Критерии качества функционирования адаптивных лазерных систем

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение................................................................5
Глава 1. О проблемах повышения эффективности функционирования
лазерных систем...............................................12
1.1. Сравнительный анализ адаптивных и обыкновенных лазерных систем 13
1.2. Анализ критериев качества функционирования лазерных систем........17
1.3. Анализ путей повышения эффективности функционирования адаптивных лазерных систем и методик выбора их параметров.........21
Глава 2. Критерий качества функционирования адаптивных
лазерных систем...............................................28
• , • ' ш
2.1. Структурный анализ адаптивных лазерных систем и разработка
модели объекта исследования.......................................28
2.2. Анализ функционирования датчика волнового фронта.........'........33
2.3. Анализ вычислительных процессов в адаптивных системах.............43
2.4. Выбор критерия качества функционирования адаптивных лазерных систем............................................................49
2.5. Разработка методики определения приведенной энтропии углов
наклона волнового фронта..........................................58
Глава 3. Математическая модель адаптивной лазерной системы
и функции критерия качества...................................65
3.1. Математическая модель формирования потока активной среды.:........65
3.2. Математическая модель формирования пучка лазерного излучения 70
3.3. Разработка функции критерия качества на основе выбора критериев подобия адаптивных лазерных систем................................74
3.4. Моделирование функционирования
адаптивной оптической системы.....................................86
з
Глава 4. Определение характеристик и критериев качества активной среды
и лазерных систем на основе имитационного моделирования........94
4.1. Цель и задачи имитационного моделирования..........................95
4.2. План проведения эксперимента по имитационному
моделированию и его результаты.....................................96
4.3. Определение момента выхода лазерной системы
на квазистационарный режим работы.................................103
4.4. Определение характеристик активной среды, пучка лазерного -излучения и критерия эффективности функционирования
адаптивной лазерной системы.......................................107
Глава 5. Разработка регрессионных моделей характеристик
функционирования адаптивных лазерных систем....................115
5.1. Разработка регрессионных моделей для адаптивных
лазерных систем...................................................115
5.2. Определение регрессионных моделей для импульсно-периодического лазера................................. 120
5.3. Анализ регрессионных моделей функционирования
адаптивных лазерных систем........................................122
Глава 6. Экспериментальная проверка результатов имитационного
моделирования..................................................131
6.1 Экспериментальная установка........................................131
6.2. Оборудования и его основные характеристики........................135
6.3. Описание работы экспериментальной установки и методика
измерений углов наклона волнового фронта.................*.......139
6.4. Методика определения приведенной энтропии
углов наклона волнового фронта....................................144
6.5. Результаты физического эксперимента и их анализ...................147
Заключение
Библиографический список используемой литературы
Приложение
5
ВВЕДЕНИЕ
Главной отличительной чертой любого этапа научно-технического прогресса является применение принципиально новых технологий. Развитие новых отраслей техники, таких, как аэрокосмическая техника, ядерная энергетика, информатика, невозможно без новейших технологий обработки материалов и передачи информации. В настоящее время основными требованиями к новым, разрабатываемым, технологиям являются высокая производительность, максимальный экономический эффект, энергетическая и ресурсная экономичность, экологическая чистота и максимальной автоматизация.
К разряду новых технологий относятся лазерные, обладающие возможностью реааизации процессов, недоступных другим технологиям, возможностью достижения полной автоматизации и высокой производительности. Лазерные системы (ЛС) широко применяются для обработки материалов, в технике связи, информационной технике, медицине, промышленном контроле, полиграфии, промышленной химии, военной технике и вооружении [50, 46, 30].
Столь широкое и быстрое развитие лазерных технологий обусловлено уникальными физическими свойствами лазерною излучения (ЛИ) - высокой степенью его когерентности и монохроматичности. Эти свойства позволяют передавать энергию и информацию на большие расстояния с минимальными потерями и эффективно управлять этими энергетическими и информационными потоками.
Максимальная реализация физических преимуществ ЛИ достигается при условии высокого качества лазерного пучка, которое, в свою очередь, определяет качество фокусировки излучения, эффективность управления мощностью, временным режимом и спектральным составом излучения, стабильность мощности, углового положения пучка, модового и спектрального состава излучения.
