автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Радиоэлектронные системы стабилизации частоты излучения СО2 лазеров на основе оптогерцового эффекта

На оралах рукописи

ОД

Азаров Александр Александрович

РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ СО-2 ЛАЗЕРОВ НА ОСНОВЕ ОПТОГЕРЦОВОГО ЭФФЕКТА

OFS.12.17 - радиотехнические и телевизионные

системы и устройства Ой.11.07 - оптические и оптико-злектроннне приборы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж 1097

Работа выполнена в Воронежском государственном техническом ^ университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Юдин В. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, ■ профессор Ярыгин А.П.

кандидат технических наук, доцент Акимов В. И.

■ I

Ведущая^организация: Научно- исследовательский институт радиоэлектроники и лазерной техники при Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана, г.Москва.

Защита состоится 28 мая 1997 года б 16.00 на заседании диссертационного, совета К Обо.81.05 в Воронежском государственном техническом университете по адресу: 394026, г.Воронеж, -Московский проспект,. 14, конф.-эап.

0 диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан "...." апреля 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Коаьмин В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

и момента создания первых газовых лазеров с каждым годом увеличивается объем промышленного выпуска и расширяется диапазон применений этого класса приборов. Особое место занимают ССЬ 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 параметры 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 следующий задач:

1. Теоретического анализа и математического моделирования ра- 41 диоэлектронной системы стабилизации параметров излучения цельнометаллического СОг лаэера в целом и ее компонентов:

- механизма оптогерцового эффекта (ОГЭ) и формирования ОГЭ-сигнала в схеме автоподстройки частоты (А11Ч) 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.

2. Выбора и обоснования оптимального способа построения датчиков сигнала ошибки, использующих оптогерцовый эффект.

3. 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 ь 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, макетирова'кил я натурного экспериментирования, а также, сравнения с результатами, полученными другими авторами.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Обоснованы принципы действия и разработаны оптимальные датчики сигнала ошибки для радиотехнических устройств стабилизации частоты СОг 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.

2. F)a8pa0oтaнa математическая модель газового разряда ъ сис-

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 СОг-N2-Не, позволяющий получить необходимые технические характеристики радиоэлектронной системы стабилизации частоты лазера.

3. 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.

4. 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 СОг 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 СОг 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

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:

1. 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

2. Математические модели, алгоритмы и результаты численного анализа импедансных характеристик плазмы активной среды лазера и величины оптогерцового эффекта.

3. Результаты экспериментальных исследований электрических и радиотехнических параметров плазмы ВЧ газового разряда- и уровня сигнала ошибки, получаемого на основе оптогерцового эффекта.

4. 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.

5. Радиотехнические методы обеспечения повышенния эффектив- ' ности 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 докиадывачись на следующих научно-технических конференциях: Всесоюзно-координационном совещании "Низкочастотные шумы в полупроводниковых приборах и устройствах" (п.Черноголовка, 1991), Республи- . канской научно-практической конференции "Актуальные проблемы лазерной терапии" (Воронеж, 1992), 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-

тия лазерных и миллиметровых систем и средств в технике передачи информации и медицине" (Воронеж, 1995), VIII 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 И 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели, кратко изложено содержание и перечислены научные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ литературы по исследуемой проблеме и сделан вывод, что наиболее приемлемым для большинства применений СОг лазеров является модуляционный способ стабилизации частоты с использованием в качестве репера контура усиления активной среды лазера. Показано, что наиболее простыми и удобными в эксплуатации являются радиоэлектронные системы стабилизации с применением датчиков сигнала ошибки, работающих на основе использования оптогальваничес.кого эффекта в плазме газового разряда системы возбуждения лазера и его высокочастотного анапога - оптогерцового эффекта. Предложено эффективное средство повышения стабильности частоты С02 лазеров: применение на стадии проектирования лазера математического моделирования электрических параметров активной среды с целью оптимизации системы стабилизации частоты выходного излучения лазера.

