автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Создание системы управления полупроводниковой накачкой активных элементов твердотельных лазеров и повышение ее эффективности

Для служебного пользования Экз. ¡'а

ПОЗНЫШЕВ Александр Николаевич

СОЗДАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ НАКАЧКОЙ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ И ПОВЫШЕНИЕ ЕЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2004

Работа выполнена во Владимирском государственном университете

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Коростелев Владимир Федорович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Бернюков Арнольд Константинович

доктор технических наук, профессор Милиции Юрий Александрович

Ведущая организация

Федеральное государственное унитарное предприятие научно-исследовательский институт «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха

Защита состоится «!° » И ОхЪу ^ 2004 г., в «/5 » часов, в ауд. 211-1 на заседании диссертационного совета Д212.025.01 Владимирского государственного университета по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87.

Автореферат разослан « » олЛ А а 2004 г,

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Р.И. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Твердотельные лазеры принадлежат к одной из наиболее динамично развивающихся областей высоких технологий, основанных на лазерной физике. Основными путями совершенствования их технических характеристик являются увеличение энергосъема с единицы объема и снижение массогабаритных характеристик.

Особый интерес представляют твердотельные лазеры с диодной накачкой. Диодная накачка позволяет:

• обеспечить продолжительную работу лазеров в импульсно-периодическом режиме с сохранением качества излучения за счет снижения уровня теплового воздействия при накачке на активный элемент;

• многократно повысить коэффициент полезного действия (КПД) лазера за счет практически полного совпадения спектральной полосы излучения полупроводникового лазерного диода с полосой поглотцения активного элемента твердотельного лазера;

• существенно улучшить массогабаритные характеристики лазеров;

• использовать низковольтные источники' электропитания для обеспечения работы лазера и комплекса в целом.

Для существенного улучшения выходных характеристик твердотельных лазерных систем необходимо повышение удельной мощности оптической накачки, что в свою очередь требует создания специальных систем управления полупроводниковыми матрицами. Отсюда следует необходимость совместного совершенствования нескольких разнородных процессов и соответствующих составляющих лазерного комплекса; для решения таких задач адекватной методологической основой является системный подход.

Цель пабогы. Совершенствование системы управления термостаби-лизированных лазерных матриц, разработка и обоснование ее теоретических и методических' основ, а также практических рекомендаций по осуществлению управления оптической накачкой активных элементов твердотельных лазеров при создании лазерных систем нового поколения.

Для достижения цели ставятся и решаются следующие научные задачи:

• Исследование условий построения высокоэффективного термоэлектрического стабилизатора активного слоя матрицы полупроводнико-

К

вых лазерных диодов на основе системного подхода и факторов влияния на выходные излучательные характеристики матрицы.

• Разработка комплекса структурных и математических моделей как элементов термоэлектрического стабилизатора матрицы лазерных диодов (МЛД), так и системы в целом и исследование процессов регулирования параметров, влияющих на эффективную накачку.

• Формирование комплекса средств для проведения экспериментальных исследований как основных элементов систем термостабилизации и системы электропитания полупроводниковых матриц, так и комплексных системных исследований.

• . Исследование влияния параметров силового питания и тепловых процессов на выходные характеристики оптического излучения полупроводниковых лазерных матриц и практическая отработка систем электропитания и термостабилизации МЛД.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

• Сформирована обобщенная системная блочно-модульная модель термостабилизированной матрицы, включающая в свой состав матрицу лазерных диодов, систему низковольтного электропитания и систему управления термостабилизацией МЛД.

« Построена совокупность математических и структурных моделей элементов системы и системы в целом, обеспечивающая исследование и проектирование систем термостабилизации твердотельных лазеров.

• Выявлены зависимости выходных характеристик системы полупроводниковой накачки от физических параметров, характеризующих режимы работы ее элементов.

« Предложен подход и обоснована возможность существенного повышения КПД создаваемых лазерных систем, что позволит отечественной промышленности создавать мощные малогабаритные твердотельные лазерные системы для использования в различных технологических процессах.

Таким образом, теоретическая значимость результатов работы состоит в том, что определен вклад в развитие научно-методических основ повышения эффективности систем накачки лазерных комплексов полупроводниковыми лазерными диодами.

Практическая значимость работы заключается в том, что с использованием основных положений и результатов диссертационной работы при участии автора разработай и принят к внедрению комплекс руководящих 2

методических материалов по созданию эффективных систем управления полупроводниковой накачкой лазеров, а также сформирован комплекс средств для экспериментальных исследований и отработки реальных систем. Это позволило перейти к практическому созданию матриц полупроводниковых лазерных диодов с удельной импульсной мощностью излучения не менее 700 Вт/см2 и созданию мощных отечественных лазерных систем с полупроводниковой накачкой.

Результаты работы могут непосредственно использоваться при подготовке специалистов, в научно-исследовательских работах в этой области и оказании консультационных услуг по данному профилю.

Апробация работы и использование ее результатов. Основные, ^ положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Первой-г

Пятой Всероссийских отраслевых научно-технических конференциях (г. Радужный, 1996, 2000, 2002, 2004 гф; Первой Всероссийской научно-технической конференции (г. Владимир, 2004 г.); на заседаниях семинара кафедры автоматизации производственных процессов ВлГУ в 2004 г.

Внедрение результатов работы. Результаты исследований, а также выводы и практические рекомендации диссертации являются основЬй те-' матических работ, проводимых под непосредственным руководством автора в ФГУП ГосНШЛЦ РФ «Радуга» по НИР «Проводничок», НИР «Накопитель», НИР «Ювелир», ОКР «Микромодуль», а также нашли, практическое применение при реализации конкретных технических, ц проркгных. решений по созданию лазерных систем, что подтверждается актами ,вне-> дрения.

Теоретические положения и практические результаты диссертации вошли в содержание дисциплин, читаемых для студентов на кафедре авто-ь матизации производственных процессов ВлГУ.

. Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 17 печатных научных работах, в том числе в 11 авторских свидетельствах и патентах на изобретения.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертацйи 147 страниц, в том числе 124 страницы основного текста, 11 страниц списка литературы, 10 приложений. Диссертация содержит 631рцсучка и 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется научная новизна и практическая ценность полученных результатов, дается структура диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ условий работы элементов лазерных комплексов и создания системы управления термостабилизации полупроводниковой лазерной матрицы. Выявлено, что применение в твердотельных лазерах систем оптической накачки, основанных на лазерных матрицах, обеспечивает возможность повышения КПД: теоретически может быть получено значение коэффициента преобразования излучения накачки в выходное лазерное излучение, то есть КПД до 40 %; представляют интерес уже значения, превышающие 10 %. Надежность таких систем может быть также достаточно высокой: теоретически лазерная матрица может выдержать до 109 импульсов при условии соблюдения эксплуатационных и технологических характеристик - параметров термостабилизации активного слоя матрицы и силового электропитания.

Длина волны излучения лазерных диодов, входящих в состав лазерных линеек, зависит от температуры излучающей структуры (порядка 0,3 нм/К), токовых параметров, длительности импульса, что предъявляет жесткие требования к системам управления для обеспечения заданного режима МЛД: ширина спектра излучения полупроводниковых лазерных диодов по уровню 0,5 составляет 4 нм, а ширина максимального уровня поглощения накачиваемого активного элемента не превышает 5.. .8 нм.

Поэтому юстировка (совмещение длины волны оптического излучения лазерной линейки-матрицы с полосой поглощения вещества активного элемента) должна обеспечиваться системой управления, поскольку она является одним из основных условий, обеспечивающих устойчивые параметры и КПД генерации твердотельных лазерных систем. Режим максимального уровня преобразования излучения накачки в выходное лазерное излучение возможен при обеспечении поддержания температуры активного слоя матрицы с точностью до 1 °С как в момент первого импульса, так и в частотном режиме, при этом смещение длины волны излучения линейки (матрицы) не превысит 0,3 нм/К. В таких системах центральное место занимают элементы, обеспечивающие охлаждение.

Анализ состояния проблемы показал, что перспективными являются системы охлаждения на основе термоэлектрических модулей; такой комплекс состоит из излучающего и теплоотводящего устройств, системы 4

управления и силового электропитания. Матрицы излучают свет большой интенсивности, при сборке пятнадцати линеек в блок оптическая импульсная плотность мощности будет составлять величину порядка 1 'кВт/см2, при этом удельный тепловой поток от активной части лазерной матрицы будет более 20 Вт/см2. Для обеспечения таких тепловых потоков в системе используются материалы с высокой теплопроводностью: безкислородная медь, берилливая керамика, алмаз. Материалы подбираются с, учетом коэффициента термического расширения, что обусловливает защиту от растрескивания излучающих структур лазерных линеек в матрице под влиянием неравномерных тепловых нагрузок и за счет этого повышение надежности.

