Введение к работе
Актуальность работы. Анализ существующих модификации конструкций отпаянных СО, -лазеров показал, что их условно можно разделить на два типа Первый тип конструкций (цилиндрический активный элемент имеющий большую длину и 2Lе поперечные размеры размещен в устойчивом оптическомрезонаторе) обеспечивает высокое качество выходного оптиче-ского излучения (близкое к гауссову распределение интенсивности оптиче-ского излучения в поперечном сечении лазерного пучка, то есть малую расходимость возможность фокусировки пучка в пятно минимальных размеров низкий уровень бх лепестков) однако имеет низкий коэффициент ис^ пользования активной лазерной среды и следовательно низкие удельные энергетические характеристик Второй ,тип Активный, элемент щелевой конструкции разящен в неустойчивом оптическим резонаторе) напротив обеспечивает высокий коэффициент использования активной лазерной ср^ ды, однако выходное излучаше лазеров имеет недостаточное качество.
Конструкции СХЛ-лазеров нового поколения должны обладать пре-имуществами указанных двух классов и устшнить их недостатки Примером подобных лазеров служат дисковые лазеры достоинства которых являются следствием использования в них нового типа оптических резонаторов - гибридных неустойчиво-устойчивых резонаторов,
Проектирование лазеров - весьма сложная задача, которая в настоящее
время решается с использованием средств моделирования на ЭВМ. Однако у
нас в стране средства моделирования лазеров имеют ограниченные возмож
ности. Отдельными научными коллективами созданы пакеты программ, с
помощью которых можно рассчитывать одну или несколько разновидностей
конструкций лазеров. За рубежом существуют программные комплексы для
моделирования различных типов лазеров, но имеется лишь очень краткое
описание их характеристик, и не раскрываются особенносги математическо
го обеспечения. Это может объясняться тем, что в условиях жесткой конку
ренции на мировом лазерном рынке данная информация относится к коммер
ческой тайне. С другой стороны известные математические модели и алго
ритмы не позволяют рассчитать новую конструкцию СО;-лазеров - диско
вых лазеров так* как {Ішзичґг.кир пппнргсм в них r.vrnpr.TnpHHn отгшчяттгя от
обычных лазеров что т^бТі pSotJ более сложиь.х и адекватных ма-
^^rw^^o^T^^^^m^ -шекватньх
Таким образом, актуальна разработка средств моделирования и анализа характеристик дисковых СО,-лазеров.
Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка средств моделирования и анализа характеристик новoй конструкции С()2-лазеров - дисковых лазеров для чет необходимо решить следукэшие змлачи' разработать математи^юские модели и алгоритмы анализ!:
структурных характеристик внутрирезонаторного поля дисковых лазеров (амплитудно-фазовых распределений (АФР) поля индуцированного из-
лучения по зеркалам гибридных оптических резонаторов с очень большим числом Френеля и коэффициента использования активной лазерной среды);
энергетических характеристик дисковых лазеров (мощности выходного оптического излучения, коэффициента полезного действия, обобщенного показателя эффективности);
пространственных характеристик выходного оптического излучения дисковых лазеров (расходимости оптического излучения, уровня боковых лепестков в диаграмме направленности);
создать программное обеспечение и провести опытную эксплуатаниш программной системы моделирования и анализа характеристик дисковых. С02 -лазеров;
провести моделирование и анализ характеристик новой конструкции СО,-лазеров - дисковых лазеров и построить зависимости:
коэффициента использования активной среды от радиуса кривизны вогнутого зеркала для резонаторов с числом Френеля N-500, 1000, 1500, 2000; найти максимальный коэффициент использования активной среды;
радиуса кривизны вогнутого зеркала гибридного оптического резонатора, который обеспечивает максимальный коэффициент использования лазерной среды, от числа Френеля резонатора;
выходной мощности оптического излучения, коэффициента полезного действия, обобщенного коэффициента эффективности дискового лазера от мощности накачки при типичных значениях давления активной смеси газов и зазора между зеркалами-электродами;
диаграммы направленности выходного оптического излучения;
разработать методику применения программной системы в условиях
анализа характеристик дисковых лазеров.