Во второй главе произведен теоретический анализ электрических параметров излучающей головки 00о лазера с высокочастотным возбуждением и величины оптогерцового эффекта в плазме высокочастотного газового разряда в смеси СОг-Мо-Не. Исследовано влияние на параметры разряда геометрических размеров системы возбуждения, давления рабочей смеси и мощности высокочастотной накачки.

Обоснована и использована модель ОГЭ, основанная на описании температурных возмущений в газе за счет колебаний поля излучения лазера. Сделан вывод, что особенно большой ОГЭ в СОг лазерах вызван изменениями плотности газа вследствии изменения нагрева газа как из-за релаксации возбужденных уровней СОг в ходе V-T и V-V-T процессах, так и вследствие стимулированного излучения, которое становится альтернативным каналом потери колебательной энергии возбужденных молекул СОг- Важным эффектом при охлаждении активной среды является повышение плотности газа (в той части газового объема, которая подвергается воздействию лазерного излучения) и, следовательно, уменьшение средней длины свободного пробега и подвижности электронов> приводящее к увеличению импеданса разряда.

Основной характеристикой газового разряда является функция распределения злектронов по энергиям (ФРЭЭ) fo(W), которая позволяет вычислить коэффициент диффузии, скорость дрейфа (подвижность) и характеристическую энергию электронов, а также частоту ионизации. Функция f0(W) в рабочей смеси G'Og лазера является существенно немаксвелловской, определить ее можно из кинетического уравнения Больцмана, которое в общем виде является нестационарным интег-ро-дифференциальным уравнением:

г о ' W 6m М0 ndfo(W)

(eE)z- + —kTWzNE6j,qmk(W)— + lBNWkTE6kBk6K(W) - +

<- NE5kqmk(W) M0 k Mk k J dW

k

r6m „Mo T

+ —WzN£6kqmk(W)— + 18NWE6kBK6k(W) f0(W) + LMo k Mk k J

W+Wjk

+ 5k fwf о (W) qe i k № dW = О, Г1)

L, J k W

где Mo - вспомогательная масса, 5k - доля молекул k-го газа в смеси, Мк - масса молекул k-го газа, m и е - масса и заряд электрона, Е - напряженность электрического поля, N - плотность газа, к -постоянная Больцмана, Т - температура газа, W - энергия электронов, Wik - пороговая энергия неупругих столкновений, ßk - вращательная постоянная молекулы k-го газа, 6k(W) - сечение возбуждения вращений молекулы k-го газа, qmk(W) и qeik(W) - аффективные сечения соответственно столкновений с передачей импульса и неупругих столкновений для k-го газа. Решение уравнения Больцмана производи-

лось численно по методу Шермана с переменным шагом по энергиям.

Результаты численных расчетов ФРЭЭ, скорости дрейфа и характеристической энергии электронов для чистых СОг ,N2 и Не, а также для смеси С02:Ы2:Не = 1:1:8, находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными по этим газам. В диапазоне изменения параметра Е/М от 1СГ20 до 1.5-10"19 В-м2 (10-150 Тд) расхождение с известными величинами составляет не более 10-20 %; что можно объяснить неполнотой и неточность» известных данных по сечениям элементарных процессов и неучетом столкновений второго рода. Для лазеров с ВЧ возбуждением, как правило, применяется смесь СОо.'Мг^Не = 1:1:4, для которой подробные зависимости 0т/(1-е(Е/Ю и УйСЕ/Ю в литературе не приводятся. Сопоставление расчетных результатов с .данными для известных газов и смесей позволяет сделать вывод о том, что полученные в диссертационной работе расчетные данные для ФРЭЭ, скорости дрейфа, характеристической энергии электронов и коэффициента ионизации можно с удовлетворительной точностью использовать для вычисления макроскопических характеристик плазмы газового разряда в рабочих смесях СОг лазера.

