Размещено на сайте 08.02.2008.

Слушателям МОИТТ предлагается дополнительное задание – проанализировать представленный разбор задачи, выявить его недостатки и к 13 февраля предложить собственный вариант хода анализа. Получение новых решений приветствуется.

А. Кудрявцев

Ситуация: Быстропроточный газовый лазер включает активную среду, оптический резонатор, установленный перпендикулярно потоку активной среды и содержащий вогнутое зеркало, выпуклое зеркало фокусы которых совмещены, а также плоские зеркала дополнительной обратной связи (ДОС), установленные по периферии выпуклого зеркала. При этом отражающая поверхность зеркал ДОС должна быть перпендикулярна оптической оси резонатора. Зеркала ДОС жёстко закреплены с одной стороны по периферии выпуклого зеркала, а с другой стороны в корпусе (см. рис.1).

 Особенность используемой активной среды - она имеет неоднородный коэффициент усиления вдоль по потоку. Соответственно интенсивность излучения вдоль по потоку активной среды неоднородная. Зеркала резонатора выполнены из металла c коэффициентом отражения 99%, а отражающая поверхность зеркал имеет сферическую форму. Асферическая оптика не используется так как требует дорогого и сложного оборудования. Недостатком этой конструкции резонатора является неравномерный нагрев зеркал ДОС, приводящий к повороту выпуклого и плоских зеркал ДОС относительно оптической оси резонатора (разъюстировка резонатора). Это приводит к снижению выходной мощности вплоть до срыва генерации излучения. Как быть?

Уточним какую задачу мы будем решать. Для этого построим следующую причинно-следственную цепочку.

Задачу, позволяющую исключить неравномерность коэффициента усиления вдоль по потоку активной среды, отнесём на этом этапе к задаче максимальной и поэтому будем считать, что неравномерную интенсивность излучения в плоскости выходного зеркала и зеркал ДОС мы изменить не можем. Таким образом, мини-задачу мы сформулируем для уровней (1)-(3) причинно-следственной цепочки: будем устранять влияние неравномерного нагрева зеркал ДОС на снижение выходной мощности.

Дальнейший анализ и поиск решения будем вести с использованием АРИЗ-85В.

Часть 1. Анализ задачи.

1.1.Мини-задача. Техническая система содержит оптический резонатор, установленный перпендикулярно потоку активной среды и содержащий вогнутое зеркало, выпуклое зеркало фокусы которых совмещены, а также плоские зеркала дополнительной обратной связи (ДОС), установленные по периферии выпуклого зеркала. При этом отражающая поверхность зеркал ДОС должна быть перпендикулярна оптической оси резонатора. Зеркала ДОС жёстко закреплены с одной стороны по периферии выпуклого зеркала, а с другой стороны в корпусе.

ТП 1: если зеркала ДОС широкие, то это позволяет иметь высокий энергетический КПД резонатора, но при этом увеличивается неравномерность их нагрева, что приводит к повороту выпуклого (выходного) зеркала и зеркал ДОС и снижению выходной мощности.

ТП 2: если зеркала ДОС узкие, то это не позволяет иметь высокий энергетический КПД резонатора, но при этом снижается неравномерность их нагрева, что не приводит к повороту выпуклого (выходного) зеркала и зеркал ДОС и снижению выходной мощности.

Необходимо при минимальных изменениях в оптической схеме резонатора обеспечить его высокий энергетический КПД, не допуская поворота выпуклого (выходного) зеркала и зеркал ДОС относительно оптической оси резонатора.

Замечание1. Нежелательный эффект: поворот выпуклого зеркала и зеркал ДОС обусловлен как неравномерным нагревом зеркал ДОС, так и жёстким их закреплением с одной стороны по периферии выпуклого зеркала, а с другой стороны в корпусе. Однако ввести параметр « жёсткость закрепления зеркал ДОС» в формулировку ТП не получится, так как он дискретный. Тогда как в ТП используется количественный параметр: « ширина зеркал ДОС ».

1.2.Излучение, генерируемое лазером - изделие.

Вогнутое, выпуклое и зеркала ДОС - инструменты.

 1.3. Графическая схема ТП показана на рис.2.

 Замечание 2 (косметическое ). Пункты 1.2 и 1.3 поменять местами.

1.4.Выбор ТП. Главная полезная функция (в условиях данной задачи)- мощное выходное излучение, а это требует высокого энергетического КПД резонатора. Поэтому из двух формулировок ТП выбираем ТП1.

1.5.Усиление ТП: зеркала ДОС очень широкие, что позволяет иметь высокий энергетический КПД резонатора, но при этом сильно увеличивается неравномерность их нагрева, что приводит к недопустимому повороту выпуклого (выходного) зеркала и зеркал ДОС и недопустимо большому снижению выходной мощности.

