Создание системы управления полупроводниковой накачкой активных элементов твердотельных лазеров и повышение ее эффективности

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 комплексадля 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 комплексовэтим 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, 2002 г, ФГУП ГосНИИЛЦ РФ «Радуга»), на Первой Всероссийской научно-технической конференции (г. Владимир 2004 г. 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 100×60 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 4 мм 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 втсм, 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 1000втсм, 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 1000втсм, 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.