Методы исследования. При выполнении работы использованы теория оптических резонаторов и С02 -лазеров, основные положения систелнюго анализа приближенных вычислений метплы CTDVKTVDiioro ппогоаммиоовa-ния и принципы организации вычислительных процессов в мультипрограмм-ной среде.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:
математическая модель анализа aмплитyдно-фaзoвыx распределений
поля индуцированного излучения по зеркалам гибридных оптических резо
наторов дисковых С()2-лазеров и коэффициента использования активной ла-
зепной спрды r к-птппой V4TPHH особенности ппрдложенной ноипй k-onrTnvK-
іГгггбішлн^ пезонттопоГ составной ^v^^^^m^^^^oTh^o
излІЯиГла спя „ІЗ ^к^1ТГнп^оГнЗ,?^гок^
частотных электродов) зеРкалами Резонаторов функции высоко-
алгоритм расчета амплитудно-фазовых распределений поля осиовной моды по зеркалам гибридных оптических резонаторов и коэффициенга ак-
тивной лазерной среды, реапизующий рационапьный вычислительный процесс определения пространственных характеристик вкутрирезонатарпого оптического излучения, в котором: определяются особенности ядра системы интегральных уравнений; расчет подынтегральной функции произподится методом стационарной фазы; вычисление интегралов на отрезках с постоянным знаком подынтегрального ядра производится методом Уэддля, что позволило существенно повысить быстродействие алгоритма, обеспечив достаточную точность вычислений;
пятитемпературная математическая модель и алгоритм анализа энергетических .характеристик лазеров, отличающиеся учетом нагрева активной средь, лазеров по мере повышения мощности накачки, неравномерности распределения интенсивности индуцированного излучения по радиусу зеркат-электродов, особенностей конструкции дисковых лазеров;
результаты моделирования и анализа характеристик дисковых С ()2-
лазеров, которые показали, что коэффициент использования активной лазер
ной среды не зависит от числа Френеля гибридного нсчстойчнво-
устойчнвого оптического резонатора и равен 57 % против 28,33 %, соответ
ствующих лазерам с резонатором Фабри-Перо, в котором достигается наи
больший для традиционных резонаторов коэффициент использования; по
этому применение в дисковых СО,-лазерах гибридных оптических резонато
ров, увелнчивающих более чем в двое коэффициент использования ак1ивной
среды по сравнению с резонатором Фабри-Перо, является причиной дости
жения высоких удельных энергетических характеристик дисковых Ш,-
лазеров' полученные результаты доказали что новый тип конструкции СО-,-
лазеров'- дисковый лазер обладает высокими удетьными энергетическими
Гра^исГка^^
лирный пучок. острп пР
На защиту выносятся: математическое обеспечение моделирования ха-рактер" СО2-лазеров новой конструкции; методики и алopритмы организации вычислительных процесспа аїіялі-пя гтостпянстіимініїїх и энергртичр-ских характеристик излучения; результаты моделирования и эксперименТальные исследования параметров дисковых fY^ "лазеров.
Практическая значимость и результаты внедрения. Разработанные модели и алгоритмы положены в основу создания программной системы моделирования и анализа дисковых СО,-лазеров "DiskLaser", с помощью которой
дисковых лазеров.
Научные результаты, изложенные в диссертации, получены автором в рамках межвузовской комплексной научно-технической программы 12.11 "Перспективные информационные технологии в высшей школе", а гакже госбюджетных НИР межвузовских НТП: "Лазеры и лазерные технологии"; "Конверсия и высокие технологии", и регионадьной НТП "ВУЗ-Чсрночемье" Результаты диссертации внедрены в учебный проиесс по спениальнос!и "Радиотехника".
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Седьмая Международная конференция "Лазеры в науке, технике и медицине" (Сергиев Посад, 1996); Int. Conf. он Lasers'96 (Portland, USA, 1996); Всероссийская НТК "Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация" (Воронеж, 1997); Четвертая Междуиародная НТК "Радиолокация, навигация и связь" (Воронеж 1998); Int Conf on Lasers'98 (Tucson Arizona USA 1998); НТК "Радиоэлектроника н электротехника в народном хозяйств" (Москва, 1998); Пятая Международная НТК "Радиолокация, навигация и связь" (Воронеж, 1999); Десятая Международная конференция "Лазеры в науке, технике и медицине" (Сочи, 1999); Int. Conf. on Lasers'99 (Quebec, Canada, 1999).
Публикации. По материалам диссергации опубликовано 14 научных работ.
Структурa и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 101 наименование, и приложений. Основная часть работы изложена на 102 страницах машинописного текста. Работа содержит 42 рисунка и 3 таблицы.