При расчете электрических параметров активной среды лазера необходимо определить распределение электронной плотности, температуры, напряженности электрического поля и частоты ионизации по сечению разрядного промежутка. Вычисление импеданса газоразрядной плазмы и его изменений в условиях действия оптогерцового эффекта производится п^тем решения самосогласованной системы уравнений, основными составляющими которой являются уравнения баланса заряженных частиц в зоне разряда и уравнение баланса температур. Уравнения баланса заряженных частиц учитывают явления ионизации молекул газовой смеси в плазме газового разряда и диффузии образовавшихся частиц на стенки разрядного промежутка. Уравнение баланса температур учитывает выделение тепла в разряде за счет приложенного к нему электрического поля и отвод тепла из объема к охлаждаемым стенкам за счет теплопроводности газовой смеси. Задав далее интенсивность и профиль оптического пучка внутри разрядного промежутка можно определить изменение параметров газового разряда (в т.ч. его импеданса) и вычислить таким образом величину оптогерцового эффекта. Параметры плазмы определяются в газовом ЬЧ разряде среднего давления (слабо аномальный а-режим) между плоскими протяженными охлаждаемыми металлическими электродами.

Уравнения баланса для электронов и ионов имеют вид:

... - 8 -

5ne r 6ne, Des De б2печ

- = ViTie +|ie riedivEst + - Est+div— +--— (f„ne) , (2)

5t ^ ôx (j.e ôx >

5n j к 5nik 62n ik

-- = vikne - 1-tikriikdivEst--Est + Dik -5- , (3)

ot бх ôx

где Vjk, ji-ik, Dik. riik - частота ионизации, подвижность, коэффициент диффузии и концентрация молекул к-го сорта соответственно, De

- коэффициент диффузии электронов, vj - суммарная частота ионизации, пе - концентрация электронов, |ie - подвижность электронов Est

- статическое поле, создаваемое пространственными зарядами плазмы, fH - частота поля накачки, t. - время, х - координата в направлении, перпендикулярном электродам системы возбуждения. Последнее слагаемое в уравнении (2) описывает потери, возникающие вследствие столкновения электронов с электродами, и учитываются только в при-электродной области, из которой электроны могут достичь электродов за время одного периода поля накачки.

Уравнение баланса температур имеет вид:

(5Q(x)/6t)/V = р(х) + div(x(x)gradT(x)) , (4)

«

где Q(x) - количество теплоты, р(х) - выделяемая удельная мощность, х(х) - теплопроводность газа, V - объем межэлектродного пространства. Для учета влияния вывода оптического излучения из разрядного объема на температуру газа следует в формуле (4) подставлять вместо величины выделяемой удельной мощности р(х) выражение (Р(х)-РогпЧх)) . где Ропт(х) - объемная плотность оптической мощности в межэлектродном пространстве.

В лазерах с ВЧ накачкой продольные размеры разрядной системы оказываются соразмеримы с длиной волны накачки, следовательно при расчете входного сопротивлений излучающей головки необходимо учитывать волновые свойства разрядной системы. .

Выражения для продольного сопротивления Zo и комплексной проводимости единицы длины разрядного промежутка Y0 имеют вид:

Zo = jwLo , (5)

/ 21

Уо = b

dx

J 6(x)+jeos(x)w 0

(6)

где Ь - ширина электродов, Ь - длина электродов, 2] - межэлектродный зазор, Ь0 - индуктивность единицы линии, ы - круговая частота

поля накачки, б(.ч) - проводимость плазмы, е(х) - диэлектрическая проницаемость плазмы, ео - электрическая постоянная.

Сопротивление нагрузки длинной линии должно носить индуктивный характер и быть чисто реактивным, чтобы не вносить дополнительных потерь ВЧ мощности накачки. Критерий выравнивания для вы-5ора величины сопротивления нагрузки записывается в виде:

"де Их и Цо - напряжения в начале и в конце линии, - волновое сопротивление линии, 2.н - комплексное сопротивление выравнивающей эеактивности, т - постоянная распространения.