Тепловой режим работы активной части лазерной матрицы обеспечивается тем, что при пропускании тока через термоэлементы охлаждаемого модуля при положительных температурах окружающего воздуха сторона, обращенная к лазеру, охлаждается, другая сторона, контактирующая с радиатором, нагревается; при отрицательных температурах окружающего воздуха - наоборот. Управляя величиной тока в цепи термоэлементов, можно стабилизировать температурный режим лазера.

Таким образом, совершенствование характеристик твердотельных лазеров предполагает необходимость совместного рассмотрения нескольких разнородных процессов и элементов, имеющих различную физическую природу. При этом привлекаются специалист« разных областей; для согласования их деятельности необходима единая методологическая основа. Такой основой является системный подход.

В настоящей работе сформирован вариант обобщенного системного алгоритма, состоящий из двух уровней и обеспечивающий как создание, так и эффективное использование термостабилизированной матрицы.

Первый уровень алгоритма включает следующие этапы:

• определение\задйние) цели;

• описание условий работы, связей и элементов, входящих в объект;

• выявление структуры (топологии) проблемной ситуации;

• решение задач по подсистемам;

• агрегирование частных решений;

• анализ свойств решения (системы), построенного(ой) по частям, и заключение о достижении цели;

• корректировки на тех или иных этапах (при необходимости).

Предлагаемый первый уровень позволяет на каждом этапе поиска решения учитывать разнообразные связи, имеющиеся в объекте. Это позволяет применять алгоритм в качестве универсального системного метода; он использован для формирования обобщенной блочно-модульной системной модели термостабилизированной матрицы, приведенной на рис. 1.

Алгоритм второго уровня включает следующие этапы:

• описание условий задачи;

• обоснование критерия(ев) качества;

• обоснование класса допустимых систем;

• синтез подсистемы (поиск управления);

• анализ реализуемости найденного решения;

• отыскание реализуемой подсистемы;

• анализ чувствительности, устойчивости, управляемости, наблюдаемости;

• заключение о приемлемости варианта;

• выработку корректировок на тех или иных этапах (при необходимости).

По предлагаемому алгоритму второго уровня выполнялись исследования и расчеты в условиях отдельных элементов системы управления тепловым режимом полупроводниковой лазерной матрицы.

Система управления блока матриц

\ Лазерная линийка, смонтированная на тешюотвоцмцвй

ШЮСТ1НШ

Рис 1. Обобщенная бпочно-модунъная системная модель термостабитаированной матрицы 6

При этом исследование и расчет систем на основе моделей подсистем строятся всегда согласованно: сначала - расчет подсистем, который может выполняться параллельно и разными силами, затем - системы в целом. Поиск решения для каждой из подсистем строится по структурно единому алгоритму, принимаемому на предприятии в качестве внутреннего системного стандарта, что обеспечивает методологическое единство всех выполняемых работ. Алгоритм в предложенном двухуровневом виде при необходимости может использоваться единообразно, а также при углублении выполняемых работ на любом уровне - на уровне узла, блока и даже элемента.

На основании проведенного анализа сформировано направление исследований, заключающееся в развитии методов перехода от представления разрабатываемого устройства в виде функциональной модели на системном уровне к модели на уровне исследуемого образца, а также предложена последовательность решения задачи совершенствования системы управления полупроводниковой накачкой лазеров.

Во второй главе приведено теоретическое обоснование построения системы термостабилизации полупроводниковой лазерной матрицы по ее функциональной модели, проведено построение математических^.моделей систем входящих в систему управления полупроводниковой накачкой. ;

В результате проработки вариантов систему .термостабилизации МЛД, отвечающих требованиям эффективной накачки активных сред, создан макет системы тепловой стабилизации матрицы лазерных диодов, схема которого представлена на рис.2.

Рис. 2. Схема системы тетивой стабилизации матрицы лазерных диодов: 1 - термоэлектрический охлаждающий модуль; 2 - пластина; 3 - линейки лазерных диодов; 4 - пластина; 5 - радиатор; 6 - вентилятор; 1) и 7'2 - температуры горячего и холодного спаев ТОМ; Тз и Т4 - температуры лазерной линейки и радиатора соответственно

Уравнение теплового баланса названной системы представлено следующей системой уравнений:

71-74)

СТЭ2 Щг = £?2 ~ Т2"^(^2 ~ ^З)

Л /2

(С, + С, = - а,Л (Г3 - Ге) - воо^л (Г34 - т*) - ^ (Г3 - Т2) (Ср + С2)^ = ^(Г, - Г4) - арРр(Т4 - Те)

где Сгл и - теплоемкости холодной и теплой пластин ТОМ; С/ и С2 -теплоемкость пластины 4 и пластины 2 соответственно; Сл и Ср - теплоемкости ЛЛД и радиатора; кн /у, £/ - теплопроводность, толщина и площадь пластины 4) 1с/?, 5? - то же для пластины 2; О, - тепловая мощность ЛЛД; а„ и ар - коэффициенты конвективного теплообмена ЛЛД и радиатора с окружающей средой; и Рр - площади теплообмена ЛЛД и радиатора с окружающей средой; оь =5,67-Ю'8 Вт/(м2-К4) - постоянная Стефана-Больцмана; б - степень черноты ЛЛД; Те - температура окружающей среды.

При этом количество тепла, поглощаемое на горячем спае, с током / связано зависимостью

й = е(Тср)1Тх +-^-к(Тср)(Т\ - Т2).

Количество теплоты, поглощаемое на холодном спае в единицу времени (холодопроизводительность), определяется соотношением

I2 Щсп)

е(Тср) I Т2--±12±-к{ТсрЩ -Т2) ,

где е(Тч>) - термо-ЭДС при средней температуре модуля; Т -0,5(7] + Т2)\

Т\ и Т2 - температуры соответствующих сторон модуля; Я(Тср) - электрическое сопротивление модуля, которое зависит от типа термомодуля.

02=-

Исследования на основе полученных математических моделей элементов проводились средствами программного пакета ЗттИпк го комплекса МшЬаЬ. Для примера блок-схема структурной модели термоохлаж-даемого модуля (ТОМ), построенкой в среде БттНпк, представлена на рис. 3.

Thermoelement ММ

Рис. 3. Блок схема структурной модели ТОМ

При выполнении расчетов использовались следующие значения

параметров:

Параметр Значение Параметр Значение Параметр Значение

Ео 2,2224-10'5 В/К Ро 5,112-Ю"7 Ом-м Хо 5,63445 Вт/(м-К)

El 9,306-10'7 В/К2 Pi 1;634-10"8 Ом-м/К Xi 2,4993• 10'2Вт/(м-К2)

62 9,905- 10-ш В/К3 Р2 6,279-10-" Ом-м/К2 Ъ 3,7179- 10'5Вт/(м-К3)

Примечание. N = 200, в = 2,35,-Ю'3 м3/сек.

В результате моделирования получены зависимости хояодопроизво-дительности ТОМ и напряжения от разницы температур на спаях при раз-

ных значениях тока для ТОМ 0111РТ-0,8 при Т| = 300 К, представленные на рис. 4.

10 10 30 40 50 60 Т,-Т„К 0 ,0 20 3„ 40 5Ц 60 т,.т„ к

С) б)

Рис. 4. Зависимость хоподопроюводитепыюсти (а) и напряжения (б) от разницы температур на спаях и тока

В системах теплового регулирования, представленных на рис. 1, ключевую роль играет радиатор, от его свойств во многом зависят достижимые возможности регулирования температуры. В исследуемой системе термостабилизации МЛД рассматривается радиатор с плоскими ребрами в кожухе и с продольным движением воздуха через радиатор; его конструкция представлена на рис. 5.

Рис. 5. Конструкция радиатора

и , рптимизация радиатора состоит в минимизации его теплового сопротивления путем выбора числа и толщины ребер, габаритные размеры

10

радиатора обычно бывают заданы. Тепловое сопротивление ребер радиатора определяется по формуле

ase

где Abase ~ площадь основания радиатора между ребрами; Ар, - площадь одного ребра; N - количество ребер; коэффициент эффективности

ребра; а - коэффициент конвективной теплоотдачи.

Скорость воздуха V определяется объемным расходом G:

v=-2_,

Nbl-If +2wfwHf+hfJV

где b - расстояние между ребрами; Н/~ высота ребра; IV- ширина радиатора; иу„, - зазор между боковой стенкой кожуха и ребром радиатора; hf„ -зазор между верхней стенкой кожуха и ребрами радиатора.

