Особенности использования твердотельных лазеров с диодной накачкой в системах оптической локации

Актуальность проблемы;

Устройства дистанционных измерений расстояний, скоростей и других параметров движения объектов находят широкое практическое применение во многих областях современной науки и техники. В основе таких дистанционных измерительных устройств лежит относительно простой принцип локации — излучение в направлении объекта зондирующего сигнала с последующим приемом и анализом параметров отраженного [1]. Эта область знаний достаточно хорошо развита к настоящему времени и широко применяется на практике как в гражданских и научно-исследовательских целях, так и в современной военной технике. Однако, задача повышения дальности, разрешающей способности, точности измерений всегда остается актуальной.

Предельно достижимые значения этих трех основных показателей качества во многом определяются используемыми источниками излучения. На практике широкое применение находят радиолокационные системы, работающие с излучением радиочастотного диапазона [2, 3]. Переход же к источникам оптического излучения, который стал возможным с изобретением лазеров, дает два существенных преимущества [4]. Во-первых, лазерное излучение имеет на несколько порядков меньшую расходимость, что значительно повышает разрешающую способность локационной системы. Несколько близко расположенных объектов, которые неразличимы для радиолокационных систем, могут быть легко разрешены. Во-вторых, длина волны оптического излучения позволяет проводить не только измерения характеристик движения предельно малых объектов, но и сканировать по пространству среды, в которых имеются взвешенные частицы, например атмосферу [5,6], измерять не только параметры движения сред, но и их состав. Кроме того, измерительные устройства оптического диапазона имеют лучшую помехоустойчивость при работе на низких углах места.

В лазерных локационных системах (далее JIJIC) малой дальности действия в качестве излучателя часто применяется полупроводниковый лазер. Источник такого типа отличается небольшими габаритами и обеспечивает излучение высокой стабильности. Главным же недостатком является ограниченная выходная энергия импульсов, что продиктовано самой природой полупроводникового лазера. По этой причине увеличение дальности действия, требующее повышения энергии зондирующих импульсов, возможно лишь с использованием источника другого типа. Таким источником может быть твердотельный лазер с ламповой накачкой. Техника производства этих лазеров хорошо развита к настоящему времениих энергия позволяет увеличить дальность действия JIJIC в несколько раз. Однако, лазеры с ламповой накачкой имеют ряд недостатков, а именно низкий КПД, что делает необходимым использование принудительного жидкостного охлаждения, наличие высоковольтного источника питания лампы. Это делает излучатели и, следовательно, сами JIJIC громоздкими и небезопасными. Кроме того, излучение лампы накачки имеет низкую стабильность и тенденцию старения, что, вообще говоря, снижает точность дистанционных измерений по сравнению с JIJIC с полупроводниковым лазером.

Появление твердотельных лазеров с накачкой от полупроводниковых лазерных диодов, имеющих значительно более высокий КПД системы накачки, открывает возможности получения необходимых уровней энергии и значительно более точного и эффективного управления режимом лазерного передатчика. Однако, для реализации этих возможностей необходимо дополнительно исследовать свойства таких лазерных систем.

Цель и задачи работы:

Диссертационная работа имеет целью исследование нового типа источника зондирующего излучения лазерных локационных системлазера с диодной накачкой — и разработку рекомендаций по его построению и использованию.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

• Анализ требований к источникам зондирующего излучения JIJIC, сравнение существующих типов лазеров по степени их пригодности для JIJIC и выбор наиболее перспективных типа и конструкции лазера.

• Сравнительный анализ методов моделирования выбранного типа лазера. Выбор метода, который позволяет наилучшим образом описать особенности лазера, влияющие на процессы формирования зондирующих импульсов.

• Разработка одномодовой модели лазера с торцевой диодной накачкой, исследование его характеристик и выявление достоинств и недостатков.

• Разработка многомодовой модели лазера с торцевой диодной накачкой, приспособленной для исследования пространственных характеристик излучения.

• Исследование процесса дифракционного формирования модового состава излучения.

• Исследование пространственно-временных характеристик излучения выбранного типа лазера, анализ их влияния на точность измерений JIJIC.

• Разработка рекомендаций по проектированию лазеров с целью получения излучения с заданными характеристиками. Подбор оптимальной конфигурации лазера для JIJIC, используемых для траекторных измерений.

Новые научные результаты, полученные в диссертации:

• Построен новый тип одномодовой модели твердотельного лазера с диодной накачкой, в которой учтено влияние тонкой структуры энергетических уровней кристалла алюмо-иттриевого граната, легированного ионами неодима, (AMF:Nd) на характеристики излучения в режиме генерации коротких импульсов. Показано, что учет этого влияния позволяет получить более точное описание формы коротких импульсов, что может быть существенно при использовании таких лазеров в JIJTC.

• Разработана многомодовая модель импульсного лазера с диодной накачкой, позволяющая исследовать пространственные характеристики излучения. В ней учтены особенности торцевой геометрии накачки и влияние диафрагмы на формирование мод.

• Исследовано влияние фокусировки излучения накачки на пространственные характеристики зондирующего излучения и показано существование оптимального сочетания параметров для лазера, используемого в JIJIC.

• Показано, что использование диафрагмы является более эффективным методом обеспечения одномодовой генерации в импульсных лазерах, чем фокусировка излучения накачки.