В настоящее время существует множество различных по физическому принципу действия и конструктивному исполнению лазерных систем. Одно из
главных мест в этом ряду занимают лазерные системы на базе газовых лазеров, обладающих хорошим оптическим качеством пучка, совершенством конструкции и надежностью в эксплуатации. Среди них ССЬ-лазеры имеют наибольшие значения мощности излучения и коэффициент полезного действия, что и определяет их широкое применение в энергоемких термических технологиях: сварке, резке, упрочнении поверхности и т.д.
К классу С02-лазеров относятся импульсно-периодические ТЕА-лазеры (Transversely Excited Atmospheric pressure), обладающие уникальными технологическими возможностями. Благодаря импульсно-периодическому характеру излучения, ТЕА-лазеры используются в фотохимии и атомно-молекулярных селективных технологиях фотосинтеза и разделения изотопов. Именно импульсно-периодический характер излучение позволяет использовать ТЕА-лазеры в таких термических технологиях, как пробивка отверстий, скрайбирование поверхностей, размерная обработка деталей. Они применяются для лазерной локации и лазерной спектроскопии, в исследованиях лазерного термоядерного синтеза и т.д. •
Импульсно-периодические газовые лазеры, обладая известными преимуществами, имеют и ряд недостатков, одним из которых является ухудшение энергетических и пространственных характеристик пучка ЛИ наблюдаемое при увеличении частоты следования импульсов.
С ростом частоты ухудшается оптическая однородность активной среды, что приводит к уменьшению средней мощности и увеличению угловой расходимости пучка. Это, в свою очередь, приводит к резкому падению плотности мощности (интенсивности) в пятне фокусировки. А поскольку интенсивность является одним из главных параметров лазерного излучения, определяющих эффективность практически всех технологических процессов, то проблема достижения её максимально возможных значений является, несомненно, актуальной проблемой.
Известно, что высокую интенсивность ЛИ можно достичь, одновременно увеличивая мощность и уменьшая угловую расходимость пучка. При этом осо-
7
бую роль играет уменьшение угловой расходимости, поскольку она определяет не только возможность максимальной фокусировки пучка, но и эффективность транспортировки энергии излучения на большие расстояния.
Достижение низкого уровня угловой расходимости пучка лазерного излучения возможно двумя принципиально различными путями.
Первый путь заключается в уменьшении оптической неоднородности активной среды рациональным выбором режимов работы и параметров конструкции ЛС, а второй - в уменьшение угловой расходимости непосредственно самого пучка лазерного излучения покинувшего ЛС, путём коррекции его волнового фронта с помощью внешних адаптивных оптических систем (АОС). Кроме того, эффективным способом уменьшения как угловой расходимости, так и повышения выходной мощности ЛС является также внутрирезонаторная адаптивная коррекция [2, 53].
Что касается первого пути, то в лазерных системах без АОС принципиально невозможно уменьшить расходимость пучка на больших частотах повторения импульсов, то есть в области высоких средних мощностей. Однако и в лазерных системах, снабжённых адаптивными оптическими системами, на этих режимах работы расходимость пучка остается достаточно большой из-за ошибок коррекции, возникающих вследствие широкого спектра размеров (10'1 ч- КГ3 м) и малого времени эволюции (10'3 ч- Ю"5 с) оптических неоднородностей активной среды.
Изучение проблемы достижения идеальной коррекции пучка с помощью АОС показало, что существует резерв повышения качества коррекции. Этот резерв заключён в объединении двух названых направлений уменьшения угловой расходимости. Действительно, исходя из того, что характеристики пучка лазерного излучения, определяемые характеристиками активной среды, должны каким то образом влиять на качество его коррекции в адаптивной оптической системе, можно предположить, что существуют оптимальные параметры конструкции и режимы работы адаптивной лазерной системы отвечающие максимальному качеству процесса коррекции.
8
Таким образом, целью настоящей диссертационной работы является изучение путей повышение интенсивности лазерного излучения лазерных систем, снабжённых адаптивной оптической системой, путём выбора оптимальных параметров их режимов работы и конструкции.
Таким образом, главной задачей настоящей диссертационной работы является разработка на базе имитационного моделирования физических процессов в имиульсно-периодическом ТЕА-лазере комплекса рекомендаций и методик для выбора оптимальных параметров конструкции и режимов работы адаптивных лазерных систем.
Для решения основной задачи в настоящей работе были решены следующие частные задачи:
1. Определены и разработаны критерии качества активной среды, пучка лазерного излучения и эффективности функционирования адаптивной оптической системы.