На этом основании средствами Simulink построена структурная модель радиатора, аналогичная модели (рис. з), и получена зависимость падения давления воздуха при проходе через радиатор от его геометрических размеров и расхода воздуха (коэффициенты гц, и а определяются физическими константами). Совмещение характеристики радиатора с характеристикой вентилятора дает рабочую точку системы радиатор-вентилятор, то есть требуемый расход воздуха через радиатор. После этого определяется тепловое' сопротивление радиатора и минимизируются его размеры. Расчетные значения характеристик радиатора и вентилятора системы термостабилизации приведены на рис. 6. На рис. 7 приведены параметры теплового сопротивления радиат9ра.

На основе обобщенной модели (см. рис. 1) построена также структурная модель замкнутой системы регулирования теплового режима, в состав которой включаются модели различных регуляторов. В работе исследованы релейный регулятор типа «включено-выключено» и непрерывный. ГШД-регулятор; структурная модель системы с ПИД-регулятором представлена на рис. 8. ;

ЛРЯа:

\

/ / 3 1

У \ >

г! \ i

N \

Qi.it

Рис. 6. Характеристики вентилятора и радиатора: 1 — реалышя характеристика вентилятора; 2 - линейная аппроксимация характеристики вентилятора; 3 - характеристика радиатора

Рис. 7. Параметры теплового сопротивления радиатора: 1 -1/=1,2 мм; 2 - //=0,75 мм; 3 - Г/=0,6 мм; 4 -1/=0,5 мм; 5 -

Система упр«л»мид о ПИД.рвгулдторои

В

Consta

InT

ТО I LLDon

Control System Pl£>

Рис. А'. Структурная модель системы управления на основе ПИД-регулятора

На рис. 9 приведены графики рабочих процессов системы термостабилизации с ПИД-регулятором, полученные при моделировании на основе схемы рис. 7; видно, что время выхода на режим стабилизации составляет около 15 с, при этом установившаяся температура радиатора растет незначительно. При включении МЛД в момент времени / = 60 с система может находиться в режиме стабилизации 60 с после этого и даже более продолжительное время, если это необходимо; при этом температура радиатора .возрастает до 313 Л- (+40°С). После выключения МЛД в момент времени I = 120 с происходит остывание радиатора. Исследования макета системы

термостабилизации показали, что система может быть готова к последующему включению МЛД примерно через 1.. .2 мин.

и о ео м на 1М 1И I со [с ^о а « 'и " м 1<о"~«а 1» ^с

Рис. 9. Рабочий процесс а системе термостабилизации с управлением на основе ПЩ-регулятора: 1 - температура радиатора; 2 - температура МЛД) 3 - ток через ТОМ

Таким образом, доказана принципиальная возможность создания высококачественной термостабилизированной системы оптической накачки твердотельных лазерных комплексов, при этом ПИД-регулятор обеспечивает более плавное изменение параметров заданного температурного режима на теплоотводящем слое МЛД.

В третьей главе представлена экспериментальная установка для исследования процессов тепловой стабилизации матрицы и проверки законов управления термостабилизацией МЛД. Система регистрации физических параметров и управления термостабилизацией МЛД с микропроцессорным управлением приведена на рис. 10.

Рис. 10. Блок-схема системы регистрации и управлении: ДI - датчики температуры; А - амперметр в цепи тока управления ТОМ

В системе регистрации и управления блок питания обеспечивает работу ТОМ в режиме стабилизации при токах до 15 А, а также контроллера и вторичного контура охлаждения (вентиляторов). Контроллер в данной системе представляет собой действующую в реальном масштабе времени микропроцессорную систему сбора, хранения и обработки данных от датчиков температуры, выработки соответственно заданным законам управляющих воздействий на актуаторы - мощные ключевые транзисторы. Кроме этого в задачи контроллера входит обеспечение интерфейса с персональным компьютером (ПК): прием, дешифрация и исполнение управляющих воздействий от ПК, которые инициируются оператором, а также прием и передача массивов данных между контроллером и ПК. На рис. 11 представлен вид окна управляющей программы.

В поле "Data" в правом окошке отображаются служебная информация и текущие значения температур, сигналов и времени, в левом окошке -значения тех же параметров из памяти для момента, который определяется положением курсора на графическом поле. В поле "Control" производится установка температуры стабилизации: грубо - мышью, точно - клавишами "влево"/"вправо". Передача данных в контроллер происходит после установки новой температуры стабилизации, и система отрабатывает управляющее воздействие оператора.

Для обеспечения силовым питанием МЛД создан макет системы силового питания (СЭП). Структурная схема макета представлена на рис. 12. Созданный макет СЭП обеспечивает следующие выходные параметры:

в импульсный ток в нагрузке (регулируемый),. А 100±20

» выходное напряжение источника питания, В 24±1,2

• частота следования импульсов, Гц 50

• длительность импульса (регулируемая), мкс 200

На рис. 13 представлена форма рабочего импульса напряжения полупроводниковой лазерной матрицы, полученная на.макетной установке СЭП.

Выявлено, что появление даже в одном импульсе выброса напряжения на переднем или заднем фронтах, превышающего 10 % от рабочего уровня, приводит к пробою полупроводниковой структуры (одного или нескольких) кластеров лазерной линейки; это влечет за собой изменение вольт-амперной характеристики линейки и превышение максимально допустимого нагрева ее активной области, далее наступает лавинный неуправляемый процесс «выбивания» рабочих кластеров линейки следующими рабочими импульсами. Ресурс работы лазера линейки в квазинепрерывном режиме 109 импульсов при длительности накачки 200 мкс может быть достигнут, когда характер рабочего импульса не будет существенно отклоняться от показанного на рис. 13.

Рис. 12. Структурная схема системы электропитания

На созданных экспериментальных установках проведены моделирование основных физических процессов и комплексные исследования по подтверждению расчетных моделей составных элементов системы управления полупроводниковой накачкой: характеристик лазерного излучения матриц, систем управления термостабилизации и силового питания оптической накачки твердотельных лазеров.

%£рота Ты

Рис. 13. Форма рабочего штуяьса на полупроводниковой лазерной матрице

В четвертой главе проведено описание экспериментальных исследований и практической отработки систем управления оптической полупроводниковой накачкой; на рис. 14 приведена схема созданной экспериментальной установки.

Комплекс исследований термостабилизированной МЛД позволил обосновать следующее направление создания и совершенствования таких систем: матрицы должны строиться в блочно-модульном исполнении в комплексе с системами управления и электропитания. Этот вывод основан на том, что в отдельных матрицах при одной и той же температуре активного слоя максимальные интегральные значения спектра излучения могут существенно отличаться (до 4 нм). В соответствии с этим необходимо устанавливать автономно температурный режим для каждой создаваемой МЛД. Поэтому каждая термостабилизированная система полупроводнико-16

вой накачки должна иметь свой блок низковольтного питания и управления, выполненный на одной плате с микропроцессорной системой управления током и процессом термостабилизации.

Рис. 14. Схема экспериментальной установки: 1 - автоколлгшатор ЛК-05У; 2 - поворотные пластины, 3 шт.; 3 - зрительная труба (У = 430мм) из состава ОСК-2ЦЛ; 4 - юстировочный лазер ОКГ-13; 5 - система электропитания излучателя; 6 - киашпрон; 7 - автоколлиматор АК-02У; 8 - линза (У - 1450 мм); 9 - экран; 10- цифровая видеокамера модуля контроля пространственного распределения выходного излучения; 11 - модуль контроля пространственного распределения выходного излучения; 12 - фотометр наносекундный ФНМ; 13-фотоприемпое устройство ФНМ; 14 - измеритель мощности ИМО-2М (для измерения выходной энергии в режиме свободной генерации); 15 - приемная головка ИМО-2М;

16 - осциплограф ТВ8-220

Современная электронная промышленность позволяет создать компактные СЭГ1 и управления ТОМ, расположенные на плате размерами 100x60 мм. Создание таких систем обеспечит возможность дискретного наращивания мощности накачки при синхронной работе нескольких модулей. Блочно-модульное исполнение позволяет обеспечить независимую работу каждого модуля при оптимальных параметрах (температуры, амплитудных значениях тока накачки, длительности импульса).

Проведенные исследования по использованию пористого кремния с наполнением сплавом Оа97БпЗ (Т„л= 19 °С)для обеспечения «пассивного»

теплоотвода от активной области лазерной линейки и применению тепло-отводящей пластины с наполнением сплавом K90Nal0 (Тпл = 17,5 °С) показали, что данный способ обеспечит форсированный выход матрицы на режим термостабилизации с первого импульса накачки за время не более 1,2 с. Изученный также способ дроссельного термостатирования активной области можно рассматривать как дополнительный к термоэлектрической системе на основе ТОМ, применение такой комбинированной системы позволит создать форсированные схемы термостабилизации матриц с удельной мощностью лазерного излучения более 1000 Вт/см2.

