CC BY
56
Список литературы
1. Белоконев Е.Н., Попова Т.Е., Пурас Г.Н. Водоотведение и водоснабжение. М.: Феникс, 2012. 384 с.
2. Сомов М.А., Квитка Л. А. Водоснабжение: учебник. М.: ИНФРА-М, 2014. 288 с.
3. Цепенев Р.А. Автоматическое управление процессом сварки: учебное пособие. Тольятти: ТолПИ, 2001. 76 с.
4. Маслов В.И. Сварочные работы: учебник для начального профессионального образования. М.: Академия, 2000. 234 с.
Сиренко Елизавета Романовна, студент, angel12vat@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
COMPARATIVE ANALYSIS OF WELDING TECHNOLOGIES OF GALVANIZED WATER
SUPPLY PIPES
E.R Sirenko
A comparative analysis of the technologies for joining galvanized pipes used in water supply is carried out. The most optimal way of connecting these pipes is determined, its advantages and disadvantages are given.
Key words: galvanized pipes, technology, connection, thread, welding, water supply.
Sirenko Elizaveta Romanovna, student, angel12vat@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.7.08
СТАБИЛИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОЙ ДИОДНОЙ МАТРИЦЫ ДЛЯ НАКАЧКИ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА
Нгуен Ван Тхыонг, Ву Куок Тхи
Представлены результаты применения эффекта Пельтье для стабилизации выходной мощности твердотельного YAG:Nd-лазера с полупроводниковой лазерной накачкой. Проведено экспериментальное исследование системы стабилизации и оценены её характеристики.
Ключевые слова: охлаждение полупроводникового лазера, эффект Пельтье, YAG:Ndлазер с диодной накачкой.
В последнее время широко применяются твердотельные лазеры с диодной накачкой или полупроводниковой лазерной матрицей [1]. Однако обеспечение стабильных параметров пучка, таких как длина излучаемой волны и мощность, по-прежнему представляет значительные трудности для твердотельного лазера в целом и твердотельного УАО:Ш - лазера с
300
диодной накачкой. Известно, что мощность и длина волны лазера существенно зависят от температуры полупроводниковой лазерной матрицы [1,3]. При работе (особенно с мощной полупроводниковой лазерной матрицей и режимом с высокой частотой повторения) повышение температуры полупроводниковой лазерной матрицы приводит к сдвигу длины волны в более длинноволновый диапазон и уменьшению излучаемой мощности [2]. Сдвиг длины волны влияет на мощность поглощения в активной среде YAG:Nd, что приводит к уменьшению излучаемой мощности. Для твердотельного лазера YAG:Nd накачка производится полупроводниковой лазерной матрицей на длине волны 808 нм, что соответствует максимальному диапазону поглощения активной среды YAG:Nd (рис. 1).
Рис. 1. Спектр поглощения УАО:Ш
Следовательно, сдвиг пиковой длины волны вызывает уменьшение мощности поглощения и, следовательно, излучаемой мощности лазера. По этим причинам стабилизация пиковой длины волны полупроводниковой лазерной матрицы играет решающую роль и требует высокой точности стабилизации температуры перехода (±1° С). Метод охлаждения воздушным потоком (с использованием естественной или принудительной вентиляции) не очень эффективен в лазерном дальномере из-за ограничения конструкции закрытой камеры. Методы жидкостного охлаждения также неэффективны из-за больших размеров системы охлаждения и необходимости частой смены охлаждающих жидкостей [3].
В данной работе предлагается использовать эффект Пельтье для решения задач охлаждения [2] для стабилизации параметров твердотельного УАО:Ш-лазера с накачкой полупроводниковой лазерной матрицей, работающей в режиме высокой мощности и высокой частоты следования (20 ^ 30 Гц или даже до 40 Гц) с дальностью обнаружения до 20 км. Предложенное решение помогает стабилизировать температуру, в результате чего стабилизируются параметры накачки (длина волны, мощность), следовательно, стабилизируются параметры излучаемого лазера и всей системы дальномера. Кроме того, режим работы дальномера контролируется и управляется, когда параметры выходят за допустимые пределы.
Решение проблемы стабилизации.