В третьей главе анализируются результаты расчетов распределе-чия напряженности электрического поля, концентрации электронов и температуры газовой смеси в межэлектродном зазоре, импеданса газового разряда и его зависимости от уровня мощности выводимого из разрядного промежутка лазерного излучения, а также экспериментальных исследований электрических параметров излучающих головок семи действующих' моделей СОг лазеров цельнометаллической конструкции с выходной мощностью от 15 до 100 Вт, предназначенных для работы в составе технологических и медицинских установок.

Компьютерное моделирование производилось для состава рабочей смеси С02:И2:Не = 1:1:4 и частоты ВЧ возбуждения 81,36 МГц. Расчеты показали, что активное сопротивление разряда при увеличении вкладываемой мощности уменьшается, эквивалентная емкость при этом изменяется в значительно меньшей степени. Например, в устройстве формирования поля возбуждения с межэлектродным зазором 4 мм, площадью электродов 50 см2 и давлении смеси СЮ тор при увеличении мощности накачки от 200 до 400 Вт активное сопротивление изменяется от 75 до 32 Ом, а емкость - от 18 до 25 пФ.

Для проверки соответствия'полученных расчетных значений импеданса газоразрядной нагрузки генератора высокочастотной накачки доведена линейная интерполяция расчетных кривых зависимости действительной части параллельного эквивалента импеданса газоразрядной чагрузки от мощности ВЧ накачки 1?о(Р) для конкретных образцов лазеров. Расчетные значения на 10^-15 £ превышают полученные из экс-теримелта. Такое расхождение объясняется погрешностями измерений и юучетом в численной модели присутствия в используемой рабочей змеей лазера 5-процентной добавки ксенона, имеющего низкую энергию тонизации. Таким образом, полученные путем численного моделирова-

1»1| =.|Чг1 .

I сИть + (гв/гн^Ити = 1 ,

(?) (8)

ния импедансные характеристики высокочастотной плазмы, используемой в качестве активной среды СОz лазеров, с удовлетворительной точностью соответствуют значениям, наблюдающимся в эксперименте.

Проведены расчеты зависимостей реличины ОГЭ от уровня вкладываемой мощности и давления рабочей смеси. Например, для указанных выше параметров разрядной системы, мощности накачки 400 Вт и мощности оптического излучения. £0 Вт, при изменении давления рабочей смеси от 20 до 50 тор величина 0ГЭ увеличивается от 1,4 до 2,3 %.

Численный анализ влияния, конструктивных'особенностей излучающей головки показал, что для каждого уровня вкладываемой мощности требуется определенная оптимальная величина корректирующей индуктивности. Для устройства ВЧ возбуждения' с шириной электродов 20 мм, длиной 250 мм, высотой канала 4 мм и давлением рабочей смеси 50 тор она при изменении мощности накачки от 200 до 500 Вт уменьшается от 512 до 384 нГн. Расчеты показывают, что при оптимальном выборе параметров устройства ВЧ возбуждения активной среды и величины входной индуктивности входное сопротивление излучаэтшей головки лазера может быть чисто активным и составлять 50 0м, что может существенно облегчить задачу согласования генератора ВЧ накачки с излучающей головкой.

В 4 главе разработаны технические пути реализации радиоэлектронной системы 0ГЭ-стабилизации частоты излучения С0г лазеров с ВЧ накачкой. Рассмотрены различные способы получения оптогерцового сигнала ошибки в лазерах с ВЧ возбуждением и показано, что наилучшим оптогерцовым датчиком сигнала ошибки является датчик синхронного типа, использующий отраженную от нагрузки волну высокочастотной мощности накачки [5,6].' Экспериментапьные исследования показали, что отношение сигнал/шум на выходе такого датчика в 20 раз выше, чем'у датчика, построенного на основе трансформатора тока. Кроме того, синхронный датчик может служить источником сигнала! рассогласования генератора накачки с излучающей головкой." !

