Системное проектирование лазерной и оптоэлектронной техники

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
А. С. Борейшо, С. Ю. Страхов 
 
 
 
 
 
 
СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛАЗЕРНОЙ  
И ОПТОЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

 
УДК 621.375.826 
ББК 32.85 
Б82 
 
 
Рецензенты: 
 
заместитель генерального конструктора по программно-целевому развитию,  
директор Научно-образовательного комплекса АО «Научно-производственное предприятие  
”Радар ммс”», доктор технических наук, профессор Балашов Виктор Михайлович; 
главный научный сотрудник Института лазерных технологий университета ИТМО,  
доктор технических наук, профессор Вейко Вадим Павлович 
 
 
 
 
 
Борейшо, А. С. 
Б82  
Системное проектирование лазерной и оптоэлектронной техники : 
учебное пособие / А. С. Борейшо, С. Ю. Страхов. – Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2024. – 204 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1818-8 
 
Рассмотрены вопросы применения принципов системного анализа при проектировании сложных технических объектов. Представлены теоретические основы системного анализа, основные принципы и особенности конструирования оптикоэлектронных и лазерных систем, критерии принятия оптимальных технических решений и методы решения оптимизационных задач, вопросы моделирования технических 
объектов и, в частности, лазерной техники. Отдельно обсуждаются вопросы системного проектирования основных систем лазеров, в частности, оптических резонаторов. 
Представлены практические примеры применения методологии системного проектирования при создании лазерных систем и оптико-электронных приборов различного 
назначения, их комплексирования для решения сложных инженерных задач. 
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 12.03.05 «Лазерная 
техника и лазерные технологии», 27.03.03 «Системный анализ и управление», 11.04.01 
«Радиотехника», а также для инженеров и научных работников, занимающихся исследованиями и разработкой в области лазерной и оптико-электронной техники. 
 
УДК 621.375.826 
ББК 32.85 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1818-8 
© Борейшо А. С., Страхов С. Ю., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Сегодняшний мир характеризует стремительное развитие техники и технологий, сопровождающее переход к новому технологическому укладу, основанному на инфокоммуникационных технологиях, искусственном интеллекте, 
кратно возросших возможностях компьютерной и микропроцессорной техники, 
систем управления. Профессиональная деятельность современного инженера – 
разработчика новой техники, особенно того, кто трудится в сфере «высоких 
технологий», связана с проектированием очень сложных технических систем, 
объединяющих в себе элементы, работающие на различных физических принципах, относящиеся подчас к совершенно различным отраслям приборо- и машиностроения, и объединенных в единое устройство на основе сложных функциональных, информационных, управляющих и конструктивных связей. Современному инженеру необходимо быть в курсе самых последних научных и 
технологических достижений, отслеживать их в режиме «реального времени» и 
по возможности максимально использовать непрерывно обновляющиеся лучшие практики в своих разработках. 
При этом сам процесс проектирования происходит в условиях серьезной 
ограниченности ресурсов (кадровых, информационных, временных), жесткой 
конкуренции передовых инженерных и научных школ и предприятий; предполагает активное использование последних информационных технологий, 
средств CAD/CAM/CAE, наличие у разработчика знаний и компетенций в самых различных областях инженерной деятельности: механике, электронике,  
IT технологиях и т. д. В последние годы (и даже месяцы!) помощником инженера все чаще становится так называемый «искусственный интеллект», что, с 
одной стороны, облегчает процесс проектирования, по крайне мере, на стадии 
обзора существующих аналогов и возможных решений, а с другой – усложняет 
его, требуя от уже даже состоявшегося инженера быстрого развития новых 
навыков и компетенций. 
Сегодня инженеру недостаточно обладать определенным набором пусть 
даже самых современных знаний, иметь технические компетенции в классическом представлении; он должен овладеть фундаментальной и, в то же время, 
очень современной методологией научно-исследовательской и инженерной деятельности – методологией системного анализа. Эта методология лежит в основе системного подхода к проектированию; она позволяет грамотно проанализировать задачу и сопутствующие условия проектирования, определить цель и 
ограничения в ее достижении, рационально распределить имеющиеся ресурсы 
и выстроить процесс проектирования, представив его в виде алгоритма – последовательности методически понятных и четко сформулированных процедур. 
Лазерные и оптико-электронные системы находятся на острие научнотехнического прогресса и концентрируют в себе все его последние достижения. 
Именно в таких системах сложнейшие вопросы фундаментальной физики тесно 
переплетены с самими современными решениями в области систем управления 
и информационных технологий.  
3 