1.6.Модель задачи. Дана конфликтующая пара: излучение разной интенсивности, падающее на зеркала ДОС. При широких зеркалах ДОС обеспечивается высокий энергетический КПД, но из-за неравномерного их нагрева происходит поворот выпуклого (выходного) зеркала и зеркал ДОС относительно оптической оси резонатора. Это приводит к уменьшению выходной мощности. Вводимый Х- элемент должен исключить влияние неравномерного нагрева зеркал ДОС на поворот выпуклого зеркала и зеркал ДОС, не уменьшив при этом энергетический КПД резонатора.

1.7.Просмотр системы стандартов позволил найти стандарт 1.2.3. согласно которому если необходимо устранить вредное действие поля на вещество, то задача может быть решена введением второго элемента, оттягивающего на себя вредное действие поля.

Таким образом, стандартное решение подсказывает какую функцию должен выполнить вводимый Х- элемент: оттянуть на себя вредное действие поля. Решения на этом шаге нет, а поэтому продолжим анализ, перейдя ко 2-ой части алгоритма.

Часть 2. Анализ модели задачи.

2.1. Определим оперативную зону ( ОЗ ).

Конфликт связан с отражающими поверхностями зеркал ДОС и местами их крепления на выпуклом зеркале и в корпусе. Эта область и будет ОЗ.

2.2. Определим оперативное время. Т1- время выхода лазера на стационарный тепловой режим. Т2- время пуска (работы) лазера. Оперативное время – Т = Т1+ Т2.

2.3. Вещественно-полевые ресурсы (ВПР):

 в соответствии с рекомендациями АРИЗ-85В ВПР анализируем в определённом порядке:

1.      Внутрисистемные ВПР:

инструмента - это форма, размеры и материал вогнутого, выпуклого, плоских зеркал ДОС, коэффициент отражения зеркал, а так же корпус в который установлены зеркала ДОС и выпуклое зеркало..

изделия – это характер ( форма ) распределения интенсивности излучения вдоль по потоку активной среды.

2.      Внешнесистемные ВПР:

Среды – рабочий газ для создания активной среды.

  Так как при выборе задачи из проблемной ситуации мы отнесли задачу о исключении неравномерности коэффициента усиления вдоль по потоку активной среды к задаче максимальной, то рабочий газ для создания активной среды не будет анализироваться как внешнесистемный ВПР.

Часть 3. ИКР и ФП.

3.1. Запишем формулировку идеального конечного результата (ИКР-1). Х - элемент, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, устраняет влияние неравномерности нагрева зеркал ДОС в течение ОВ и в пределах ОЗ на поворот выпуклого зеркала, сохраняя дополнительную обратную связь и, следовательно, высокий энергетический КПД резонатора.

3.2. Усиленный ИКР-1. Заменим Х- элемент на ВПР, выбранные на шаге 2.3. Так как на шаге 2.3. были взяты в качестве ВПР форма, размеры, материал и коэффициент отражения вогнутого, выпуклого и плоских зеркал ДОС, то дальнейший анализ распадётся на 3 линии, проведенные для вогнутого, выпуклого и плоских зеркал ДОС, взятых в качестве Х - элемента.

1-ая линия анализа (для вогнутого зеркала)

3.2а) Усиленный ИКР-1. Форма вогнутого зеркала, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, устраняет влияние неравномерности нагрева зеркал ДОС в течение ОВ и в пределах ОЗ на поворот выпуклого зеркала, сохраняя дополнительную обратную связь и, следовательно, высокий энергетический КПД резонатора.

3.3а). ФП на макроуровне для формы вогнутого зеркала, взятого в качестве Х- элемента.

Сегменты вогнутого зеркала, расположенные напротив зеркал ДОС, должны направлять излучение на зеркала ДОС, чтобы обеспечивалась дополнительная обратная связь, и не должны направлять излучение на зеркала ДОС, чтобы они не нагревались неравномерно и не приводили к повороту выпуклого зеркала и зеркал ДОС из-за жёсткости закрепления последних.

Замечание 3. При формулировке ФП также надо указывать жёсткость закрепления зеркал ДОС, так как в противном случае получается, что только неравномерный нагрев зеркал ДОС является причиной поворота выпуклого зеркала, а это не так.

3.4а). ФП на микроуровне. Поскольку на шаге 3.3а) мы выбрали форму вогнутого зеркала, то задача решается на макроуровне и формулировку микро- ФП опускаем.

3.5а). ИКР-2. Сегменты вогнутого зеркала, расположенные напротив зеркал ДОС, сами обеспечивают дополнительную обратную связь и исключают влияние неравномерного нагрева зеркал ДОС на поворот выпуклого зеркала (Решение см. Рис.3.).