На основе анализа факторов, влияющих на нестабильность частоты лазера сформулированы требования к радиоэлектронной системе автоподстройки частоты лазера. Даны практические рекомендации по повышению эффективности системы стабилизации за счет оптимизации коэффициентов передачи и принципиальных схем ее узлов, в том числе предлагается: использовать оптогерцовый датчик синхронного типа, в качестве опорного сигнала которого применяется напряжение падающей волны накачки; строить принципиальную схему интегратора на прецизионных операционных усилителях и применять в нем схему сброса,

позволяющую осуществлять надежную стабилизацию частоты излучения лазера, имеющего низкую стабильность оптического резонатора или работающего в отроком диапазоне изменения температур.

Рассмотрены особенности построения радиоэлектронной системы стабилизации частоты лазера, перестраиваемого по линиям излучения активной среды. Предложена структурная схема системы стабилизации [7,8], позволяющая автоматизировать процесс поиска контура усиления при включении лазера и его перестройке по линиям излучения.

На основании изложенных рекомендаций создан экономичный и надежный, малогабаритный, простой в настройке и удобный б работе радиоэлектронный блок стабилизации частоты газовых лазеров с опто-герцовым датчиком сигнала ошибки, имеющий следующие технические параметры: диапазон выходных напряжений -380 + +350 В; частота модуляции 1500 Гц; время поиска контура усиления ке более 2 напряжение питания 24 - 28 В; потребляемая мощность 8 Вт; габаритные размеры 200x100x50 мм; масса 1,5 кг.

Разработанная радиоэлектронная система стабилизации частоты излучения ООг лазера внедрена на ряде предприятий России в составе лазеров с ВЧ накачкой, в том числе в системах лазерной спектроскопии (НИИ радиоэлектроники и лазерной техники при МГТУ км. Н.Э.Баумана, г.Москва); в технологических установках изготовления стекловолокна (Российский центре лазерной физики, г.Санкт-Петербург); в лазерном гетеродине (НПО "Астрофизика, г.Москва); в перестраиваемом СО?, лагере для спектроскопической системы контроля состава газовых смесей (Пермский нефтеперерабатывающий комбинат); в медицинском СОг лазере (ВНИИ медицинского приборостроения, г.Москва); в цельнометаллическом СОг лазере (НИИ стали, г.Москва).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Диссертационная работа посвящена разработке радиоэлектронных систем стабилизации частоты излучения СОг лазеров с высокочастотной накачкой, базирующихся на использовании оптогерцового эффекта в плазме активной среды лазера.

Основные научно-технические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Выявлен класс газовых лазеров, условия эксплуатации и функционачьное назначение которых требуют применения радиоэлектронных средств стабилизации частоты лазерного излучения.

2. Проведен анализ различных вариантов построения датчиков

сигнала ошибки для радиоэлектронных систем стабилизации одночас-тотного режима излучения СОг лазеров с высокочастотным возбуждением, использующих оптогерцовый эффект, и определены критерии выбора оптимального варианта. Предложена принципиально новая система стабилизации на основе датчика сигнала ошибки синхронного типа, обеспечивающего максимальное соотношение сигнал/шум.

3. Исследованы пути оптимизации радиоэлектронных систем стабилизации частоты газовых лазеров и определен оптимальный вариант построения принципиальной схемы системы. Предложено принципиально новое радиотехническое устройство стабилизации частоты газового лазера, перестраиваемого по линиям излучения активной среды, позволяющее автоматизировать поиск контура усиления требуемой спектральной линии при включении лазера и в процессе его частотной перестройки, устраняющее ограничения на величину собственного теплового дрейфа оптического резонатора и повышающее надежность работы лазерной системы в целом.

4. Разработан метод инженерного расчета и сформулированы рекомендации по проектированию систем стабилизации частоты выходного излучения СОо лазеров с высокочастотной накачкой, работающих на основе использования оптогерцовых датчиков сигнала ошибки.

5. Выполнен комплекс экспериментальных исследований разработанных датчиков сигнала ошибки и построенных на их основе радиоэлектронных систем стабилизации частоты выходного излучения действующих образцов цельнометаллических СОг лазеров с высокочастотной накачкой.

