автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Методы стабилизации лазерных излучателей систем дистанционного контроля

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Северо - Западный заочный политехнический институт

На правах рукописи УДК 621.373.826 &

Парахуда Сергей Евгеньевич

МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЛАЗЕРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ

Специальность: 05.02.11 - Методы контроля и диагностика в

машиностроении

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Потапов А.И.

Санкт-Петербург - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...........................................................................................................4

Г лава 1. Современные тенденции в развитии лазерных систем дистанционного контроля.............................................................................12

1.1. Краткий обзор современных областей применения систем лазерного дистанционного контроля............................................................12

1.2. Краткий обзор и анализ методов стабилизации и улучшения пара -метров лазерных источников систем дистанционного контроля.................20

1.2.1. Анализ методов компенсации термооптических искажений..............21

1.2.2. Анализ методов генерации дифракционно- ограниченных

лазерных пучков.............................................................................................23

Выводы по главе 1.........................................................................................25

Глава 2. Компенсация термоиндуцированных искажеци^^етивном элементе твердотельного лазера................................V:................28

2.1. Метод активной компенсации термоаберраций первого и второго порядка...........................................................................................................28

2.2. Метод частичной компенсации термодвулучепреломления.................37

Выводы по главе 2.........................................................................................46

Глава 3. Методы стабилизации амплитудно-фазового распределения лазерного излучения созданием радиальной зависимости условий

генерации.........................................................................................................47

3.1 Применение зеркал с радиальной зависимостью коэффициента

отражения........................................................................................................47

3.2. Метод создания радиального профиля коэффициента усиления..........53

3.2.1. Моделирование процесса возбуждения «шепчущих» мод в АЭ твердотельного лазера....................................................................................54

3.2.2. Моделирование лазера с радиальным профилем коэффициента

усиления........................................................................................................60

3.2.3, Экспериментальные исследования энергетических параметров

лазеров с радиальным профилем коэффициента усиления..........................65

3.3. Модулятор-интерферометр с квадратичной радиальной

зависимостью внугрирезона горных потерь.................................................69

Выводы по главе 3........................................................................................74

Глава 4. Исследование возможных путей повышения эффективности лазерных излучателей систем дистанционного контроля...........................75

4.1. Исследование генерационных характеристик перспективных лазерных активных сред................................................................................75

4.2. Термостабилизация активных сред твердотельных лазеров.................80

Выводы по главе 4.........................................................................................85

Глава 5. Системы дистанционного контроля со стабилизированными лазерными излучателями................................................................................87

5.1. Лазерный прибор дистанционного контроля внутренних размеров крупногабаритных деталей.............................................................................87

5.2. Активный дистанционный контроль цвета водной среды.....................97

Выводы по главе 5........................................................................................110

Общие выводы по работе..............................................................................111

Литература.....................................................................................................113

Приложения...................................................................................................122

ВВЕДЕНИЕ

Уровень и новизна научных исследований, инженерно-технических разработок, их конкурентоспособность, эффективность и качество производства в значительной степени определяются наличием современных систем диагностики и контроля, обеспечивающих оперативную и достоверную информацию о качестве контролируемых процессов. Поэтому особое внимание уделяется разработкам систем дистанционного контроля, которые интегрируются и воплощают в себе последние достижения в области информатики, лазерной и вычислительной техники.

Возросшая сложность и многообразие систем дистанционного контроля, обусловленная усложнением и модернизацией технологических процессов, требуют разработки новых подходов к решению проблемы стабилизации выходных характеристик систем контроля, таких как точность, чувствительность, надежность.

Свойства лазерного излучения, такие как монохроматичность когерентность, высокая мощность, малая угловая расходимость и длительность импульса, позволяют успешно решать задачи контроля во многих областях: контроль линейных и угловых размеров, физических параметров, химического состава и т.д.

Лазерный излучатель играет определяющую функциональную роль в реализации методов лазерного дистанционного контроля и оказывает существенное влияние на значительную часть выходных характеристик системы, как метрологических так и технико-экономических.

Многообразие методов контроля и физических принципов, на которых они основаны, предполагают многообразие требований к излучателю. Среди них можно выделить требования компактности, высокой энергетической эффективности, надежности и долговечности, возможность использования раз-

ных длин волн излучения и широкого диапазона режимов работы, а также возможность работы в условиях разнообразных внешних отрицательных воздействий без ухудшения выходных параметров. Общими для таких лазеров также являются требования высокоэффективной доставки излучения в зону взаимодействия с объектом облучения и стабильности энергетических параметров в зоне облучения. Следовательно, возникают требования к стабильности энергии, средней мощности, расходимости излучения, девиации оси генерации лазера. В конечном счете, встает задача временной и пространственной стабилизации спектральной энергетической яркости излучения твердотельного лазера.