Экспериментально получены также: максимальная импульсная пиковая мощность излучения линейки при длительности импульса 200 мКс; зависимость длительности импульса лазерного излучения линейки в тер-мостабилизированной матрице от увеличения импульсов тока накачки (при изменении длительности токового импульса от 0,2 до 0,4 мс значение импульсной энергии лазерного излучения линейки при этом уменьшалось в два раза); коэффициент изменения полуширины спектра излучения линейки от тока, равный 0,2 нм/А; спектры излучения кластеров в матрице; вольт-амперные характеристики термостабилизированных матриц, что предъявляет высокие требования к системам управления током накачки матрицы: шаг установки параметров накачки МЛД должен иметь значение не ниже 0,1 А/В.

Проведенные исследования на макете квантрона показали, что достигнуто значение КПД преобразования энергии оптической накачки полупроводниковыми матрицами, собранными в единый термостабилизиро-ванный блок, в энергию лазерного излучения в режиме свободной генерации, равное 15,3 %, что является значительным прорывом в области создания отечественных лазерных систем.

В заключении приведены основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложениях показаны созданные в рамках данной работы экспериментальные образцы термостабилизированных систем управления оптической накачкой, внешний вид матриц, линеек лазерных диодов, системы электропитания, а также блок-схема устройства, обеспечивающая эффективную оптическую накачку активных элементов твердотельных лазерных систем.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Основные результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований заключаются в следующем:

1. Показана возможность создания термостабилизированных МЛД с удельной импульсной мощностью лазерного излучения до 1000 Вт/см2, разработан алгоритм работы системы регулирования теплового режима, обеспечивающий эффективную термостабилизацию МЛД.

2. Выявлено что использование пористого кремния в качестве теп-лоотводящего слоя активной об пасти лазерной линейки позволяет обеспечить пассивную термостабилизацию МЛД за время не более 1,2 с; данный способ обеспечит выход матрицы на режим термостабилизации с первого импульса накачки. Fro применение обеспечит эффективную оптическую накачку твердотельного лазера и создание малогабаритных лазерных систем, работающих в автономном режиме.

3. Исследование дроссельной системы термостатирования показало, что ее можно рассматривать как дополнительную к термоэлектрической, а применение позволит создать форсированные схемы термостабилизации матриц с удельной мощностью лазерного излучения более 1000 Вт/см2 и уменьшить время выхода МЛД на заданный режим термостабилизации при высоких температурах окружающего воздуха.

4. На основании исследований, проведенных на основе системного подхода и обобщенного системного алгоритма и с использованием блоч-но-модульной системной модели, включающей МЛД, системы низковольтного питания и управления термостабилизацией МЛД, показана возможность построения полупроводниковых систем накачки твердотельных лазеров с высоким КПД. Этот вывод основан на том, что выходными излу-чателыгьши характеристиками каждой термостабилизированггой матрицы, входящей в состав блока лазерной накачки, можно управлять за счет установки присущих данной матрице температурных и токовых значений, уровня и длительности токового импульса. При этом выявлено, что возможно устанавливать с точностью ±1 нм значения спектра лазерного излучения каждой отдельной матрицы не только изменением температурного режима, но и изменением параметров силового электропитания матрицы.

5. На макете квантрона экспериментально получено значение КПД преобразования энергии оптической накачки с полупроводниковыми матрицами, собранными в единый термостабилизированный блок, в энергию

лазерного излучения в режиме свободной генерации твердотельного лазера, равное 15,3 %. Это является значительным шагом вперед на пути создания твердотельных лазерных комплексов.

Создание отечественных систем оптической накачки в блочно-модульном исполнении с автономной системой управления термостабилизацией и параметрами токового импульса каждой матрицы обеспечит вывод каждой матрицы, участвующей в оптической накачке, на уровень полосы поглощения активного элемента 808 + 1 нм. Это позволит повысить КПД лазерных систем до значений порядка 30 % и обеспечит надежную работу твердотельных лазеров с количеством импульсов порядка 109.

Таким образом, теоретические и прикладные результаты исследований, изложенные в настоящей работе, позволят:

• создать высокоэффективные системы оптической накачки твердотельных лазеров;

• целенаправленно использовать преимущества систем накачки активных сред полупроводниковыми лазерными диодами;

• перейти к практическому созданию систем оптической накачки на основе матриц лазерных диодов, собираемых в блоки, с удельной импульсной мощностью излучения матрицы свыше 1000 Вт/см2, что позволит отечественной промышленности создать мощные малогабаритные твердотельные лазерные системы.

• создать новые мощные лазерные комплексы для различных областей промышленности с использованием только отечественной элементной базы.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИСЕРТАЦИОНОЙ РАБОТЫ

1. A.c. № 4540312. Многоканальная лазерная установка / Познышев А.Н., Большаков В.А., Куряпин А.И., Кружшшн Ю.И.; № 23585; Заявл. 18.03.91; Опубл. 27.08.99.

2. Познышев A.M., Мальцев В.В. Многоканальный твердотельный усилитель // Лазерные системы: Тез.1 докл. Третьей Всероссийской отраслевой науч.-техн. конф. -Радужный, 2000. - С. 85 - 88.

3. Познышев А.Н., Большаков В.А. Построение многоканальных лазерных систем // Лазерные системы: Тез. докл. Первой Всероссийской науч.-техн. конф. - Радужный, 1996.-С. 125- 129.

4. Познышев А.И., Куфтерин В.А. Устройство оптической накачки // Лазерные системы: Тез, докл. Четвертой Всероссийской отраслевой науч.-техн. коиф. - Радужный, 2002. - С. 44-45.

20

5. Пат. № (21)2002110473/28. Устройство оптической накачки / Позны-шев А.Н., Куфтерин В.А.; № (011021); Заявл. 19.04.02; Опубл. 05.02.03.

6. A.c. №21096. Устройство фазовой коммутации / Познышев А.Н., Букин Г.В.; Опубл. 29.10.83.

7. A.c. №281239. Устройство управления многоканальным устройством / Познышев А.Н., Букин Г.В.; Опубл. 01.09.89.

8. A.c. №1335029. Устройство прерывания тока I Познышев А.Н., Саврухин А.П.; Опубл. 01.05.87.

9. A.c. №1421170. Прерыватель тока / Познышев А.Н., Королев Б.К.; Опубл. 01.05.86.

10. A.c. № 23180. Система накачки многоканальных устройств / Познышев А.И., Букин Г.В.; Опубл. 03.02.88.

11. A.c. №1396845. Прерыватель тока / Познышев А.Н., Саврухин АЛ.; Опубл. 15.01.88.

12. A.c. №164980. Накопитель энергии / Познышев А.Н., Кузьмин Ю.С.; Опубл. 05.10.81.

13. A.c. №2078167. Тепловое устройство / Познышев A.M., Зюзин В.А.; Опубл. 27.04.94.

14. A.c. №147696. Прерыватель тока / Познышев А.Н., Саврухин А.П.; Опубл. 01.08.98.

15. Познышев A.M., Коростелев В.Ф. Система управления термостабилизацией полупроводниковой лазерной матрицы II Лазерные системы: Тез. докл. Первой Всероссийской отраслевой науч.-техн. конф. - Радужный, 2004. - С. 442.

16. Познышев А.Н., Куфтерин В.А,, Молодцов И.Е. Возможность повышения удельной мощности продольной и поперечной накачки активных элементов // Лазерные системы: Тез. докл. Пятой Всероссийской отраслевой науч.-техн. конф. - Радужный, 2004.-С. 90- 105.

17. Познышев А.И., Пичугин C.B., Подойницин А.Е., Колчин С.А. Система электропитания и термостабилизации лазерных матриц II Лазерные системы: Тез. докл. Пятой Всероссийской отраслевой науч.-техн. конф. - Радужный, 2004. - С. 106 - 111.

ЛР № 020275. Подписано в печать 08.10.04. Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Гарнитура Тайме. 11ечагь па ризографе. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,22. Тираж 100 экз.

Заказ

Редакциошю-издательский комплекс Владимирского государственного университета. 600000, Владимир, ул. Горького, 87.

РНБ Русский фонд

2007-4 19884

19 НОЯ 2004

Введение

Глава 1. Системный анализ проблемы создания высокоэффективных систем оптической накачки

1.1. Анализ условий создания системы управления термостабилизации полупроводниковой лазерной матрицы

1.2. Анализ режимов и схем управления оптической накачкой активных элементов твердотельных лазерных систем

1.3. Обобщенная системная блочно-модульная модель термостабилизированной матрицы

Выводы по главе

Глава 2. Теоретическое обоснование построения системы термостабилизации полупроводниковой лазерной матрицы

2.1. Математическая модель системы термостабилизации матрицы лазерных диодов на основе термоохлаждающих модулей

2.2. Структурные модели элементов системы управления полупроводниковой накачкой лазерных систем

2.3. Математическая модель радиатора

2.4. Модель системы управления термостабилизацией

Выводы по главе

Глава 3. Установка для исследования процессов тепловой стабилизации матрицы лазерных диодов

3.1. Стенд для отработки систем управления матрицы лазерных 59 диодов

3.2. Система силового электропитания матрицы лазерных диодов

Выводы по главе

Глава 4. Исследование и практическая отработка системы термостабилизации матрицы лазерных диодов на основе термоэлектрического охлаждающего модуля

4.1. Характеристика экспериментальных исследований.

