнические методы обеспечения повышенния эффективности работы лазеров, работающих в широком диапазоне изменений условий эксплуатации, а также лазеров, перестраиваемых по спектру излучения активной среды, основанные на применении адаптивных радиотехнических схем, анализирующих наличие режима стабилизации, обеспечивающих автоматический поиск контура усиления активной среды лазера и позволяющих переходить на автоподстройку соседней продольной моды оптического резонатора лазера.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих научно-технических конференциях: Всесоюзно-координационном совещании "Низкочастотные шумы в полупроводниковых приборах и устройствах" (П.Черноголовка, 1991), Республиканской научно-практической конференции "Актуальные проблемы лазерной терапии" (Воронеж, 199S), Международной конференции по нетрадиционным и. лазерным технологиям ALT92 (Москва, 1992)., Международной конференции по лазерам Lasers'93. (Lake Tahoe, Nevada, USA, 1993), Научной медико-технической конференции'"Направления разви-
- 5 -тия лазерных и миллиметровых систем и средств в технике передачи информации и медицине" (Воронеж, 1995), VI11 научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информационных систем измерения контроля и управления (Датчик-96)". (Гурзуф, Украина, 1996), Научно-технической конференции "Разработка и применения лазеров в медицине". (Ростов Великий, 1992).
Публикации. Основные результаты настоящей работы опубликованы в 25 печатных работах: в 12 статьях, 2 патентах и 3 авторских свидетельствах' на изобретение и в тезисах 8 докладов. Проведенные исследования отражены также в 11 отчетах о НИР.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и включает 188 страниц машинописного текста, 60 рисунков на 43 страницах, 1 таблицу, список литературы в 174 наименования. Работа содержит 6 актов о внедрении.