В последнее время затруднения, обусловленные отсутствием целевого госбюджетного финансирования новых разработок, и реальная потребность в современных средствах контроля, требуют разработки единого подхода при проектировании источников лазерного излучения для систем контроля.

Новые принципы, лежащие в основе структурных схем лазерного излучателя на этапе проектирования- это обеспечение его многофункциональности и функциональной полноты.

В связи с необходимостью реализации этого подхода, возникает целый ряд проблем:

-обеспечение стабильности выходных параметров лазерного излучателя при изменении режимов работы;

- обеспечение возможности генерации излучения на нескольких длинах

волн;

- обеспечение улучшенных эксплуатационных и технико- экономических показателей

Для ряда отраслей промышленности, таких как крупное машиностроение, судостроение и нефтедобывающая промышленность, актуальной задачей является разработка методов и средств контроля и измерений линейных размеров в диапазоне от 0,5 до 20 метров. Предприятия данных отраслей прояв-

ляют значительный интерес к созданию лазерных систем с фотоэлектрической регистрацией, решающих задачи станочного позиционирования и контроля размеров крупногабаритных деталей. Автоматическая регистрация предъявляет повышенные требования к стабильности мощности и пространственного распределения излучения.

Методы дистанционного контроля физических и химических параметров, используемые в таких областях, как экология, климатология, океанология, требуют создания мощных, мобильных многофункциональных лазерных излучателей.

Специфика требований систем дистанционного контроля (СДК) к излучателю состоит в необходимости одновременного обеспечения компактности, широкого температурного диапазона, максимальной энергетической эффективности при минимальном энергопотреблении, устойчивости к внешним воздействиям, повышенного ресурса и стабильности параметров излучения.

Несмотря на определенную известность и распространенность методов стабилизации, они не адаптированы к условиям эксплуатации систем дистанционного контроля. Исследование существующих и разработка новых методов стабилизации параметров лазерного излучателя, применительно к специфике требований дистанционного контроля - задача актуальная.

Цель данной работы:

Улучшение технических и метрологических характеристик лазерных систем дистанционного контроля (ЛСДК) на основе разработки и использования методов стабилизации выходных параметров лазеров.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Уменьшение влияния термоиндуцированных искажений на выходные параметры лазера;

2. Повышение стабильности выходных параметров излучателя при внешнем воздействии нестационарных тепловых полей;

3. Стабилизация относительного распределения плотности энергии в поперечном сечении пучка лазера;

4. Исследование энергетических характеристик и методов стабилизации лазеров, работающих в безопасном для зрения среднем ИК- диапазоне;

5. Развитие метода дистанционного контроля внутренних размеров крупногабаритных деталей.

Объектом исследования были методы, связанные с оптическими свойствами лазеров, а также генерационными особенностями лазерных сред, и методы пространственного и временного управления параметрами генерации.

Анализ и классификация основных методов стабилизации и улучшения выходных параметров лазеров, применяемых в лазерных системах дистанционного контроля показали, что существующие методы различаются по физическим особенностям и направлены на различные элементы лазера, но ни один из них не решает задачи стабилизации параметров в полном объеме. Дальнейшее развитие в данном направлении возможно по пути создания новых, совершенствования известных методов, а также за счет их комплексного использования.

Можно выделить следующие важные направления для проведения исследований в процессе решения поставленных задач

- исследование возможности компенсации термоиндуцированных искажений в активном элементе (АЭ) активной компенсацией аберраций низших порядков и частичной компенсацией термодвулучепреломления;

- развитие подхода повышения яркости и стабилизации путем использования резонаторов с радиальной неоднородностью характеристик: полезных потерь (Гауссовы зеркала), неактивных потерь и коэффициента усиления;

- исследование генерационных свойств перспективных лазерных активных сред;

- повышение эффективности термозависимых активных сред путем оптимизации системы термостабилизации совместным решением генерационных и тепловых уравнений.

В рамках решения первой задачи были получены следующие научные результаты: исследована активная стабилизация яркости твердотельного импульсного лазера одновременной компенсацией аберраций 1-го и 2-го порядка за счет двухкоординатной коррекции положения элемента внутрирезона-торного телескопа; теоретически и экспериментально исследован метод частичной компенсации термодвулучепреломления в АЭ лазера, основанный на применении фазовой пластинки. Совместное применение активной компенсации термоаберраций 1-го и 2-го порядка и частичной компенсации термодвулучепреломления в АЭ позволило стабилизировать выходные параметры твердотельного лазера при изменении режима накачки в широком диапазоне (общее снижение энергии импульса, не превышало 10-15% при изменении мощности накачки до 1 кВт), что повысит эффективность использования многофункциональных лазеров.

