автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Компактный CO2-лазер средней мощности с воздушным охлаждением

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. А.Н.ТУПОЛЕВА

Данилаев Максим Петрович

КОМПАКТНЫЙ С02 ЛАЗЕР СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ С ВОЗДУШНЫМ

ОХЛАЖДЕНИЕМ.

Специальность 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

/

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Польский Ю.Е.

Казань - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................4 стр.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ КОМПАКТНЫХ С02 ЛАЗЕРОВ СРЕДНЕЙ

МОЩНОСТИ..............................................................17 стр.

п. 1.1. Общие требования, предъявляемые к компактным С02

лазерам средней мощности.............................................................................18 стр.

п. 1.2 Особенности температурного режима компактных

С02 лазеров средней мощности......................................................................20 стр.

п. 1.3 Оптические резонаторы компактных СО2 лазеров

средней мощности............................................................................................25 стр.

п. 1.4 Системы накачки компактных С02 лазеров средней

мощности..........................................................................................................29 стр.

п. 1.5 Постановка задачи...................................................................................33 стр.

ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИИ И ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ КОМПАКТНЫХ С02 ЛАЗЕРОВ СРЕДНЕЙ

МОЩНОСТИ.............................................................................................34 стр.

п. 2.1 Температурный режим компактных С02 лазеров средней мощности с воздушным

охлаждением.........................................................................................35 стр.

п.2.2 Особенности теплового режима Н - волноводного

и слэб конструкций С02 лазеров....................................................................41 стр.

п.2.3 Влияние конвекции газа на выходные характеристики

Н-волноводного лазера....................................................................................48 стр.

п.2.4 Сопоставительный анализ температурного режима разрядных камер различных

конструкций............................................................................................52 стр.

п.2.5 Выводы по второй главе........................................................................55 стр.

ГЛАВА 3. ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР КОМПАКТНОГО С02

ЛАЗЕРА СРЕДНЕЙ

МОЩНОСТИ.............................................................................................57 стр.

п.3.1 Оптический резонатор Н-волноводного С02

лазера средней мощности................................................................................57 стр.

п.3.2 Анализ дифракционных потерь многопроходного

устойчивого резонатора...................................................................................70 стр.

п.3.3 Аберрации в резонаторе Н-волноводного

лазера..................................................................................................................75стр.

п.3.4 Выводы по главе......................................................................................78 стр.

ГЛАВА 4. СИСТЕМА НАКАЧКИ Н - ВОЛНОВОДНОГО С02

ЛАЗЕРА..................,..........................................................................................79 стр.

п.4.1 Сравнительный анализ различных систем накачки малогабаритного С02 лазера средней

мощности............................................................................................ВО стр.

п.п.4.1.1 Самостоятельный разряд постоянного

тока..................................................................................................81 стр.

п.п.4.1.2 Несамостоятельный разряд постоянного

тока.................................................................................................82 стр.

п.п.4.1.3 Накачка ВЧ разрядом.......................................................................86 стр.

п.п.4.1.4 Накачка СВЧ-разрядом....................................................................88 стр.

п.4.2 Особенности ВЧ разряда, применяемого для

накачки С02 лазеров.........................................................................................91 стр.

п.4.3 Системы согласования ВЧ генератора

с лазерной нагрузкой........................................................................................95 стр.

п.4.4 Выводы по главе....................................................................................101 стр.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПАКТНОГО Н-ВОЛНОВОДНОГО

ЛАЗЕРА...........................................................................................103 стр.

п.5.1 Описание экспериментальной установки по исследованию

температурного режима Н-волноводного

лазера..............................................................................................103 стр.

п.5.2 Описание экспериментальной установки по исследованию

системы накачки Н-волноводного лазера...................................................106 стр.

п.5.3. Анализ характеристик макета Н - волноводного С02 лазера средней мощности с воздушным

охлаждением....................................................................................111 стр.

п.5.3 Выводы по главе....................................................................................116 стр.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................115 стр.

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................117 стр.

ПРИЛОЖЕНИЕ..............................................................................................124 стр.

ВВЕДЕНИЕ.

Лазерная техника, несмотря на сорокалетнюю историю, в настоящее время переживает этап бурного развития. Одним из важнейших вопросов, решаемых на данном этапе, является вопрос разработке и создания лазеров средней мощности 100 Вт) с малой расходимостью выходного пучка. Данный тип лазера нашел широкое применение в технологии, медицине, измерительных системах и хорошо зарекомендовал себя в стационарных условиях. Однако, использование существующих в настоящее время лазеров средней мощности в автономном режиме (условия чрезвычайных ситуаций, полевая хирургия, лидарные исследования с мобильных установок, микротехнология и точная производственная линия) часто бывает нецелесообразным, поскольку требует значительных экономических затрат, что связано с громоздкостью и большой энергоемкостью их систем охлаждения и накачки. По этой же причине значительно повышается себестоимость конечного продукта при использовании этих лазеров и в стационарных условиях. Поэтому актуальным является создание компактных лазеров средней мощности, практическая ценность которых состоит в том, что наряду с возможностью их автономного использования, они обладают высоким полным КПД, малой расходимостью излучения и высокой экономической эффективностью в стационарных условиях.