2. Решена задача оптимальной фильтрации сигнала датчика волнового фронта пучка лазерного излучения.
3. Разработаны критерии подобия процессов формирования потоков активной среды и лазерного излучения.
4. Разработаны регрессионные модели характеристик и критериев качества активной среды и излучения от параметров конструкции и режимов работы лазерной системы.
5. Предложена методика экспериментального определения критерия качества пучка лазерного излучения.
Для решения большинства поставленных задач использовался метод имитационного моделирования.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах [41 - 43].
Основные положения диссертационной работы и её отдельные результаты докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции в МГТУ им. Н.Э. Баумана "Эффективность и надёжность технических сис-
9
тем" (Москва 1989 г.), 34-й, 35-й, 37-й и 38-й научных конференциях ВолгГТУ (Волгоград 1996, 1997, 1999, 2001 г.г.).
Диссертация состоит из шести глав.
В первой главе определяется объект исследования, формулируются цель и основные задачи исследования. На основе литературных данных проводится анализ направлений и методов повышения эффективности функционирования обыкновенных и адаптивных лазерных систем; даётся обзор известных критериев качества функционирования лазерных систем и способов повышения их эффективности; анализируется методика выбора параметров адаптивных лазерных систем.
Во второй главе на основе анализа функционирования адаптивных оптических и лазерных систем конкретизируется объект исследования, разрабатывается его упрощенная модель. Разрабатывается модель сигнала датчика волнового фронта и определяются статистические свойства сигнала при работе датчика в составе лазерной системы. Исследуется вычислительный алгоритм функционирования адаптивной системы и определяется показатель эффективности её функционирования. Разрабатываются критерий качества пучка лазерного излучения и методика его определения. В последнем случае решаются задачи оптимальной фильтрации сигнала датчика и выбора некоторых параметров адаптивной системы.
В третей главе разрабатываются математические модели основных физических процессов происходящих в лазерной системе при её работе, а, так же, модель функционирования всей лазерной системы. С использованием метода анализа размерностей разрабатываются безразмерные критерии подобия, определяющие общий вид функции критерия качества излучения исследуемого типа лазерной системы. С использованием модели функционирования лазерной системы проводятся предварительные исследования известных и разрабатываемых характеристик и показателей качества.
В четвертой главе разрабатывается план эксперимента и на его основе проводится имитационное моделирование формирования потока активной среды в
10
режиме импульсно-периодического энерговклада. По результатам моделирования, с использованием модели формирования пучка лазерного излучения в разрядной зоне, определяются основные параметры, характеристики и показатели качества пучка лазерного излучения, активной среды и функционирования адаптивной системы. Рассматривается так же вопрос о выходе лазерной системы на квазистационарный режим работы при её запуске.
В пятой главе разрабатываются регрессионные модели показателей качества и характеристик пучка лазерного излучения, активной среды и функционирования адаптивной системы от параметров конструкции и режимов работы лазерных систем. Разрабатываются регрессионные модели для реального импульсно-периодического лазера. Проводится анализ регрессионных моделей функционирования адаптивных лазерных систем и критерия качества на предмет их работоспособности. Делаются выводы о тенденциях поведения характеристик и критериев в рассматриваемой области изменения параметров лазерных систем.
Шестая глава посвящена проверке некоторых результатов полученных с помощью имитационного моделирования, на экспериментальной установке моделирующую лазерную систему типа "задающий генератор-усилитель" на базе импульсно-периодического ТЕА-лазера. В главе описываются функционирование измерительного комплекса и методики измерения и определения критерия качества пучка лазерного излучения.
Таким образом, на защиту выносятся:
• критерий качества активной среды и пучка лазерного излучения для адаптивных лазерных систем;
• методика экспериментального определения критерия качества;
• методика решения задачи оптимальной фильтрации сигнала;
• регрессионные модели, связывающие критерий качества с безразмерными комплексами.
Научная новизна работы заключается в следующих положениях:-
11
• выявлено влияние структуры возмущений активной среды на эффективность функционирования адаптивной оптической системы;
• предложено использовать для характеристики качества активной среды и пучка лазерного излучения приведенную энтропию распределения углов наклона волнового фронта пучка лазерного излучения;
• выявлена связь между энтропией сигнала датчика волнового фронта и эффективностью функционирования адаптивной оптической системы;
• разработаны критерии подобия процессов и регрессионные модели для определения критерия качества лазерного излучения адаптивных лазерных систем;
• разработана методика экспериментального определения приведенной энтропии углов наклона волнового фронта.
