СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛАЗЕРНОЙ И ОПТОЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Современные мощные лазеры, в частности CO₂ газодинамические, широко применяются в различных отраслях науки и техники, включая военные и оборонные системы. Они используются для создания специализированных комплексов, способных дистанционно воздействовать на объекты.

 

1. Принцип работы CO₂ ГДЛ и исходные данные для расчета

 

CO₂ газодинамический лазер (ГДЛ) представляет собой устройство, использующее энергию химического сгорания для создания активной среды с инверсной населённостью молекул CO₂. Рабочая смесь, состоящая из CO₂, H₂O и N₂, образуется в процессе сгорания топлива (например, толуола или керосина) с окислителем. Далее продукты сгорания направляются через блок сверхзвуковых сопел, где их резкое охлаждение приводит к созданию инверсной населённости, необходимой для генерации лазерного излучения на длине волны 10,6 мкм. Для повышения эффективности процесса используется резонансная передача энергии между молекулами N₂ и CO₂ [1].

 

Оптический резонатор является ключевым элементом CO₂ ГДЛ, определяющим характеристики выходного излучения. Для мощных лазеров с большими активными средами применение традиционных устойчивых резонаторов неэффективно из-за множества поперечных мод, которые ухудшают качество пучка [2]. В таких системах используют НР, обеспечивающие высокую концентрацию энергии за счёт оптимального формирования лазерного пучка.

 

Таблица 1.

Значения основных параметров резонаторов

Важной характеристикой резонаторов является коэффициент увеличения, определяющий параметры пучка. Оптимизация этого коэффициента позволяет достичь баланса между выходной мощностью и угловой расходимостью излучения. Для оценки эффективности резонатора используется целевая функция [3], пропорциональная интенсивности излучения в дальней зоне, которая должна быть максимальной при минимальном угле расходимости.

 

Таким образом, выбор конфигурации НР для CO₂ ГДЛ является задачей структурно-параметрической оптимизации, где учитываются конструктивные особенности, параметры излучения и эффективность передачи энергии.

 

2. Оптимизация выходных параметров

 

Основные расчеты проводились для четырех конфигураций НР с учетом выходной мощности P, угловой расходимости θ, и эффективности передачи энергии (I).

 

Выходная мощность посчитана по соотношению [4]:

                                                                 (1)

где t– коэффициент пропускания излучения, F– площадь поперечного сечения активной среды.

 

Формула для расчета коэффициента пропускания связана с коэффициентом увеличения Mобратной зависимостью:

                                                                                      (2)

Угловая расходимость излучения определяется по формуле (3):

                                                                                    (3)

где λ – длина волны излучения, h– поперечный размер зеркала.

 

Критерий эффективности, то есть эффективность передачи энергии является отношением мощности к углу расходимости:

                                                                                         (4)

 

Таблица 2.

Сводные данные, полученные в результате расчетов

 

Заключение

 

Оптимальным выбором для CO₂ ГДЛ является Z-образная трехпроходная конфигурация. Она обеспечивает:

• Максимальную эффективность передачи энергии .
• Минимальную угловую расходимость .
• Высокую концентрацию излучения на дальних расстояниях.

Недостаток Z-образной конфигурации заключается в усложнении конструкции за счет необходимости юстировки большего количества зеркал. Однако преимущества значительно превышают эти сложности, что делает данную схему предпочтительной для применения в мощных лазерных системах.