Наиболее перспективном в этом направлении является разработка методов и средств, направленных на создание компактных СО2 лазеров средней мощности. Использование СОг лазеров обусловлено тем, что они характеризуются наибольшими значениями достигнутой средней мощности излучения, хорошей отработанностью конструкций, высокими значениями полного КПД (до 10%), хорошим оптическим качеством пучка, надежностью в эксплуатации.

Современный этап развития компактных С02 лазеров средней мощности направлен на повышение полного КПД, а в частности на повышение эффективности резонатора и системы накачки, и базируется на использовании более совершенных конструкций разрядных камер и резонаторов таких лазеров, а также на выборе оптимальной системы накачки. Однако их применение не всегда позволяет добиться требуемых выходных характеристик, а именно мощности и расходимости выходного излучения. Серийные лазеры средней мощности перекрывают диапазон мощности излучения от 50-70 Вт и >500 Вт. Кроме того, следует подчеркнуть, что на сегодняшний день в существующих С02 лазерах средней мощности, как правило, используется жидкостное охлаждение, что приводит к значительному увеличению их габаритов и энергопотребления, а также невозможности работы таких лазеров в автономном режиме. Существующие в настоящее время серийные С02 лазеры с воздушным охлаждением являются маломощными и имеют выходную мощность до 10 Вт. Вопросы создания компактных С02 лазеров с принудительным воздушным охлаждением и выходной мощностью до 100 Вт, которые могли бы значительно повысить их технико-экономические показатели, не нашли отражения в научно-технической литературе. В результате возникает необходимость в разработке новых методов и средств, направленных на создание компактных С02 лазеров средней мощности, а также в усовершенствовании традиционных конструкций.

Необходимо отметить, что разработкой и совершенствованием характеристик компактных С02 лазеров занимаются многие коллективы специалистов, как в России, так и за рубежом. Так, например, вопросам исследований компактного С02 слэб лазера посвящены работы. В.П.Захарова, А.В.Кислецова, А.И.Дутов, А.А.Кулешов и др. Из работ зарубежных специалистов следует выделить труды ряда научно-исследовательских институтов США, ФРГ, Израиля, Японии.

В то же время следует подчеркнуть, что все эти публикации содержат в себе решение лишь частных вопросов, связанных со структурой резонатора и системы накачки, и лишь для лазеров с жидкостным охлаждением. Последнее обстоятельство не позволяет говорить о существенном уменьшении размеров установки даже в случае оптимально найденных решений в области систем накачки и резонатора, что значительно сужает области применения таких лазеров. Поэтому требуется проведение исследований по возможности использования принудительного воздушного охлаждения для компактных СОг лазеров средней мощности и исследование температурного режима их разрядных камер.

Отсутствуют всякие обоснованные рекомендации по выбору конструкции разрядных камер с принудительным воздушным охлаждением. Кроме того, отсутствуют всякие рекомендации по выбору конфигурации резонатора, обеспечивающего требуемые характеристики выходного пучка, а также оптимальной системы накачки для СО2 лазера средней мощности (до 100 Вт) с принудительной воздушной системой охлаждения.

Учитывая вышеперечисленные обстоятельства, данная диссертация посвящена моделированию температурного режима СО2 лазера с воздушным охлаждением и решению вопросов, связанных с обеспечением высокого КПД и требуемых характеристик излучения в указанном типе лазеров.

Резюмируя отмеченные выше обстоятельства, можно сказать, что актуальность настоящей работы обусловлена необходимостью разработки и создания нового, более совершенного компактного С02 лазера средней мощности, позволяющего решать остро стоящие задачи (полевая хирургия, хирургия чрезвычайных ситуаций, передвижные лидарные комплексы и др.) и обеспечивающего высокие характеристики выходного излучения.

Исходя из рассмотренных проблем и существующих потребностей, общая цель диссертационной работы может быть сформулирована следующим образом: решение задач, стоящих на пути создания компактных СО2

лазеров средней мощности с воздушным охлаждением и выработка конструктивных решений по созданию таких лазеров.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обобщить опыт, накопленный в области создания малогабаритных СОг лазеров средней мощности и выявить проблемы, возникающие при создании конструкций таких лазеров. Определить наиболее перспективную конструкцию разрядной камеры такого лазера.

2. Провести теоретические и экспериментальные исследования теплового режима этой разрядной камеры при использовании принудительного воздушного охлаждения.

3. Рассмотреть возможные типы оптических резонаторов для компактных лазеров. Оценить влияние неоднородностей газовой смеси и дифракционных потерь на характеристики выходного излучения и на этой основе выбрать тип резонатора.