12
ГЛАВА 1. О ПРОБЛЕМАХ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ
Лазеры широко используются в промышленных технологиях обработки материалов. Преимущества лазерных технологических процессов обработки материалов перед другими в том, что они обеспечивают локальность и прецизионность обработки, высокую производительность и возможность обработки любых материалов.
В энергоемких термических технологиях: сварке, резке и упрочнении поверхности в основном применяются СОг-лазеры, имеющие высокие значения мощности излучения («20 кВт) и коэффициент полезного (10.. .20 %) действия.
К данному классу лазеров относятся ТЕА-лазеры, излучение которых обладает высокими значениями средней мощности (102...104 Вт), мощности в импульсе (103 108 Вт) и интенсивности (10,2...10и Вт/м2), при малой длительности импульса излучения (10'4...10*8 с) [55].
Благодаря уникальным характеристикам излучения, что обусловлено импульсно-периодическим режимом генерации излучения, ТЕА-лазеры используются в фотохимии, атомно-молекулярных селективных технологиях фотосинтеза и разделения изотопов. Импульсно-периодический характер излучения позволяет применять ТЕА-лазеры в таких термических технологиях, как пробивка отверстий, скрайбирование поверхностей, размерная обработка деталей. Они применяются для лазерной локации и спектроскопии, в исследованиях лазерного термоядерного синтеза и т.д. Области применения ТЕА-лазсров определяемые частотой следования импульсов - Ри и энергией в импульсе - РГН показаны на рис. 1.1 [55].'
ТЕА-лазеры могут использоваться в технологических процессах как самостоятельно, так и в составе с различными устройствами и системами. Лазер в совокупности с различными устройствами, например, усилителем, будем называть лазерной системой (ЛС).
13
*„.Гц 10000
1000 100 • 10 1
0,1 1 10 100 Wu, Дж .
Рис. 1.1. Области применения ТЕА-лазеров
1.1. Сравнительный анализ адаптивных и обыкновенных лазерных систем
Импульсно-периодические газовые лазеры, обладая известными преимуществами, имеют ряд недостатков, одним из которых является резкое ухудшение энергетических и пространственных характеристик пучка ЛИ в области больших частот следования импульсов.
С ростом частоты следования импульсов Fu ухудшается однородность активной среды, что приводит к падению средней мощности - Рср, рис. 1.2 а [55] и увеличению угловой расходимости пучка - 0, рис. 1.2 б [32], что, в свою очередь, приводит к резкому падению интенсивности излучения в пятне фокусировки. Интенсивность ЛИ является одним из главных параметров, определяющих эффективность практически всех технологических процессов. Существует два принципиально отличающихся способа достижения высоких значений интенсивности за счёт уменьшения его расходимости.
Первый заключается в обеспечении максимальной оптической однородности активной среды соответствующим выбором режимов работы и параметров конструкции всей лазерной системы [14, 19, 32, 20, 24-27,18], а второй - в
ТЕРМИЧЕСКАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ
РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ
ФОТОХИМИЯ
14
уменьшении расходимости непосредственно самого пучка излучения, с помощью адаптивных оптических систем (АОС) [35, 53].
а 6
Рис. 1.2 Зависимость средней мощности -а и расходимости - б излучения импульсно-периодического лазера от частоты следования импульсов
Их преимущества и недостатки наглядно демонстрируются графиками зависимости интенсивности - Е, средней мощности - Рср и угловой расходимости -0 от частоты следования импульсов Fu, приведёнными на рис. 1.3 (буквенные обозначения характеристики излучения адаптивных лазерных сопровождаются индексом ad).
На графике зависимости интенсивности -Е от частоты следования импульсов для простых лазерных систем видно, что скорость роста интенсивности падает, начиная с частоты Fu\, при которой начинает расти угловая расходимость 0, что объясняется ростом площади пятна фокусировки 5, поскольку Е = Pcp/S.
При этом неоднородность активной среды, приводящая к росту 0, ещё не оказывают существенного влияния на процесс энерговклада, а, следовательно, и на линейный рост средней мощности по известной зависимости - Рср = WUFU.
При достижении частоты значения Fu2, неоднородность активной среды начинает оказывать существенное влияние на эффективность энерго.в клада, что
15
приводит к снижению темпа роста средней мощности лазерного излучения, а, начиная с частоты Еи4, к сё убыванию.