Научная новизна заключается в том, что:

- теоретически обоснован и экспериментально подтвержден подход к уменьшению влияния термоиндуцированных искажений, возникающих при изменении режимов работы лазера, комплексным использованием методов активной стабилизации параметров резонатора и частичной компенсации термодвулучепреломления.

В рамках решения второй задачи были получены следующие научные результаты: предложено и исследовано устройство для модуляции излучения, обеспечивающее неразъюстируемость резонатора и свойства квадратичной аподизирующей диафрагмы.

Научная новизна заключается в том, что впервые предложено использование модулятора на эффекте НПВО в схеме модифицированного интерферометра Саньяка.

В рамках решения третьей задачи были получены следующие научные результаты: предложен и исследован метод стабилизации относительного распределения плотности энергии в поперечном сечении пучка селективным возбуждением «шепчущих» мод; разработана математическая модель лазера с радиальной зависимостью коэффициента усиления в активной среде; исследовано влияние на энергию и расходимость лазерного излучения применения резонаторов с радиальной зависимостью условий генерации, обусловленной созданием неоднородных профилей отражения, пропускания и усиления.

Научная новизна заключается в том, что впервые предложен и теоретически обоснован метод стабилизации параметров излучения селективным возбуждением «шепчущих» мод в активном элементе.

В рамках решения четвертой задачи были получены следующие научные результаты: проведены исследования генерационных свойств твердотельных лазеров среднего инфракрасного диапазона; сформулированы рекомендации к использованию кристаллов с кристаллографической ориентацией [111] для работы в режимах с большой частотой повторения импульсов; исследован метод термостабилизации оптически плотных активных сред, позволивший повысить эффективность генерации Но3+: YAG лазера на 20%.

Научная новизна заключается в том, что предложен метод термостабилизации оптически плотных активных сред, основанный на совместном решении генерационных и теплофизических уравнений.

В рамках решения пятой задачи получены следующие научные результаты: предложена принципиальная оптическая схема прибора для контроля внутренних размеров крупногабаритных деталей с лазерным стабилизированным источником, проведена экспериментальная оценка воспроизводимости результатов измерений.

Научная новизна заключается в том, что модернизирован метод лазерного дистанционного контроля размеров, основанный на использовании импульсного стабилизированного лазера, работающего в безопасном для зрения спектральном диапазоне.

Использование результатов диссертационной работы позволит повысить энергетическую эффективность твердотельных лазеров, применяемых в системах дистанционного контроля. Практическую ценность в диссертационной работе представляют:

1 .Модернизированный метод дистанционного контроля внутренних размеров крупногабаритных деталей с использованием импульсного лазера;

2.Предложенное устройство для модуляции лазерного излучения на основе эффекта НПВО и свойств модифицированного интерферометра Саньяка, позволившее уменьшить чувствительность резонатора к разъюстировкам;

3. Принципиальная схема многочастотного твердотельного лазера, используемая в методе активного контроля цвета водной среды;

4.Результаты разработки внедрены на 2-х лазерных излучателях "Ракот 2" в МНТК «Микрохирургия глаза», г. Москва

5.Устройство для модуляции внедрено в НПО "Зенит" г. Зеленоград. Первая глава посвящена анализу современных систем лазерного дистанционного контроля, источников лазерного излучения, требований, предъявляемых к таким источникам, а также существующим методам улучшения и стабилизации параметров лазеров.

Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию методов компенсации термооптических искажений возникающих в процессе работы лазера. Предложен метод активной стабилизации при изменении режима накачки, совместное применение которого с методом частичной компенсации термодвулучепреломления позволяет существенно расширить диапазон работы лазера при снижении энергетических характеристик не более чем на 10-15%.

и

В третьей главе рассмотрен метод уменьшения расходимости и стабилизации относительного распределения плотности энергии излучения созданием радиальной зависимости условий генерации. Исследовано применение зеркал с неоднородным поперечным распределением параметров- амплитудно-фазовых фильтров с квазитрапецеидальным профилем коэффициента отражения и фазовым профилем. Предложен и исследован метод создания радиального профиля коэффициента усиления в активной среде. Исследованы свойства квадратичной аподизирующей диафрагмы -модулятора добротности на основе НПВО и модифицированного интерферометра Саньяка.

Четвертая глава посвящена исследованию перспек