4. На основе анализа систем накачки определить наиболее подходящую систему накачки такого лазера; выбрать пути оптимизации системы накачки и провести её экспериментальные исследования.

Достоверность и обоснованность решаемых задач обеспечивается правильным выбором методов теоретического анализа и детальным сопоставлением его результатов с результатами экспериментальных исследований. При выработке концепции создания компактного СО2 средней мощности использовался системный анализ. Выбор наиболее приемлемых конструкций разрядных камер такого лазера основывался на детальном сопоставительном анализе основных существующих конструкций разрядных камер, который для наибольшей наглядности представлен в виде "матриц поиска". Исследования температурного режима выбранных конструкций разрядных камер (слэб, Н-волноводной) осуществлялись на базе математического аппарата термодинамики и газодинамики и подтверждались данными числен-

ного анализа и проведенных экспериментов. При исследовании характеристик оптического резонатора использовался метод лучевых матриц, математический аппарат теории рядов и дифференциальных уравнений. Анализ системы накачки проводился на базе математического аппарата теоретической радиоэлектроники и подтверждался данными проведенных экспериментов.

Научная новизна работы представлена следующими результатами:

1. На основе сравнительного анализа параметров и характеристик существующих компактных С02 лазеров средней мощности; определены наиболее приемлемые конструкции разрядных камер такого лазера: слэб, Н-волноводная.

2. Проведено детальное исследование температурного режима Н-волноводной и слэб конфигураций разрядных камер С02 лазера средней мощности с принудительным воздушным охлаждением; рассмотрен вопрос принудительной конвекции газовой смеси в Н-волноводном лазере, вызванной ипульсно-периодическим режимом накачки; оценена возможность уве- -личения выходной мощности такого лазера за счет движения газа; получены расчетные соотношения, позволяющие оценить температурный режим рассматриваемых конструкций лазеров.

3. На основе проведенных исследований характеристик оптических резонаторов Н-волноводного лазера выбран наиболее подходящий тип резонатора: многопроходной устойчивый резонатор с промежуточными поворотными сферическими зеркалами; оценены дифракционные потери такого резонатора и аберрации, вызванные конвекцией газа.

4. Проведен сравнительный анализ систем накачки Н-волноводного С02 лазера средней мощности, на базе которого выбрана оптимальная система накачки; рассмотрена проблема согласования ВЧ генератора накачки с лазером; разработаны рекомендации по проектированию и применению различных схем согласования.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы и необходимость ее проведения. Сформулирована цель работы, представлены основные защищаемые положения. Показана научная новизна и практическая значимость работы. Описана структура диссертации и приведено ее краткое содержание.

В первой главе указаны основные требования, предъявляемые к компактным С02 лазерам средней мощности, проведен сравнительный анализ характеристик существующих С02 лазеров средней мощности, определены наиболее приемлемые конструкции разрядных камер компактного лазера при использовании принудительного воздушного охлаждения.

Критическое рассмотрение характеристик существующих С02 лазеров средней мощности, на основании результатов сравнительного анализа показало, что успешное решение ряда практических задач во многом осложняется размерами существующих лазеров и качеством их выходного излучения. Данный вывод явился следствием нескольких взаимосвязанных причин.

Первая причина связана с необходимостью поддержания требуемого температурного режима в разрядной камере компактного С02 лазера средней мощности. Жесткие требования к температурному режиму лазера обусловлены тем, что превышение температуры в зоне разряда некоторого критического значения (для С02 лазеров критическая температура составляет 400 - 600 К), приводит к срыву генерации. При электрооптическом КПД лазера 10% и требуемой мощности до 100 Вт приходится отводить порядка 1кВт тепловой мощности. В существующих компактных С02 лазерах средней мощности для того, чтобы эффективно отводить такую тепловую мощность, как правило, используется жидкостное охлаждение. Использование жидкостного охлаждения приводит к существенному увеличению

размеров лазера, и в большинстве случаев к невозможности автономной его работы.

Вторая причина, обусловленная выбором конструкции оптического резонатора для компактного газового лазера, заключается в том, что не все конфигурации резонаторов позволяют получить требуемые характеристики излучения: малую расходимость выходного пучка и высокую степень его фокусировки. В широко применяемых в последнее время слэб лазерах чаще всего используются неустойчивые гибридные резонаторы. Несмотря на то, что такие резонаторы позволяют получить требуемые характеристики выходного излучения, потери энергии излучения в них оказываются достаточно большими. Это приводит к снижению КПД резонатора. Кроме того, следует отметить, что создание зеркал для таких резонаторов является весьма сложной технологической задачей. Поэтому применение таких резонаторов оказывается нецелесообразным.

Третья причина зачастую связана с неоптимальным выбором системы накачки. Существует четыре основных типа электрических разрядов, которые используются для накачки лазеров средней мощности: самостоятельный разряд постоянного тока; несамостоятельный разряд постоянного тока; высокочастотный емкостной разряд; СВЧ разряд в газе. При выборе системы накачки дл