4.2. Моделирование системы термостабилизации.

4.3. Моделирование МЛД в критических условиях эксплуатации.

4.4. Исследование системы тепловой стабилизации матрицы при использовании пористого кремния в теплоотводящих слоях

4.5. Система стабилизации на основе форсированного отбора тепла

4.6. Термостабилизированная система широкого применения с полупроводниковой накачкой .^

Выводы по главе

Твердотельные лазеры принадлежат к одной из наиболее динамично развивающихся областей высоких технологий, основанных на лазерной физике. Основными путями совершенствования их технических характеристик являются повышение их эффективности, увеличение энергосъема с единицы объема и снижение массогабаритных характеристик.

Особый интерес представляют твердотельные лазеры с диодной накачкой: опыт работы по эксплуатации таких лазеров позволяет утверждать, что они обладают большими преимуществами по сравнению с твердотельными лазерами с ламповой накачкой. Диодная оптическая накачка позволяет:

• обеспечить продолжительную работу лазеров в импульсно-периодическом режиме с сохранением качества излучения за счет снижения уровня теплового воздействия при накачке активного элемента;

• многократно повысить коэффициент полезного действия (КПД) лазерного излучения за счет практически полного совпадения спектральной полосы излучения полупроводникового лазерного диода с полосой поглощения активного элемента твердотельного лазера;

• существенно улучшить массогабаритные характеристики лазеров;

• использовать низковольтные источники электропитания для обеспечения работы твердотельного лазера.

Для существенного улучшения характеристик твердотельных лазерных систем необходимо повышение удельной мощности оптической накачки, что в свою очередь требует создания эффективных систем управления температурным режимом полупроводниковых матриц оптической накачки. Для увеличения потока мощности оптической накачки твердотельного лазера необходимо использовать двухмерные излучающие структуры, объединенные в линейки или решетки (матрицы). Для этого необходимо создание полупроводниковых матриц с плотностью импульсной мощности излучения не менее

1000 Вт/см2 , при обеспечении совершенного регулирования теплового режима полупроводниковых линеек и жестких ограничений импульсного питания матрицы. Отсюда следует, что необходимо совместно совершенствовать несколько разнородных процессов и соответствующих составляющих лазерного комплекса; для решения таких задач адекватной методологической основой является системный подход.

Формированию научных основ создания лазеров посвящены работы Ландау Л.Д., Прохорова A.M., Басова Н.Г., американского физика Таунс Ч., польского физика Пекара А.Г. , построению твердотельных лазерных систем на современной элементной базе посвещены работы Барейка Б.Ф, A.A., Ад-ливанкина A.C., Аполлонова В.В. [1,5,11, 12, 28, 50, 51, 52, 54 - 57, 80,86, 92, 102, 107,109]. Значительный объём исследований в области создания систем полупроводниковой накачки содержатся в работах Александрова А.Г., Вай-нера А.Л., в области построения специальных систем питания масштабные исследования проведённы учёными Микаеляном А.Д., Исаевым С.И., Дружининым Г.В.[2, 7, 14, 15, 16, 22, 23, 23, 33,42, 51, 63, 66, 81, 89, 99,101,110,111]. Методы системного анализа изложенны в работах Анфила-това B.C., Волковой В.Н., Емельянова A.A., Клира A.A., Кострова A.B., Пе-регудова Ф.И., Тарасенко Ф.П. [3,31,47,46,48,53.] позволяют построить оптимальную систему оптической полупроводниковой накачки твердотельных комплексов. Вместе с тем, в настоящее время многие вопросы еще не разрешены.

Из вышесказанного следуют актуальность и необходимость целенаправленных исследований в области совершенствования систем управления режимов полупроводниковой накачки лазерных комплексов; этим исследованиям посвящена настоящая диссертация.

Цель и задачи исследования. Целью диссертации являются совершенствование системы управления термостабилизированных лазерных матриц, разработка ее теоретических и методических основ, а также практических рекомендаций по осуществлению управления оптической накачкой активных элементов твердотельных лазеров при создании лазерных систем нового поколения.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи.

1. Исследование условий построения высокоэффективного термоэлектрического стабилизатора матрицы полупроводниковых лазерных диодов на основе системного подхода.

2. Разработка комплекса структурных и математических моделей как элементов термоэлектрического стабилизатора матрицы лазерных диодов (МЛД), так и системы в целом и исследование процессов регулирования.

3. Формирование комплекса средств, для проведения экспериментальных исследований как основных элементов систем термостабилизации и сисг темы электропитания полупроводниковых матриц, так и комплексных системных исследований.

4. Исследование влияния параметров силового питания и тепловых процессов на выходные характеристики оптического излучения полупроводниковых лазерных матриц и практическая отработка систем электропитания и термостабилизации МЛД.

Научная новизна результатов работы, заключается в следующем.

1. Сформирована обобщенная системная блочно-модульная модель термо-стабилизированной матрицы, включающая в свой состав матрицу лазерных диодов, систему низковольтного электропитания и систему управления термостабилизацией МЛД.

2. Построена совокупность математических и структурных моделей элементов системы и системы в целом, обеспечивающая исследование и проектирование систем термостабилизации твердотельных лазеров.

3. Выявлены зависимости выходных характеристик системы полупроводниковой накачки от физических параметров, характеризующих режимы работы её элементов.

4. Предложен подход и обоснована возможность существенного повышения КПД создаваемых лазерных систем, что позволит отечественной промышленности создавать мощные малогабаритные твердотельные лазерные системы для использования в различных технологических процессах.

Таким образом, теоретическая значимость результатов работы состоит в том, что они вносят определенный вклад в развитие научно-методических основ повышения эффективности систем накачки лазерных комплексов полупроводниковыми лазерными диодами.

Практическая значимость работы заключается в том, что с использованием основных положений и результатов диссертационной работы при участии автора разработан и принят к использованию комплекс руководящих методических материалов по созданию эффективных систем управления полупроводниковой накачкой лазеров, а также сформирован комплекс средств, для экспериментальных исследований и отработки реальных систем. Это позволило перейти к практическому созданию матриц полупроводниковых лазерных диодов с удельной импульсной мощностью излучения не менее 700 Вт/см и созданию мощных отечественных лазерных систем с полупроводниковой накачкой.

Результаты работы могут непосредственно использоваться при подготовке специалистов, в научно-исследовательских работах в этой области и оказании консультационных услуг по данному профилю.

Апробация работы и использование ее результатов.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Первой Всероссийской научно-технической конференции (г.Радужный, 1996, ФГУП ГосНИИЛЦ РФ «Радуга»); Третьей Всероссийской отраслевой научно-технической конференции (г. Радужный, 2000, ФГУП ГосНИИЛЦ РФ «Радуга»); Четвертой Всероссийской отраслевой научно-технической конференции, (г. Радужный, 2002г, ФГУП ГосНИИЛЦ РФ «Радуга»), на Первой Всероссийской научно-технической конференции ( г. Владимир 2004г. ВлГУ) а также на заседаниях семинара кафедры автоматизации производственных процессов ВлГУ.

Результаты исследований, проведенных при работе над диссертацией, а также ее выводы и практические рекомендации являются основой тематических работ, проводимых под непосредственном руководством и при участии автора в ФГУП ГосНИИЛЦ РФ «Радуга» по НИР «Проводничок», НИР «Накопитель», НИР «Ювелир», ОКР «Микромодуль», а также нашли практическое применение при реализации конкретных технических и проектных решений по созданию специализированных лазерных систем, что подтверждается актами внедрения.

Теоретические положения и практические результаты диссертации вошли в содержание специальных дисциплин, читаемых для студентов по кафедре автоматизации производственных процессов ВлГУ.

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 14 печатных научных работах, в том числе в 10 авторских свидетельствах и патентах на изобретения.

Выводы по главе 4

В данной главе приведены результаты разнообразных экспериментальных исследований различных элементов твердотельного лазера с термоста-билизированной полупроводниковой накачкой, выполненных в рамках данной работы.