Практическая значимость:

• На основе исследований твердотельного лазера с диодной накачкой, проведенных с помощью многомодовой модели, получены количественные оценки величин задержки фронта зондирующих импульсов в различных режимах работы лазера.

• Предложены методы уменьшения погрешности измерения дальности, связанной с задержкой фронта зондирующего импульса, в лазерах с торцевой накачкой от лазерных диодов.

• Сформулированы рекомендации по проектированию лазеров с диодной накачкой с заданными пространственно-временными характеристиками излучения. Эти рекомендации могут использоваться разработчиками твердотельных лазеров для локационных систем.

• Разработана и проверена система моделей твердотельного лазера с диодной накачкой, которая может использоваться в качестве инструмента при проектировании источников зондирующих импульсов ЛЛС.

Положения, выносимые на защиту:

• Твердотельные AHT: Nd лазеры с торцевой накачкой от лазерных диодов способны обеспечить выполнение требований, предъявляемых к источнику зондирующих импульсов ЛЛС траекторных измерений, и являются наиболее перспективными среди лазеров своего класса, так как имеет большую эффективность и возможность управления модовым составом излучения.

• Обеспечение одномодовой генерации в лазере с торцевой накачкой от лазерных диодов методом согласования пространственных распределений накачки и основной моды резонатора не приводит к исчезновению погрешности измерения дальности за счет неточности наведения по углу.

• Ошибка измерения дальности при многомодовом режиме работы источника излучения ЛЛС может быть уменьшена за счет выравнивания распределения накачки в объеме генерации.

• В лазерах с торцевой накачкой существует оптимальное сочетание параметров фокусировки и диафрагмы, при котором достигается наибольшая эффективность генерации при заданных требованиях к точности измерений.

• Разработанная система моделей твердотельного лазера с диодной накачкой позволяет находить оптимальное сочетание параметров лазера для получения излучения с заданными пространственно-временными характеристиками.

Публикации, апробация и внедрение результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

1. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Шестая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов.2000. г. Москва.

2. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Седьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов.2001. г. Москва.

3. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Восьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов.2002. г. Москва.

Основные результаты диссертации изложены в 7 печатных работах. Результаты диссертации используются в проекте модернизации передатчика малогабаритной лазерно-телевизионной станции серии «ОКА», разрабатываемом в особом конструкторском бюро МЭИ.

По материалам диссертации разработан новый раздел курса «Квантовые генераторы» для студентов специальности «Радиофизика и электроника».

Основные результаты работы заключаются в следующем:

• Проведен аналитический обзор и классификация известных схем построения твердотельных лазеров с накачкой от лазерных диодов. Выявлены их достоинства и недостатки.

• По данным сравнительного анализа выбрана оптимальная конструкция излучателя для ЛЛС на основе кристалла AHT: Nd с торцевой накачкой от лазерных диодов.

• Проведен сравнительный анализ методов моделирования лазеров в импульсном режиме и на его основании выбран наиболее подходящий метод.

• Разработана одномодовая модель AHT: Nd лазера с торцевой накачкой от лазерных диодов, в которой учтена тонкая структура энергетических уровней кристалла, использовано представление встречных волн для поля в резонаторе, учтены эффект просветления АЭ при торцевой накачке и влияние спонтанного излучения активного элемента на начало генерации.

• Проведено сопоставление результатов расчетов по одномодовой модели лазера с экспериментом.

• Создана многомодовая модель того же лазера, позволяющая исследовать пространственное распределение интенсивности в импульсе генерации при различных распределениях пучка накачки и размерах диафрагмы.

• Исследован процесс дифракционного формирования мод и получена зависимость скорости формирования от параметра Френеля резонатора.

• Показано, что обеспечение одномодовой генерации в лазерах с торцевой геометрией накачки не приводит к устранению ошибки измерения дальности в ЛЛС за счет эффекта задержки фронта зондирующего импульса. Получена количественная оценка этой ошибки и предложены методы ее уменьшения.

• Показано существование оптимального сочетания апертуры накачки и размера диафрагмы для получения максимальной эффективности генерации при обеспечении заданной точности измерений.

Результаты данной работы применяются для усовершенствования малогабаритной лазерно-телевизионной станции серии «ОКА» (см рис. 34), разработанной и созданной в Особом Конструкторском Бюро МЭИ.

Рис. 34. МЛТС «ОКА». 123.

Уже создан и используется измерительный комплекс «ОКА-15», в котором в качестве источника зондирующего излучения используется полупроводниковый лазер, обеспечивающий дальность зондирования до 15 км. Пользователями этого измерительного комплекса являются:

• ЛИИ им. М. М. Громова (г.Жуковский, РФ).

• ФГУП «СПЛАВ» (г.Тула, РФ).

• КЛИИ (Сиань, КНР).

• ПИХОС (Пекин, КНР).

• Лаборатория лазерной техники Янтайского университета (Ян Тай, КНР).

• DAEWOO Heavy Industries (Юж. Корея).

В процессе разработки находится проект модификации станции «ОКА-15» и создания МЛТС «ОКА-бО», в которой будет использоваться лазер с диодной накачкой. Такое усовершенствование позволит увеличить дальность действия системы до 60 км.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.