1.1. Мощная полупроводниковая импульсная лазерная матрица. Импульсный лазер большой мощности [3] состоит из полупроводникового слоя ОаАБ, нанесенного между двумя зеркальными поверхностями, обра-
301
зующего резонатор лазера. Толщина этого полупроводникового слоя напрямую влияет на излучаемую длину волны. Одной из характеристик полупроводникового лазера является порог генерации. Лазер не будет излучать, если энергия не подается в достаточной степени на полупроводниковый слой. Когда ток накачки, подаваемый на полупроводник, ниже порогового значения, происходит только самопроизвольное излучение, интенсивность которого постепенно увеличивается при превышении порогового значения. Одним из недостатков мощного полупроводникового импульсного лазера является влияние температуры на основные параметры, включая пиковую длину волны и мощность.
1.2. Влияние температуры на полупроводниковую лазерную матрицу. Авторы использовали полупроводниковую лазерную матрицу СОЕ-0801-1050ШОСШ для накачки твердотельного УАО:Ш-лазера и исследовали параметры лазера. Основные параметры лазера приведены в таблице.
Основные параметры лазерной матрицы COE-GS01-1050WQCW
Длина волны 808 нм ± 3 нм
Максимальная импульсная мощьность 1050 Вт
Рабочий режим QCW
Ширина импульса, <500 мкс
Порог эмиссии, 20 А
Рабочий ток, <170 А
Рабочее напряжение 18...26 В
Рабочая температура - 45 ... 75 °С
Исходя из предоставленных производителем параметров, для полупроводниковой лазерной матрицы СОЕ-0801-1050ШОСШ длина волны максимума варьируется 0,3нм/°С [4]. Зависимость длины волны от рабочей температуры показана на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость длины волны от рабочей температуры
Из рис. 2 видно, что пиковая длина волны будет изменяться на 3 нм при изменении температуры на 10°С. Если пиковая длина волны находится на 810 нм, в соответствии со спектром поглощения УАО:№ (рис. 1), поглощенная энергия очень мала и лазер не может излучать.
302
1.3 Влияние длины волны полупроводниковой лазерной матрицы накачки на мощность излучения твердотельного УАО:№-лазера. Согласно спектру поглощения УАО:№ (рис. 1), мы видим, что максимальное поглощение происходит на длине волны 808 нм. На других длинах волн поглощение быстро уменьшается, что приводит к уменьшению мощности поглощения и мощности излучения лазера. Это значительно уменьшает максимальную дальность измерения расстояния.
Зависимость максимальной дальности лазерного локатора от мощности излучения описывается фундаментальным уравнением, вычисляющим необходимую энергию излучения лазерного луча Епер для обеспечения Ьм максимума диапазона измерения [4]
Е - Е 4^м . 2аЬм
^пер ~ ^пер.м 2 '
Фпр ^2Р
где Епрм - минимальная энергия лазерного луча, которую детектор может обнаружить для заданной длины волны и ширины импульса; тт2 -коэффициент пропускания передающей антенны и приёмной антенны соответственно; Впр - диаметр объектива приёмной антенны; а -
Е
коэффициент ослабления атмосферы; С- — - определяется соотношением
Е0
доли излучающей энергии на мишени Е и полной излучающей энергии лазерного луча Ео.
Таким образом, решение задачи стабилизации основных параметров (в том числе длины волны и мощности) мощной полупроводниковой импульсной лазерной матрицы обеспечивает стабилизацию мощности излучения твердотельного лазера и, соответственно, обеспечение максимальной дальности действия лазерного локатора.
2 Расчет и проектирование системы стабилизации мощности для твердотельного лазера УАО:КО с накачкой диодной лазерной матрицей.
2.1. Проектирование. Для оптимизации размеров и веса лазера и, следовательно, всего дальномера, авторы предложили использовать охладитель Пельтье [2] для стабилизации температуры полупроводниковой лазерной матрицы.
Из характеристик накачки полупроводниковой лазерной матрицы (таблица), зависимости длины волны от температуры полупроводниковой лазерной матрицы (рис. 2), влияние длины волны накачки полупроводниковой лазерной матрицы на излучающую мощность УАО:№ лазер (рис. 1), авторы выбрали термостабилизирующий модуль с использованием эффекта охлаждения Пельтье с током 6.. .8 А.