1. Исследования по созданию термостабилизированных матриц с автономной системой управления термостабилизации и параметрами токового импульса матрицы в блочно-модульном исполнении показывают, что возможно обеспечить вывод каждой матрицы, участвующей в оптической накачке, на уровень полосы поглощения активного элемента 808 ± 1 нм. Этот вывод основан на том, что отдельные термостабилизированные матрицы, собираемые в блоки, отличаются вершиной максимального интегрального спектра, в отдельных матрицах при одной и той же температуре активного слоя интегральные значения спектра излучения могут отличаться на величину до 4 нм. Это означает, что необходимо устанавливать температурный режим для каждой создаваемой МЛД. Поэтому каждая система полупроводниковой накачки создаваемая в блочно-модульном исполнении, должна иметь свой блок низковольтного питания и управления, выполненный на одной компактной плате с микропроцессорным управлением токовыми параметрами и процессом термостабилизации. Современная электронная промышленность позволяет создать компактные системы электропитания и управления ТОМ, расположенные на одной плате размерами 100x60 мм. Создание таких систем управления накачки активных сред твердотельных лазеров позволит обеспечить возможность дискретного наращивания мощности накачки при синхронной работе нескольких модулей. Блочно - модульное исполнение позволяет обеспечить работу каждого модуля системы полупроводниковой накачки при оптимальных значениях параметров (температура, амплитуда ток накачки). Блок-схема предлагаемой термостабили-зированной системы управления полупроводниковой накачки в блочно-модульном исполнении представлена в приложении П10

2. Использование пористого кремния в качестве теплоотводящего слоя активной области лазерной линейки длиной 1.6 мм. с наполнением сплавом Са978пЗ (ТПЛ==190С) и теплоотводящей пластины длиной 4мм с наполнением сплавом К 90Иа10 (Тпл=17.5°С), обеспечит пассивную термостабилизацию МЛД за время не более 1.2 с. Данный способ обеспечит выход матрицы на режим термостабилизации с первого импульса накачки. Применение данного метода пассивной термостабилизации позволит обеспечить эффективную оптическую накачку твердотельного лазера и создать малогабаритные лазерные системы, работающие в автономном режиме.

3. Дроссельную систему термостатирования можно рассматривать как дополнительную к термоэлектрической на основе ТОМ, применение данной системы позволит создать модель конструкции форсированных схем термостабилизации матриц с удельной мощностью лазерного излучения более 1000 вт\см , а также уменьшить время выхода МИД на заданный режим термостабилизации при высоких значениях температуры окружающего воздуха.

4. .Проведённые автором исследования на макете квантрона показали, что КПД преобразования энергии оптической накачки в энергию лазерного излучения в режиме свободной генерации составило 15.3%, что близко к расчётным значениям.[5, 8, 50, 17]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в рамках настоящей работы с целью создания компактной системы управления лазерной накачкой активных элементов твердотельного лазера, надежно работающей в режиме «охлаждение-нагрев», и малогабаритных систем электрического питания лазерных матриц, в совокупности представляют собой научно-методические основы создания и совершенствования таких систем. Они построены с использованием системного подхода и представляют собой обобщенную системную блочно-модульную модель термостабили-зированной матрицы и обобщенный двухуровневый системный алгоритм, позволяющие упорядочить исследование и проектирование как разнородных элементов, входящих в систему, так и системы в целом.

Обобщение результатов проведённых теоретических и экспериментальных исследований позволяют также сделать следующие выводы.

1. Показана возможность создания термостабилизированных матриц лазерных диодов с удельной импульсной мощностью лазерного излучения до 1000вт\см , при этом система термостабилизации должна обеспечить заданное время выхода МЛД на уровень заданного температурного режима.

- Разработан алгоритм работы системы обеспечивающий термостабилизацию МЛД.

2. Выявлено что использование пористого кремния в качестве теп-лоотводящего слоя активной области лазерной линейки позволяет обеспечить пассивную термостабилизацию МЛД за время не более 1.2 е.; Данный способ обеспечит выход матрицы на режим термостабилизации с первого импульса накачки. Его применение обеспечит эффективную оптическую накачку твердотельного лазера и создать малогабаритные лазерные системы работающие в автономном режиме.

3. Исследование дроссельной системы термостатирования можно рассматривать как дополнительную к термоэлектрической, показано что её применение позволит создать форсированные схемы термостабилизации матриц с удельной мощностью лазерного излучения более 1000вт\см , а также уменьшить время выхода МЛД на заданный режим термостабилизации при высоких значениях температуры окружающего воздуха.

4. На основании исследований, проведённых на основе системного подхода, обобщённого системного алгоритма и блочно - модульной системной модели в составе матрицы лазерных диодов, системы низковольтного питания и управления термостабилизацией МЛД показана возможность построения полупроводниковых систем накачки твердотельных лазеров с высоким КПД. Этот вывод основан на том, что выходными излучательными характеристиками каждой термостабилизированной матрицы, входящей в состав блока лазерной накачки, за счёт установления присущих данной матрице температурных и токовых значений, уровня и длительности импульса При этом выявлено, что возможно устанавливать с точностью ± Ihm. значения спектра лазерного излучения каждой отдельной матрицы, не только изменением температурного режима, но и изменением параметров силового электропитания матрицы.

5. На макете квантрона получено значение КПД преобразования энергии оптической накачки с полупроводниковыми матрицами, собранными в единый термостабилизированный блок, в энергию лазерного излучения в режиме свободной генерации, равное 15.3%. Хотя достигнутое значение отличается от данных приведённых в [14], это объясняется тем, что получено на микролазерах, в которых для оптической накачки использовалась только одна матрица, состоящая из двух линеек с близкими значениями длин волн 808-Г-809 нм, находящиеся в области «абсолютной» полосы поглощения активного элемента твердотельного лазера. Создание отечественных систем оптической накачки в блочно модульном исполнении с автономной системой управления термостабилизацией и параметрами токового импульса, каждой матрицы, обеспечит вывод каждой матрицы, участвующей в оптической накачке, на уровень полосы поглощения активного элемента 808 ± 1 нм. Это позволит повысить КПД лазерных систем до значений порядка 30% и обеспечит надёжную работу твердотельных лазеров с количеством импульсов порядка 109.

Таким образом, теоретические и прикладные результаты исследований изложенные в настоящей работе позволят:

• создать высокоэффективные системы оптической накачки твердотельных лазеров;

• целенаправленно использовать преимущества систем накачки активных сред полупроводниковыми лазерными диодами;

• перейти к практическому созданию систем оптической накачки, на основе матриц лазерных диодов собираемых в блоки, с удельной импульсной мощностью излучения матрицы свыше 1000 Вт/см , что позволит отечественной промышленности создать мощные малогабаритные твердотельные лазерные системы.

• создать новые мощные лазерные комплексы для различных областей промышленности с использованием только отечественной элементной базы.

1. Адливанкин A.C., Безотосный В.В., Маркова Н.В., Микаелян Г.Т, Попов Ю.М., Порезанов С.Н. КПД инжекционных лазеров Квантовая электроника, 1996г. 974 с.

2. Александров А. Г. Тепловые нагрузки на элементы лазеров Квантовая . электроника, 1990г. № 17, с 1462

3. Анфилатов B.C., Емельянов A.A., Кукушкин A.A. Системный анализ в управлении. - М.: Финансы и статистика, 2002. - 368 с.

4. Аполлонов В.В., Кислов В.И. Прохоров А.М. Фазовая синхронизация матриц полупроводниковых лазерных диодов Квантовая электроника, 1996г. с 20, 1203

5. Аполлонов В.В., Державин С.И., Кузьминов В.В. и др. Системное влияние на излучательные характеристики полупроводниковых лазеров Квантовая электроника, 1997г. № 24, с 875.

6. Аполлонов В.В., Державин С.И., Кузьминов В.В. Основы создания драйверов Квантовая электроника 1998г.№ 25, с 265.

7. Аполлонов В.В., Державин С.И., Кузьминов В.В. Влияния термических процессов на полупроводниковые структуры - Квантовая электроника, 1998 г. № 25, с 355 .

8. Аполлонов В.В., Кислов В.И., Прохоров A.M., Экспериментальные значения параметров инжекционных лазеров Квантовая электроника, 1998 №23, с 1081 (1998).

9. Бабичев А.П., Бабушкина A.M. Физические величины - Справочник Энергоиздат, 1991г. 1232с.

10. Барейка Б.Ф., Данелюс Р.В. Основы создания полупроводниковых структур Квантовая электроника, 1982г.№ 9, с 3389 .

11. Басов Н.Г. Экспериментальные результаты твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой Квантовая электроника, 1987г. №14, с 1924 .

12. Басов Н.Г. Активная среда твердотельных лазеров Квантовая электроника, 1984г. № 11,с 1275 .

13. Безотосный В.В., Булаев П.В., Горбылёв В.А., Залевский И.Д., Маркова Н.П., Попов Ю.М. Технология монтажа полупроводниковых структур Квантовая электроника- 1998г., №25 сЗОЗ.

14. Безотосный В.В., Коваль Ю.П., Н.В., Попов Ю.В., Грудень М.Н., Швейкин В.И. Предельные параметры полупрововодниковых структур Квантовая электроника, 1995г.№8 с 22.