Спектр отраслей науки, в той или иной мере привлекаемых для создания 
лазера или оптико-электронного устройства, чрезвычайно широк. Квантовая 
электроника, оптика, физика твердого тела, механика жидкостей и газа, радиоэлектроника, химия, информационные и компьютерные технологии – вот далеко не полный перечень научных направлений, нашедших свое отражение в лазерах. В этой связи лазерные и оптоэлектронные системы – одни из тех технических объектов, где системный анализ позволяет не просто существенно повысить эффективность проектирования, но и вообще сделать такое проектирование возможным. 
Настоящее учебное пособие посвящено применению методологии системного анализа к проектированию лазерных и оптоэлектронных комплексов. Пособие состоит из семи глав.  
В первой главе рассмотрены предпосылки системного подхода к проектированию технических объектов с позиции исторического развития техники и 
технологий. Также в ней обсуждаются общие представления о проектировании, 
системном анализе, инжиниринге, проектной и научной деятельности. 
Вторая глава посвящена теоретическим основам системного анализа, которые лежат в основе системного проектирования; рассмотрены определение, основные задачи и принципы системного анализа. Отдельно представлена классификация и примеры применения методов системного анализа – декомпозиции, структурного и параметрического синтеза. 
В третьей главе рассмотрены вопросы, связанные непосредственно с оптико-электронными и лазерными системами, а именно – особенности конструкции таких систем, применение системного анализа к их разработке, схема процесса проектирования лазерных и оптоэлектронных систем. Также здесь будут 
представлены конкретные примеры реализации принципов системного проектирования в оптоэлектронике и лазерной технике. 
В алгоритмах системного проектирования процессу принятия решения, оптимизации придается ключевое значение. Поэтому инженеру необходимо четко 
представлять себе и уметь применять на практике формальную методологию 
принятия решения. Четвертая глава учебного пособия посвящена общим подходам к принятию и обоснованию решений, а также – их адаптации и применению к задачам проектирования технических объектов, в частности, лазерных и 
оптоэлектронных систем. 
В пятой главе обсуждаются основные классы оптимизационных задач и 
методы их решения, рассмотренные на различных примерах. В частности, рассматриваются методы линейного программирования, численные методы решения нелинейных оптимизационных задач, подходы к решению неформализованных задач структурного синтеза. 
Ключевым элементом современного процесса проектирования в рамках 
системного подхода является моделирование. В шестой главе рассмотрены различные аспекты моделирования, начиная от классификации видов моделирования и заканчивая ключевыми требованиями к построению моделей устройств и 
процессов. Также в ней рассмотрена комплексная технология моделирования 
оптико-электронных и лазерных систем, как элемент системного проектирова4 