6. Дана самосогласованная формулировка задачи определения управляющего сигнала для радиоэлектронной системы стабилизации частоты выходного излучения СОг лазера с ВЧ накачкой.

7. В рамках самосогласованной теории построена математическая модель процессов, протекающих в высокочастотной плазме газового | лазера среднего давления с плоским каналом генерации излучения, ! определяющих импедансные характеристики излучающей голов™ лазера как нагрузки системы возбуждения и источника управляющего сигнала для радиоэлектронной системы стабилизации частоты лазера. Модель, учитывающая взаимное влияние около 20 физических, электрических, оптических и термодинамических параметров, позволяет численно исследовать пространственные распределения указанных параметров в канале генерации излучения, влияние на них вывода'оптического излучения из резонатора лазера и получить значения интегральных электрических параметров плазмы высокочастотного газового разряда 1сак

- 1У -

при выводе лазерного излучения из оптического резонатора, так и в его отсутствие.

8.. Решением кинетического уравнения для электронов слабоиони-зи|х.>ванной плазмы типичной по составу активной среды СОг лазера получена функция распределения электронов по энергиям. Рассчитаны скорости дрейфа электронов, коэффициенты диффузии электронов и ионизации атомов и молекул в смеси. На примерах чистых газов и смесей показано хорошее (с расхождением не более 5 %) совпадение полученных результатов расчета по предложенной модели - с известными результатами. Тем самым гарантированы адекватность моделирования газового разряда с помощью разработанной теории и достоверность полученных расчетных данных.

9. Разработаны алгоритмы и пакет программ, предназначенных для определения импедансных характеристик излучающей головки лазера и величины оптогерцового эффекта в плазме активной среды.

10. Проведен компьютерный эксперимент и расчеты важнейших параметров плазмы рабочей среды лазера: активной и реактивной составляющих импеданса ВЧ разряда, высокочастотного напряжения на электродах устройства формирования поля накачки, профили распределения концентраций электронов и ионов, проводимости и диэлектрической проницаемости плазмы, напряженностей высокочастотного и статического электрических полей, интенсивности процессов ионизации и диффузии, распределения тепловых источников и температуры рабочего газа и др. В ходе численных расчетов электрических параметров плазмы активной среды СОг лазера и влияния на них выходного когерентного оптического излучения для большого числа вариантов канала генерации лазерного излучения установлены закономерности их поведения при изменении высоты канала, давления газовой смеси и вкладываемой в активную среду мощности высокочастотной накачки.

11. Разработана методика инженерного расчета входного сопротивления излучающей головки лазера с использованием представления радиочастотного устройства формирования поля накачки как длинной линии с большими поперечными потерями, учитывающая наличие, конструктивных и выравнивающих реактивностей на концах электродов. Получено аналитическое выражение для расчета оптимальных значений концевых выравнивающих индуктивностей. Исследовано влияние геометрических размеров высокочастотных электродов системы накачки на ее входное сопротивление. Показано, что путем оптимизации параметров излучающей головки можно упростить задачу ее согласования с генератором высокочастотной накачки вплоть до полного отказа от приме-

нения согласующего устройства.

18. Созданные радиоэлектронные системы стабилизации частоты излучения внедрены в цельнометаллических СОг лазерах с высокочастотной накачкой, предназначенных для технологических и медицинских целей, а также для экологических комплексов лазерного газоанализа.

Разработанные системы стабилизации частоты лазерного излучения позволили существенно уменьшить массо-габаритные и повысить ■эксплуатационные характеристики лазерных систем специального и народно-хозяйственного назначения, повысить качество выходного оптического излучения и оптимизировать тракт высокочастотного возбуждения СОг лазера. Результаты работы использованы в учебном процессе.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Стабилизация частоты по ОГ'Э QO2 лазера с. ВЧ возбуждением / А.А.Азаров, В.В.Макаров, Г.Н.Худяков, В.И.Юдин //Спец. техника средств связи. Сер. ТРС - 1988. - Вып.З. - С. 121-125.