15. Безотосный В.В., Кумыков Х.Х., Маркова Н.В. Тепловые режимы в полупроводниковых структурах - Квантовая электроника, 1996г., № 23, 775.

16. Безродный В.И., Кумыков Х.Х., Маркова Н.В. Предельные выходные параметры линеек и матриц лазерных диодов Квантовая электроника, 1987г.№ 6 с 24.

17. Безродный В.И., Карга П.В, Чанг Чен Де, Чанг Кви Лиин. Моделирование и экспериментальное изучение инжекционных лазеров спектрального диапазона 780- 808 нм с электронным сверх решёточными барьерами Квантовая электроника 1995г. №4 с 22 .

18. Безродный В.И., Понежа Е.А. Полимерная матрица и ёё свойства -Квантовая электроника, 1978г. № 5 с 68

19. Безродный В.И., Вовк Л.В. О.В., Тихонов Е.А.- Новый полимерный пассивный затвор для неодимовых лазеров Квантовая электроника, 1995г.№2с 22.

20. Быков В.Н., Зверев Г. М., Плешков A.A. Высокоэффективный минила-зер с импульсной поперечной полупроводниковой накачкой для безопасной лазерной дальнометрии Квантовая электроника 2002г.№3 с32.

21. Богатов А.П., Дракин А.Е., Медведев В.Р., Устинов A.B. Генерационные характеристики лазерных кристаллов Квантовая электрони-ка1998г., №25, с488.

22. Вайнер А.Л., Спокойный Ю.Е., Лукишер Э.М. Проектирование термоэлектрических микрохолодильников глубокого охлаждения для радиоэлектроники. «Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРТО», 1970г. №3.

23. Вайнер А.Л. , Сомкин М.Н.,Лукшер Э.М. Измерение термоэлектрической эффективности полупроводниковых материалов. «Измерительная техника», 1972г., №4.

24. Вайнер А. Л. Каскадные термоэлектрические источники холода М.: "Сов. радио", 1976г., 136 с.

25. Волкова В.Н., Денисов A.A. Основы теории систем и системного анализа. СПб.: СПбГТУ, 1999г. - 510 с.

26. Гагарский C.B., Галагин Б.И., Денкер Б.И., Корчагин A.A. Квантовая электроника, 2000г. № 1 с 30.

27. Гильдалевич В.Б., Вайнер А.Л. Температура горячего спая и минимальная площадь радиатора термобатареи. В кн.: Холодильная техника и технология , вып. 2. Киев, «Техника», 1966г.

28. Голубенцев A.A., Кузнецов A.C. 4-я Всесоюзная Конференция-Полупроводниковый лазер «Оптика лазеров». Л.: 1992г.

29. Громов A.A., Дюмакаев K.M., Прохоров А.М. Известия АН СССР, сер. Физика тепла, 1982г. №46, с1959 .

30. Дегтярев Ю.И. Системный анализ и исследование операций. М.: Высш.школа, 1996г. - 335 с.

31. Демчук М.И., Михайлов В.П., Прохоров A.M. Физические основы теплотехники Квантовая электроника 1983г. №10,1051с .

32. Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных производственных систем. — М.: Энергоатомиздат, 1986. 419 с.

33. Дьяков Ю.Г., Куратов И.И., Мирошниченко Т.А. Обзоры по электротехнике, 1982г. cep.ll, № 6, 1482с, 71 .

34. Дьяков Ю.Г., Куратаев И.И., Мирошниченко Т.А. Обзоры по электронной технике, cep.ll, №6 ,1482с., 71с 1989г.

35. Дьяконов В.П., Круглов В.А. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2001. - 480 с.

36. Елисеев П. Г., Микаелян Г. Т. Экспериментальные исследования полупроводниковой матрицы Квантовая электроника, № 22, 1995г., 22 с.

37. Загуменный А.И., Остроумов В.Г., Хубер Г. Оптические генераторы Квантовая электроника 1992г. №19,1149с.

38. Зайдель А.Н., Прокофьев В.К., Райский С.М., Славный А.Н., Шрейдер Е.Я. Таблица спектральных линий. М.: Наука, 1997г., 7с.

39. Иващенко A.A. Сломенский Ю.Л. Оптика и спектроскопия, 1989г. №64, 653с.

40. Испытания радиоэлектронной, электонно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование М.: "Радио и связь", 1987г., 270 с.

41. Исаев С.И., Кожинов И.А. Теория массообмена -Учебник для технических университетов и вузов 2-е издание , под редакцией Леонтьева А.И. Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана 1997г.

42. Каминский A.A. Лазерные кристаллы. М.: Наука, 1975г.

43. Карлов В.Н., Семёнов A.A. В сб. Электронная техника. Cep.ll. Лазерная техника и оптоэлектроника, 1991г.№3, 64с.

44. Кейси X., Паниш М. Лазеры на гетероструктурах. М.: Мир, 1981г.

45. Клир Дж. Системология. Автоматизация решения системных задач. / пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990г. - 284 с.

46. Костров А.В. Системный анализ и принятие решений. Владимир: ВлГТУ, 1995г.-68 с.

47. Костров А.В. Основы информационного менеджмента. М.: Финансы и статистика, 2004г. - 336 с.

48. Кошевский Е.И., Левчук Е.А. Лазерные среды - В сб. Электронная техника. Сер. 11. Лазерная техника и оптоэлектроника, №3 -4, 55 1993г.

49. Ландау Л.Д., Лифшиц. Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982г.

50. Мезонов А. В., Соме Л. Н., Степанов А. И. Термооптика твердотельных лазеров. Л.: Машиностроение, 1986г.

51. Микаелян А.Д., Тер-Микаелян М.Л., Турков Ю.Г., Оптические квантовые генераторы. М.: Сов. радио, 1997г.

52. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ М.: Высш.школа, 1989. - 256 с.

53. А.с №4540312 Познышев А. Н., Большаков В. А., Куряпин А.И., Кру-жилин Ю.И. «Многоканальная лазерная установка», №23585; Заявл. 18.03.91; Опубл. 27.08.99г.

54. Познышев А. Н., Мальцев В. В. Многоканальный твердотельный усилитель // Лазерные системы: Третьей Всероссийской отраслевой научно-технической конференции,- Радужный 2000г.,85-88 с.

55. Познышев А. Н., Большаков В. А. Построение многоканальных лазерных систем // Лазерные системы: Тез. докл.- Первой Всероссийской на-уч.-техн. конф. Радужный 1996г.,. 125-129 с.

56. Познышев А. Н., Куфтерин В. А. Устройство оптической накачки // Лазерные системы: Тез. докл. Четвертой Всероссийской отраслевой научно-технической конф.- Радужный , 2002г . 44-45 с.

57. Пат. № (21)2002110473/28 Устройство оптической накачки / Познышев А. Н., Куфтерин В.А., № (011021) заявл. 19.04.02.; опубл 05.02.03.

58. A.c. №21096. Устройство фазовой коммутации / Познышев А. Н., Букин Г.В. Опубл. 29.10.03.

59. A.c. №281239 Устройство управления многоканальным устройством / Познышев А. Н., Букин Г. В. Опубл. 01.09.89.

60. A.c. №1335029 Устройство прерывания тока / Познышев А. Н., Савру-хин А. П. Опубл 01.05.87.

61. A.c. №1421170 Прерыватель тока / Познышев А. Н., Королев Б. К. Опубл. 01.05.86.

62. A.c. №23180 Система накачки многоканальных устройств / Познышев А. Н., Букин Г. В.Опубл. 03.02.88.

63. А.с №1396845 Прерыватель тока / Познышев А. Н., Саврухин А. П. Опубл. 15.01.88.

64. А.с № 164980 Накопитель энергии / Познышев А. Н., Кузьмин Ю. С. Опубл. 05.10.81.

65. А.с №2078167 Тепловое устройство / Познышев А. Н., Зюзин В. А. Опубл. 27.04.94.

66. А.с №147696 Прерыватель тока / Познышев А. Н., Саврухин А. П. Опубл. 01.08.98.

67. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий / пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1993г. 416 с.

68. Сузмацу Я.И., Катаока C.B., Енэдзава С.А. Основы оптоэлектроники. -М.: Мир, с 25-45 , 1986г.

69. Теоретические основы теплотехники.: Справочник (под общей редакцией В. А. Григорьева и др.) М.: Энергоатомиздат, 1988г. 560 с.

70. Теория тепломассообмена: Учебник / С. И. Исаев, И. А. Кожинов, В. И. Кофанов и др.; Под ред. Леонтьева А. И. 2-е изд. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997г. - 683 с.

71. Тер-Микирчтычев В.В. Автореферат канд. диссертации. М.: МИФИ, 1994.

72. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский A.M. и др. Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. Физические величины. Справочник /М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

73. Шарлей С.Ф. Теплотехнический эксперимент ЖПС, 13, 730 (1970).