Рис. 1.3. Зависимости интенсивности - Е, средней мощности - Рср и расходимости - © пучка от частоты следования импульсов для простых и адаптивных лазерных систем
При этом снижение интенсивности наступает значительно раньше начала снижения средней мощности и идёт более высокими темпами из-за увеличения скорости роста угловой расходимости 0 пучка излучения.
Следует особо подчеркнуть, что в неадаптивных системах частота F„3, соответствующая максимуму интенсивности Етах, не совпадает с частотой Fu5 максимума Средней МОЩНОСТИ ЛИ - Рсртах [22], что в конечном счете не позволяет полностью реализовать энергетические возможности простых лазерных систем в некоторых технологических процессах. К примеру, если технологический процесс осуществляется при пороговом значении интенсивности, соответствующего её максимуму, то производительность процесса, определяемая средней мощностью пучка, будет далека от максимальной.
В адаптивных лазерных системах, благодаря работе адаптивной оптической системы, расходимость пучка излучения на малых частотах следования им-
16
пульсов, как показано на графике 0 = 0(^), остается практически постоянной (в идеальном случае - на уровне дифракционной). На больших частотах расходимость начинает расти вследствие роста динамических погрешностей функционирования АОС. При этом средняя мощность пучка ЛИ адаптивной ЛС, в случае его внешней коррекции, изменяется с частотой следования импульсов так же, как и средняя мощность пучка обычной ЛС. Однако в адаптивных лазерных системах с внутрирезонаторной коррекцией максимальная средняя мощность излучения может значительно превышать (на 60 % [59]) максимум мощности, достижимый в отсутствие таковой, что объясняется более благоприятными условиями формирования лазерного излучения в активной среде.
Следует особо отметить, что в адаптивных ЛС достигается более высокий уровень интенсивности ЛИ, чем в обыкновенных, причём частота, при которой она максимальна Ри4, практически совпадает с частотой максимума средней мощности Ри5. •
Уменьшение угловой расходимость пучка определяет не только возможность максимальной фокусировки пучка, но и уровень эффективности транспортировки энергии или информации на большие расстояния.
В обыкновенных лазерных системах принципиально невозможно свести расходимость пучка до нуля, поскольку никакими конструктивными мерами нельзя избежать неоднородности активной среды, возникающей при импульсно-периодическом вкладе энергии в её поток. Однако и в адаптивных лазерных системах при больших частотах следования импульсов расходимость пучка становится достаточно большой из-за различного рода ошибок коррекции, возникающих вследствие широкого диапазона размеров (10 1 4- 10'3 м) и малого времени эволюции (10'3-4 10 5 с) оптических неоднородностей активной среды в разрядной зоне.
Исследования, направленные на решение проблемы повышение оптического качества активной среды, актуальной, прежде всего для простых лазерных систем, нашли своё отражение в многочисленных публикациях [3, 5, 6, 11]. Что касается исследований в области адаптивных лазерных систем, то анализ лите-
17
ратуры [18, 21, 35, 13, 53] показывает, что они ориентированы в основном на повышение качества функционирования самих адаптивных систем, а влияние на него качества активной среды рассматривается недостаточно глубоко.
Таким образом, разработка критерия качества активной среды для адаптивных лазерных систем является очевидной необходимостью.
1.2. Анализ критериев качества функционирования лазерных систем
Для разработки критерия качества активной среды адаптивных лазерных систем необходимо провести анализ известных характеристик и критериев, применяемых для прямой или косвенной оценки эффективности функционирования как адаптивных, так и обыкновенных лазерных систем, на предмет их использования в качестве такового. Известно достаточно большое количество характеристик лазерного излучения [29], среди которых пространственные характеристики в наибольшей степени определяются качеством активной среды (таблица 1.1). •
Например, угловая расходимость пучка лазерного излучения - 0, используется не только как характеристика пучка, но и как характеристика лазерных систем.
В роли критерия качества пучка лазерного излучения как простых, так и адаптивных лазерных систем нередко используется критерий Штреля 8Ь [18,
ной на расстоянии х от выходной апертуры пучка; Ео - интенсивность того же
- среднеквадратичный разброс фазы в плоскости выходной апертуры пучка.
35, 13]
(1.1)
где Е{х) - интенсивность пучка ЛИ в плоскости наблюдения, расположен-
л
пучка в той же плоскости, но в отсутствии искажений (идеальный пучок); А<р