2. Перестраиваемый по длинам волн СО2 лазер с радиочастотным возбуждением / Г.Н.Худяков, В.В.Макаров, А.Н.Ишутин, Ю.Ф.Кузьмин,

A.А.Азаров, В.И.Юдин // Приборы и техн. эксперим. - 1992. - N 2. -С. 274..

3. Азаров A.A. Шумовые параметры источников сигнала ошибки в системах A1W СОг лазеров с ВЧ накачкой // Низкочастотные шумы в полупроводниковых приборах и устройствах. - Нижний Новгород: НГУ, 1992. - С. 7-10,- Деп. в ВИНИТИ.

4. A.c. 255752 СССР, МКИ H01S3/13. Частотностабилизированный газовый лазер / А.А.Азаров (.СССР). - Заявлено 1.06.87.

5. A.c. 307114 СССР, МКИ H01S3/13. Частотностабилизированный• лазере радиочастотным возбуждением / А.А.Азаров, А.Н.Ишутин,|

B.В.Макаров (СССР)..- Заявлено 2.01.90. - |

6. Патент 2064721 РФ, МКИ Н0153/13. Частотно-стабилизированный газовый лазер/ А.А.Азаров. А. Н.Ишутин, В.В.Макаров (РФ)- -'Заявлено 13.02.89; Опубл. 27.07.96, Вол. N 1.

7. A.c. 1805811 СССР, МКИ H01S3/13. Устройство стабилизации частоты газового лазера / А.А.Азароь, А.Н.Ишутин, В.В.Макаров (СССР). - Заявлено 9.06.УО; Опубл. 10.12.93, Вюл. N 12.

8. Патент 1805311 РЬ, МКИ H01S3/13. Устройство стабилизации частоты газового лазера / А.А.Азаров', А.Н.Ишутин, Н.В.Макаров (РФ) - Заявлено 9.06.90; Опубл. 10.01.95, Еюл. N 1.

9. Азаров Л.Д., Володько Д.В.. Юдин В.И. Математическое моделирование и анализ на ЭВМ процесса лазерной спектральной одороди-агностики // Актуальные проблемы лазерной терапии: Тез. докл. республиканской научно-практической конференции. - Воронеж: М1'У, 1992. - С.26.

• 10. Оперативный анализ газовых смесей методом оптнко-акусти-ческой ИК-спектроскопии с применением перестраиваемого 002 лазера с высокочастотной накачкой / А.А.Азаров, Ю.И.Кирилин, В.В.Макаров, Г.Н.Худяков, В.И.Юдин // Актуальные проблемы лазерной терапии: Тез. докл. республиканской научно-практической конференции. - Воронеж: МГУ, 1992. - С.2?.

И. Laser system for supervision of technological processes by single-wave arid group multi-wave optoacoystic. IR-spectroscopy method / A.A.Azarov, Yu.I.Kirilin, V.V.Makarov, G.N.Khudyakov, V. I.Yudin // International conference on advanced and laser technologies ALT'92: book of summaries. - Moscow, 1992. - part.l. - P. 120-122.

12. Tunable RF-excited CO2 laser for ecology, biotechnology and odorodiagnostic / A.A.Azarov, Yu.I.Kirilin, V.V.Makarov, G. N. Khudyakov, V. I.Yudin // International conference on ' advanced and laser technologies ALT'92: book of summaries. - Moscow, 1992.

part.6. - P. 29-32.

13. Технологический СОг-лазер с высокочастотным возбуждением активной среды / Л.А.Азаров, К).И.Кирилин, ¡О.Ф.Кузьмин, В.В.Макаров, Г.Н.Худяков, В.И.Юдин // Приборы и техн. эксперим. - 1995. -N 5. - С. 203-204.