74. Bach R.J, Freitas B.L, Mundingez D.I, Vanlue D., IEEEJ Guantum Electron, 28, 992, 1992r.

75. Barry N. P., Hyde S. C. W., Mellish R L., French P. M. W., Taylor J. R., Poel C. J. van der and Valster A. All-solid-state femtosecond diode-pumped Cr:LiSAF regenerative amplifier. Electronics Letters, 30, pp. 1761-1762 (1994r).

76. Beach R.J. "Optimization of quasi-three level end pumped Q-switched lasers," IEEE J. Quan. Elect, 31, 1995, pp. 1606-13.

77. Beach R. J. "CW theory of quasi-three level end-pumped laser oscillators," Opt. Comm., 123,1995, pp.385-93.

78. Beach R.J. "Theory and optimization of lens ducts," Appl. Opt., 35, 1996, pp. 2005-15.

79. Beach R.J., Emanuel M.A., Freitas B.L., Skidmore j.A., Carlson N.W., Benett W.J., Solarz R.W. "Applications of microlens-conditioned laser diode arrays," SPIE Proceedings, 2383, 1995, pp.283-97.

80. Beernink K.J., Thornton R.L., Anderson G.B., Emanuel M.A. "Si diffusion and intermixing in AlGaAs/GaAs structures using buried impurity sources." Appl. Phys. Lett., 66(19), 1995, pp.2522-4.

81. CEA. Leti. OPTRONIQUE: DE LA RECHERCHE A LTNDUSTRIE. Informations: LETI/Department Optronique CEA/Grenoble-17, rue des Martyrs. F-38054 GRENOBLE Cedex 9.

82. Comaskey B.B., Moran B.D., Albrecht G.F., Beach R.J. "Characterization of the heat loading of Nd-doped YAG, YOS, YLF, and GGG excited at diode pumping wavelengths." IEEE J. Quan. Elect., 31(7), 1995, pp.1261-4.

83. Deri R.J., Emanuel M.A. "Consistent formula for the refractive index of AlxGa^As below the band edge." J. Appl. Phys., 77(9) 1995, pp.4667-7.

84. Deri R.J., Emanuel M.A., Patterson F.G., Dijaili S.P., et al. "Polarization-insensitive wavelength filters by birefringence compensation of vertical couplers." Appl. Phys. Lett, 68(8),1996, pp. 1037-9.

85. Emanuel N. W, Carlson and J. A. Skidmore "High-Efficiency AlGaAs-based Laser Diode at 808 nm with Large Transverse Spot Size Solid-State Lasers," IEEE. Photon. Technol. Lett., 8, 1291 (1996).

86. French R P., Mellish J. R. Taylor, P. J. Delfyett and L. T. Florez: 'All-solidstate diode-pumped modelocked Cr.LiSAF laser', Electronics Letters, 29, pp. 1262-1263 (1993)

87. P. M. W. French R. Mellish, J. R. Taylor P. J. Delfyett and L. T. Florez: 'Mode-locked all-solid-state diode-pumped Cr:LiSAF laser', Optics Letters, 18, pp. 1934-1936 (1993)

88. Hamilton C.E., Beach, R.J., Sutton S.B. Furu L.H., et al. "1-W average power levels and tunability from a diode-pumped 2.94 micron Er:YAG oscillator." Opt. Lett, 19(20), 1994, pp. 1627-9.

89. Honea E.C., Beach, R.J., Sutton, S.B., Speth, J.A., Mitchell, S.C., Skidmore, J.A., Emanuel, M.A., Payne, S.A. "115 W Tm:YAG diode-pumped solidstate laser," IEEE J. Quan. Elect., 33(9), 1997, pp. 1592-600.

90. Hyde N. P, Barry B.R. Mellish A. R., Jones B.P. M. W. French J. R., Taylor C. J. van der Poel and A. Valster: 'Argon-ion-pumped and diode-pumped all-solid-state femtosecond Cr:LiSrAlF6 regenerative amplifiers', Optics Letters, 20, pp. 160-162(1995)

91. Kopf U.D., Keller M. A., Emanuel R. J., Beach J. A., Skidmore F.A., "A 1.1-W CW Cr:LiSAF laser pumped by a 1-cm diode-array," Optics Lett., 22, 99 (1997).

92. Marshall L. K, Smith R. J., Beach M. A., Emanuel K. I., Schaffers J.A. Skidmore A.A., Payne S.A., and B. H. T. Chai, "Diode-pumped ytterbiumdoped Sr5(P04)3F laser performance," IEEE J. Quan. Elect., 32, 650-656 (1996).

93. MASTERS OF LASER TECHNOLOGY CILAS Route de Noray, 91460 Marcoussis France.

94. Mawst L.D., Bhattachazya A.A., Botes A.J., Garbuzov D. Z., Fang A.F., AppL, Phys Letts, 1996.

95. Mellish N.P. Barry S. C., Hyde R. W, Jones P. M. French, J. R. Taylor C. J.,van der Poel and A. Valster: 'Diode-pumped Cr.LiSAF all-solid-state femtosecond oscillator and regenerative amplifier', Optics Letters, 20, pp. 2312-2314(1995)

96. Mellish P.M.,French J. R., Taylor P. J., Delfyett and L. T. Florez: 'All-solidstate femtosecond diode-pumped Cr.LiSAF laser', Electronics Letters, 30, pp. 223-224 (1994)

97. Mroziew B., Bugajski M., Phisics Semicomds Lasers. Warszawa, PWN, 1991.

98. Payne S. A., Beach R. J., Bibeau C. A. Ebbers M. A., Emanuel E. C.,Honea C. D., Marshall R. H., Page K. I. Schaffers J. A. "Diode arrays, ciystals, and thermal management for solid state lasers," IEEE J. Sel. Top. Quan. Elect, 3(1), 1997, pp.71-81.

99. Ram A.G. Charma Equilibrium in Lithium Sulfur System// J. Electrochemical Soc.: Electrochemical Science and Technology, 1972, U. 119, № 11, pp. 1439-1443.

100. Shelpuk B., Crouthamel M.S. Thermoelectric Refrigeration Appl.- «Paper ASME» ,1969, № 10

101. Simons R.E., Estimating Parallel Plate-Fin Heat Sink Thermal Resistance. Electronics Cooling, Vol. 9, No. 1, 2003. http://www.electronics-cooling.com.

102. Simons R.E., Estimating Parallel Plate-Fin Heat Sink Pressure Drop. Elec-tronicsCooling, Vol. 9, No. 2, 2003. http://www.electronics-cooling.com.

103. Skidmore J. A., Beach R. J, Emanuel M. A., Freitas B. L., Benett W. J, Carlson N. W., and. Solarz R. W, "New Diode Wavelengths for Pumping Solid-State Lasers," SPIE '95 Symposium on Laser Diodes and Applications, 2382, 106 (1995).

104. Skidmore J. A, Beach R. J,Emanuel M. A, Freitas B. L, Bennett W. J., Carlson N. W., and. Solarz R. W, "New Diode-Laser Wavelengths for Pumping Solid-State Lasers," LEOS '94, Boston MA (October, 1994).

105. Skidmore J. A., Emanuel M. A,. Beach R. J, Bennett W. J, Freitas B. L, Carlson N. W., and Solarz R. W„ "High-Power CW 690 nm AlGalnP LaserDiode Arrays," Appl. Phys. Lett, 66, 1163 (1995).

106. Skidmore J. A., Emanuel M. A., Beach R. J., Bennett W. J., Freitas B. L., Carlson N. W., and Solarz R. W., "High-Power CW Operaration of AlGalnP Laser-Diode Array at 640 nm," IEEE. Photon. Technol. Lett, 7, 133 (1995r).

107. SOLID STATE LASERS B.M. Industries Product Catalog. Imp. MM.-0164104646-RCS MelunB 316806009-Printedjuly 1996r.

108. THOMSON-CSF SPECIFIQUES. Route Departmental 128-BP 46 91401 ORSAY CEDEX-FRANCE.

109. Ure Roland W. -The theory of materials for thermoelectric and thermoelectric devices. -«Proc. IEEE», 1963,v 51, №5.

110. Wolfe R. T Thermoelectric power of bismuth-antimony alloys ft low temperature - « Pull Am Phys Soc» 1961 v 29№ 7.

111. Zory P.S., Emanuel M.A. "Characterization of thin p-clad InGaAs single-quantum-well lasers." IEEE Phot. Tech. Lett., 7(7), 1995, pp.718-20.

112. Zory P.S., Emanuel M.A. "Contact reflectivity effects on thin p-clad InGaAs single quantum-well lasers." IEEE Phot. Tech. Lett., 6(12), 1994r, pp. 91427.

113. Internet: http: //WWW. Thermoform. Com.