Функциональная схема модуля стабилизации мощности излучения для УАО:№ лазера с накачкой полупроводниковой лазерной матрицей приведена на рис. 3.
Рис. 3. Функциональная схема излучающего модуля стабилизации мощности твердотельного лазера с накачкой полупроводниковым
лазером
Принцип работы системы может быть описан следующим образом: Когда полупроводниковая лазерная матрица работает (излучает лазер), температура матрицы контролируется датчиком температуры, и данные отправляются в процессорный модуль обработки. Основываясь на текущей температуре, процессорный модуль обработки генерирует модулированные импульсы, используя встроенный алгоритм, разработанный для модуля управления мощностью и стабилизацией температуры. Скорость и ошибка стабилизации температуры контролируются алгоритмом PID - регулятора, который является контроллером обратной связи, управляющий сигнал которого изменяется в соответствии с входными значениями. Блок-схема алгоритма управления PID показана на рис. 4. Алгоритм управления PID учитывает 3 различных параметра: коэффициент пропорциональности P, интегральное значение I и производную D. При калибровке значений трех констант P, I, D можно отрегулировать выходную скорость стабилизации и погрешность температуры.
Рис. 4. Блок-схема ПИД-регулятора
Алгоритм управления излучением системы стабилизации мощности твердотельного УАв^ё лазера с накачкой полупроводниковой лазерной матрицей приведен на рис. 5.
Формирование связи по интерфейсу UART
Настройка счётчика таймера импульсного модулятора
Установка температуры Ts и Р, I, D коэффициентов
Передача значений Ts и Р, I, D используя UART канал
Управление модулем контроля охладителя Пельтье
Рис. 5. Блок-схема алгоритма управления излучающей системой
стабилизации твердотельного YAG.'Nd-лазера с накачкой полупроводниковой лазерной матрице
2.2. Расчет и выбор компонентов. Требования к входу и выходу модуля стабилизации излучающей мощности для мощной накачки полупроводниковой лазерной матрицы:
Входное напряжение: 24 В.
Выходное напряжение охладителя Пельтье: 12 В.
Максимальный выходной ток: 6 А.
Ошибка стабилизации температуры: ±1 0С.
Модуль стабилизации температуры требует, чтобы силовая цепь обеспечивала реакцию на большой ток и была управляемой, датчик температуры чувствителен, стабилен, чип управления и обработки может работать с высокой скоростью, достаточной памятью и энергоэффективностью. Авторы исследовали и выбрали процессорный чип Atmega32A, датчик температуры LM35 от Texas Instruments, охладитель Пельтье 8A, управляющий транзистор MOSFET с высокой мощностью, который подходит для стабилизации мощности излучения полупроводниковой лазерной матрицы.
С целью регулирования температуры в различных условиях (охлаждение или нагрев) авторы разработали силовую схему, включающую 4 канала для управления направлением тока управляющего элемента Пель-тье.
2.3. Принципиальная схема. Исходя из функциональной схемы модуля стабилизации мощности лазера на рис. 3 и требований к системе стабилизации мощности для мощного (1000 Вт) твердотельного лазера с накачкой полупроводниковой лазерной матрицей, авторы предложили схему, показанную на рис. 6 и 7.
Рис. 6. Принципиальная схема модуля стабилизации мощности
Рис. 7. Принципиальная схема питания термоэлектрического
элемента Пельтье
2.4. Экспериментальные результаты. Авторы изготовили мощный твердотельный УАО:№ лазер с накачкой полупроводниковой лазерной матрицей и исследовали зависимость энергии излучения импульсной полупроводниковой лазерной матрицы от температуры и времени с использованием и без использования модуля стабилизации температуры. Результаты показаны на рис. 8.