14. Разработка компактных ОО2 лазеров нового типа с высокими удельными энергетическими параметрами излучения / В.И.Юдин, В.В.Макаров, А.Н.Ишутин, Ю.Ф.Кузьмин, Л.А.Азаров, Г.Н.Худяков // Лазер, физ. - 1993. - N 5. - С. УЬ-Уб1

15. Разработка нового поколения молекулярных многофункциональных лазеров ИК-диапазона о внутрирезонаторным электронным управлением параметрами излучения / В.И.Юдин, В.В.Макаров, К). <Т>. Кузьмин, Г.Н.Худяков, А.А.Азаров // Лазер.физ. - 1994. - N 9. - С.б9.'

16. Разработка компактных СОг лаёеров нового типа с высокими • удельными энергетическими параметрами излучения / В.И.Юдин, В.В.Макаров, Ю.Ф.Кузьмин, Г.Н.Худяков, А.А.Азаров, Э.П.Харитоненко // Лазер, физ. - 1994. - N 9. - С. 69-70.

17. Разработка экологического лазерного комплекса для контроля содержания вредных газовых примесей в воздушной среде /

-16 - I

b.И.Юдин, ь. В. Макаров, Ю.Ф. Кузьмин, №. И. Кирилин, Г.Н.Худяков,

А.А.Азаров // Лазер, физ. - 1994. - N 9. - С. 18-19.

18. Разработка лазерного эллиисометра на основе возбуждаемого электромагнитным полем СС'и лазера с электронной перестройкой длины волны излучения / В.И.Юдин, В.В.Макаров, Ю.Ф.Кузьмин, Ю.И.Кирилин, Р.Н.Худяков, A.A.Азаров //' Лазер, физ. 1994. - N 9. - tí. 11-12'.

19. Азаров A.A. Импеданс плазмы высокочастотного газового разряда в смеси газов COg-Hg-He и величина оптогерцоього эффекта в активной.среде СОо лазера. / Синтез, передача и прием сигналов уп-. равления и связи: Межвуз. сб. науч. труд. - Воронеж, ВГТУ, 1996. -С. 18?-194.

20. Tunable on wavelength all-met.al RF-excited COg ' laser / A.A.Azarov, Yu.I.Kirilin, V.V.Makarov, G. N.Khudyakov, V.I.Youdin // International Conference on Lasers'93: book of surnmaries. Lake Tahoe, Nevada, USA, 1993. - P. 4.

21. Цельнометаллические СОг лазеры медицинского назначения / А.А.Азаров, Ю.И.Кузьмин, В.J5.Макаров, Р.Н.Худяков, В.И.Юдин // Направления развития лазерных и миллиметровых систем и средств в технике передачи информации и медицине: Тез. докл. Научн. меди-ко-техн. конф. - Ворюнеж: ВГМА, 1995. - С.35.

22. Лазерное устройство контроля газов / В.И.Юдин, А.А.Азаров, Н.В.Архипова и др. // Датчики и преобразователи информационных систем измерения контроля и управления (Датчик-96): Тез. докл. VI1.1 науч.-техн. конф. - Гурзуф, Украина, 1S96. - т.1. - С. 127.

23. Система контроля состава газовых смесей методом опти-' ко-акустической ИК-слектроскопии на основе цельнометаллического перестраиваемого C'0¡> лазера / А.А.Азаров, Ю.И.Кирилин, В.В.Макаров, Г.Н.Худяков, В.И.Юдин // Разработка и применения лазеров в медицине: Тез. докл. науч.-техн. конф, - Ростов Великий: РТУ, 1992

- С. 6.

24. Int racavity control of СОг RF-excited laser radiation parameters / A.A.Azarov, V.V.Makarov, Yu.F.KuziTiiri, G.N. Khudyakov, V.I.Youdin // Optics and Lasers in E;ng-irieerini¿. Special issue: Lasers in the Food Industry. Elsevier, Applied Sciense. Edinburg. December, 199b:.

25. Азаров A.A. Шумовые параметры источников сигнала ошибки в системах АГМ СОг лазеров с ВЧ накачкой // Изв. вузов. Радиофизика.

- 1993. - Т. 36. - N 6. - С. 564-567.