ния, сочетающая экспериментальное и численное (математическое и имитационное) моделирования различного уровня. 
Оптический резонатор является ключевым элементом лазерной системы; 
именно он во многом определяет мощность, расходимость, спектральные характеристики лазерного излучения и, конечно, эффективность, КПД лазерной 
установки. В седьмой главе рассмотрены подходы системного проектирования 
для разработки оптических резонаторов лазерных систем различного типа. Показана технология выбора целевой функции, процесс оптимизации параметров 
резонатора на основе численного моделирования и алгоритм его структурнопараметрического синтеза. В качестве примера, иллюстрирующего специальные подходы структурно-параметрического синтеза, рассмотрен способ компенсации неоднородностей коэффициента усиления активной среды с помощью 
изменения конструкции резонатора. В завершение главы представлены конкретные примеры практической реализации лазерных установок, при проектировании которых использовались рассмотренные в настоящем пособии подходы системного анализа. 
Данное учебное пособие дополняет курс лекций и практических занятий 
по дисциплинам «Системный анализ», «Системное проектирование», «Оптика 
лазеров», «Лазерные системы специального назначения», «Проектирование радиоэлектронных устройств», «Приемники и источники электромагнитного излучения» и предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 12.03.05 «Лазерная техника и лазерные технологии», 27.03.03 «Системный анализ и управление», а также 11.04.01 «Радиотехника». 
Чтобы упростить читателям восприятие текста, списки используемых источников помещены в конце каждой главы. Мы выражаем нашу глубокую признательность авторам цитируемых трудов! 
Мы искренне благодарим Ю. Ю. Петрову, О. Д. Кибирову и Г. М. Звягину 
за бесценную помощь в подготовке учебного пособия к изданию, и также всех 
коллег на кафедрах «Лазерная техника» и «Радиоэлектронные системы управления» БГТУ «Военмех» за полезные дискуссии и поддержку.  
 
 
 
5 

ГЛАВА 1 
РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ И ПРЕДПОСЫЛКИ  
ВОЗНИКНОВЕНИЯ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА  
К ПРОЕКТИРОВАНИЮ 
 
В первой главе будут рассмотрены предпосылки системного подхода к 
проектированию технических объектов с позиции исторического развития техники и технологий. Также будут обсуждаться общие представления о проектировании, системном анализе, инжиниринге, проектной и научной деятельности. 
 
1.1. Исторический экскурс в развитие техники 
 
Прежде, чем перейти к основному предмету настоящего учебного пособия 
имеет смысл сделать небольшой исторический экскурс в теорию вопроса, чтобы на основе ретроспективы понять объективные предпосылки возникновения 
такого научного направления и инженерного подхода к разработке новой техники, как «системный анализ», «системное проектирование». 
Интерес к тому, «как проектировать», а не «что проектировать» возник 
сравнительно поздно и неразрывно связан с другим, более общим вопросом: 
«как принимать наилучшие решения», а не «какие решения принимаются». 
Это удивительно, но на протяжении большей части своей истории человечество не задавалось вопросом о «технологии» принятия решений, уделяя  
основное внимание анализу их последствий или обсуждению возможных альтернативных вариантов. При этом обоснованность самого акта выбора всегда 
оставалось за рамками обсуждений, априори передоверяя его в руки либо высшей (божественной) силы или ее земных представителей, либо судьбы (рока, 
фатума). 
Однако, отсюда проистекала и слабость дальнейшего анализа последствий 
принимаемых решений, объясняемых либо с позиций провиденциализма (в 
случае позитивных последствий) либо – немилостью высших сил или злым роком (при негативном результате)  
Для справки: провиденциализм (от лат. providentia – провидение) историкофилософский метод, рассмотрение исторических событий с точки зрения непосредственно проявляющегося в них Провидения, высшего Промысла, осуществления заранее предусмотренного Божественного плана спасения человека. 
Предмет нашего обсуждения в настоящей работе – инженерное проектирование, в котором технология принятия решений особенно требует определенной формализации и обоснования. Целью инженерной деятельности является 
создание новых образцов техники или способов производства материального 
продукта (технологии). 
Сегодня в нашем понимании, понимании российского инженера, понятие 
«техника» включает в себя: 
1. Совокупность средств труда, знаний и деятельности, служащих для создания материальных ценностей. 
6 