 Суть решения заключается в разрешении противоречивых требований в пространстве: в вогнутом зеркале напротив стоек выпуклого зеркала выполнены пазы шириной и глубиной, исключающей попадание излучения на стойки. А с тыльной стороны вогнутого зеркала установлено дополнительное вогнутое зеркало полностью перехватывающее прошедшее через пазы излучение. При этом центр кривизны дополнительного вогнутого зеркала лежит на оптической оси резонатора и совмещён с общим фокусом выпуклого и вогнутого зеркал. Обладающее таким радиусом кривизны дополнительное вогнутое зеркало возвращает излучение обратно с точно такой же кривизной волнового фронта с какой оно попало на него. Таким образом, дополнительное вогнутое зеркало взяло на себя функцию обеспечения дополнительной обратной связью. Расположение стоек выпуклого зеркала в области тени позволяет исключить неравномерность их нагрева и, как следствие, исключить поворот выпуклого зеркала относительно оптической оси резонатора. Полученное решение удовлетворяет формулировке ИКР-2.

3.6а). Возможность применения системы стандартов к решению физической задачи, сформулированной в виде ИКР-2, не рассматривалась.

Часть 4. Мобилизация и применение ВПР.

4.1. Метод ММЧ не использовался для всех трёх линий анализа так как задача решается на макроуровне.

 2-ая линия анализа (для выпуклого зеркала)

3.2б) Усиленный ИКР-1. Форма выпуклого зеркала, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, устраняет влияние неравномерности нагрева зеркал ДОС в течение ОВ и в пределах ОЗ на поворот выпуклого зеркала, сохраняя дополнительную обратную связь и, следовательно, высокий энергетический КПД резонатора.

3.3б). ФП на макроуровне для формы выпуклого зеркала, взятого в качестве Х- элемента.

Сегменты выпуклого зеркала, расположенные на продолжении зеркал ДОС, должны направлять излучение на вогнутое зеркало, чтобы обеспечивалась дополнительная обратная связь, и не должны направлять излучение на вогнутое зеркало, чтобы зеркала ДОС не нагревались неравномерно и не приводили к повороту выпуклого зеркала.

3.4б). ФП на микроуровне. Поскольку на шаге 3.3б) мы выбрали форму выпуклого зеркала, то задача решается на макроуровне и формулировку микро- ФП опускаем.

3.5б). ИКР-2. Сегменты выпуклого зеркала, расположенные на продолжении зеркал ДОС, сами обеспечивают дополнительную обратную связь и исключают влияние неравномерного нагрева зеркал ДОС на поворот выпуклого зеркала.

Решение заключается в разрешении противоречивых требований в пространстве: в выпуклом зеркале на продолжении зеркал ДОС выполнены пазы шириной и глубиной, исключающей попадание излучения на стойки. А с тыльной стороны выпуклого зеркала установлено дополнительное плоское зеркало полностью перехватывающее прошедшее через пазы излучение и возвращающее его обратно внутрь резонатора. Таким образом, дополнительное плоское зеркало взяло на себя функцию обеспечения дополнительной обратной связью. Расположение стоек выпуклого зеркала в области тени позволяет исключить неравномерность их нагрева и, как следствие, исключить поворот выпуклого зеркала относительно оптической оси резонатора. Полученное решение удовлетворяет формулировке ИКР-2.

3.6б). Возможность применения системы стандартов к решению физической задачи, сформулированной в виде ИКР-2, не рассматривалась.

3-я линия анализа (для плоских зеркал ДОС)

3.2в) Усиленный ИКР-1. Форма плоских зеркал ДОС, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, устраняет влияние неравномерности нагрева зеркал ДОС в течение ОВ и в пределах ОЗ на поворот выпуклого зеркала, сохраняя дополнительную обратную связь и, следовательно, высокий энергетический КПД резонатора.

3.3в). ФП на макроуровне для формы плоских зеркал ДОС, взятых в качестве Х- элемента.

Плоские зеркала ДОС должны быть на пути распространения неравномерного по выходному сечению излучения, чтобы обеспечить дополнительную обратную связь, и не должны быть на пути распространения неравномерного по выходному сечению излучения, чтобы не нагреваться неравномерно и не приводить к повороту выпуклого зеркала.

3.4в). ФП на микроуровне. Поскольку на шаге 3.3в) мы выбрали форму плоских зеркал ДОС, то задача решается на макроуровне и формулировку микро -ФП опускаем.

3.5в). ИКР-2. Форма плоских зеркал ДОС сама устраняет влияние неравномерности нагрева зеркал ДОС в течение ОВ и в пределах ОЗ, сохраняя высокий энергетический КПД резонатора ( Решение см. Рис.4 ).

Суть решения заключается в разрешении противоречивых требований в пространстве: плоские зеркала ДОС выполнены в оправе, механически развязанной от стоек выпуклого зеркала и установлены перед ними, выполняя функцию экрана. Неравномерность нагрева плоских зеркал ДОС не вызовет поворота выпуклого зеркала так как, во-первых, стойки находятся в области тени, а во-вторых, плоские зеркала ДОС механически развязаны со стойками.

3.6в). Возможность применения системы стандартов к решению физической задачи, сформулированной в виде ИКР-2, не рассматривалась.

Полученные технические решения показывают, что все конструктивные элементы оптической схемы резонатора обладали резервными ресурсами, выявленными в процессе анализа и использованными для получения решений.

В тексте сохранены авторская орфография и пунктуация.