Without temperature stabilizing system
; ioo,o
98,0 96,0 94,0 92,0 . 90,0
mtttTííi
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19
Operating time, s Pulse energy (mJ) -o-
40,0 36,0 32,0 28,0 24,0 20,0
■ Temperature (°C)
With temperature stabilizing system
> 100,0 2? 98,0
£ 96,0
a) 94,0
8 92,0
3 90,0
mm
Operating time, s
40,0 fe 36,0 Q-
32,0
<D
28,0 24,0 20,0 %
11 13 15 17 19 E
0)
Pulse energy (mJ)
Temperature (°C)
Рис. 8. Изменение энергии излучения, температуры полупроводниковой лазерной матрицы накачки в зависимости от времени
Экспериментальные результаты предлагаемого мощного твердотельного УАО:№- лазера с накачкой полупроводниковой лазерной матрицей показывают, что:
при работе полупроводниковой лазерной матрицы накачки без стабилизации имеет место непрерывное изменение температуры матрицы (возрастание примерно на 10 градусов за 20 с) и падение энергии импульса (на 5% за 20 с);
при использовании разработанного стабилизатора мощность излучения твердотельного YAG:Nd лазера стабильна с погрешностью не более 1%.
3. Выводы. Авторы использовали термоэлектрический охладитель Пельтье для стабилизации основных параметров полупроводниковой лазерной матрицы, которая используется для накачки энергии твердотельного YAG:Nd лазера, применяемого в лазерном дальномере с высокой частотой следования импульсов. Экспериментальные исследования системы стабилизации температуры для полупроводниковой лазерной матрицы COE-GS01-1050WQCW позволили достичь следующих результатов:
температура матрицы стабилизируется в диапазоне 25... 55°С;
погрешность стабилизации температуры не превышает ± 1°С для всего температурного диапазона;
выходная мощность лазерного дальномера стабилизирована с погрешностью не более 2%;
стабилизированная температура может легко регулироваться в пределах диапазона, что полезно для полупроводниковой лазерной матрицы, работающей при различных температурах.
Экспериментальные результаты, полученные на модуле стабилизации температуры для полупроводниковой лазерной матрицы, хорошо согласуются с ранее опубликованными результатами с использованием различных методов [3, 8-10]. Эта работа показала большой потенциал применения термоэлектрического охладителя Пельтье для стабилизации температуры полупроводниковой лазерной матрицы, которая используется для накачки энергии твердотельного лазера, что доказывает возможности изготовления лазерного дальномера во Вьетнаме с использованием мощной полупроводниковой лазерной матрицы в качестве источника накачки.
Авторы благодарят Министерство науки и технологий Республики Вьетнам за поддержку проекта DTDLCN.24 / 18.
Список литературы
1. Глухих И.В., Димаков С.А., Курунов Р.Ф., Поликарпов С.С., Фролов С.В. Мощные твердотельные лазеры на Nd:YAG с поперечной диодной накачкой и улучшенным качеством излучения // Журнал технической физики, 2011. Том 81. Вып. 8. С. 71-75.
2. Шелестов Д.А., Томилов С.М. Стабилизация длины волны излучения диодных лазеров. Динамические характеристики элементов Пельтье // Фотоника №4 (58), 2016. С. 52-63.
3. Koechner Walter. Solid-State Laser Engineering. Springer series in optical sciences. 2006. 765 p.
4. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: ЛОГОС, 2004. 480 с.
Нгуен Ван Тхыонг, канд. техн. наук, начальник отдела, sonythuong@,gmail.com, Республика Вьетнам, Ханой, Институт технической физики,
Ву Куок Тхи, магистр, ассистент отдела, sonythuong@,gmail. com, Республика Вьетнам, Ханой, Институт технической физики
STABILIZATION OF LASER DIODE MATRIX PARAMETERS FOR PUMPING
A SOLID-STATE LASER
Nguyen Van Thuong, Vu Quoc Thuy
The results of applying the Peltier effect to stabilize the output power of solid-state YAG:Nd laser with a semiconductor laser pump used in a laser rangefinder are presented. An experimental study of the stabilization system was conducted and its characteristics were evaluated.
Key word: semiconductor laser cooling, Peltier effect, YAG:Nd laser with diode pumping.
Nguyen Van Thuong, candidate of technical Sciences, head of department, sonythu-ongagmail. com, VietNam, HaNoi, Institute of Technical Physics,
Vu Quoc Thuy, master, assistant of department, sonythuongagmail. com. VietNam, HaNoi, Institute of Technical Physics