2. Совокупность приемов, применяемых в каком-нибудь деле, мастерстве. 
3. Круг наук, связанных с изучением и созданием средств производств, 
орудий труда. 
4. Машины, механические орудия, устройства. 
Само слово «техника» пришло к нам, как и во все европейские языки, из 
Древней Греции, где в античные времена понятие «тэхнэ» (от греч. techne – искусство – ремесло, мастерство) охватывало и технику, и техническое знание, и 
искусство. Но оно не включало теорию. Поэтому у древнегреческих философов, например, Аристотеля, нет специальных трудов о «тэхнэ». Более того, в 
античной культуре наука и техника рассматривались как принципиально различные виды деятельности. В античном мышлении существовало четкое различение между наукой направленной на формирование теоретического знания о 
миро-устройстве, и тэхнэ, практического знания, которое необходимо для дела 
и связано с ним. Тэхнэ не имело никакого теоретического фундамента, античная техника всегда была склонна к рутине, сноровке, навыку; технический опыт 
передавался от отца к сыну, от матери к дочери, от мастера к ученику. Древние 
греки проводили четкое различение теоретического знания и практического 
ремесла. Именно этот смысл сохранился и во многих латинских языках, где 
слово technique обозначает ремесло, набор приемов и способов. 
Вероятно, первоначально как раз это значение и имело пришедшее в русский язык из европейских слово «техника», сохранившее этот смысл и до нашего времени. Однако, в более позднее время смысл этого слова в русском языке 
существенно расширился. При этом в русской трактовке слово «техника» только одна позиция – «Совокупность приемов, применяемых в каком-нибудь деле, 
мастерстве», совпадает с английским аналогом, тогда как в современном английском для обозначения понятия «Совокупность средств труда, знаний и деятельности, служащих для создания материальных ценностей» используют слово «technology», а для понятия «Машины, механические орудия, устройства» – 
слово «equipment». Понимание этих различий особенно важно в современном 
глобальном взаимосвязанном и взаимозависимом мире.  
Это небольшое терминологическое разъяснение важно для дальнейшего 
понимания, поскольку то, что мы будем изучать – это техника принятия решений, понимаемая нами как п. 3 вышеприведенного списка, а также – научные 
подходы к изучению и созданию средств производства и условий труда, что в 
современном английском чаще всего называют engineering. 
О технике можно сказать определенно, что она возникла вместе с возникновением Homo sapiens и долгое время развивалась независимо от всякой 
науки. Это, конечно, не означает, что ранее в технике не применялись научные 
знания. Но, во-первых, сама наука не имела долгое время особой дисциплинарной организации, и, во-вторых, она не была ориентирована на сознательное 
применение создаваемых ею знаний в технической сфере. «Научное» и «техническое» принадлежали фактически к различным культурным ареалам. 
В древнем мире техника, техническое знание и техническое действие были 
тесно связаны с магическим действием и мифологическим миропониманием. 
Более того, первые машины, по-видимому, приносились в дар богам и посвя7 

щались культу, прежде чем стали употребляться для полезных целей. Бурав с 
ремнем был, по-видимому, изобретен индусами для возжигания священного 
огня – операция, производившаяся чрезвычайно быстро, потому что она и теперь совершается в известные праздники до 360 раз в день. Колесо было великим изобретением; весьма вероятно, что оно было прежде посвящено богам. 
Самыми древними надо считать молитвенные колеса, употребляемые и теперь в 
буддийских храмах Японии и Тибета, которые отчасти являются ветряными, а 
отчасти гидравлическими... Вся техника этой эпохи имела один и тот же характер. Она была религиозной, традиционной и местной. 
В средние века архитекторы и ремесленники полагались в основном на 
традиционное знание, которое держалось в секрете и которое со временем изменялось лишь незначительно [1]. 
Именно инженеры, художники и практические математики эпохи Возрождения сыграли решающую роль в принятии нового типа практически ориентированной теории. В эпоху Возрождения наметившаяся уже в раннем 
Средневековье тенденция к всеохватывающему рассмотрению и изучению 
предмета выразилась, в частности, в формировании идеала энциклопедически 
развитой личности ученого и инженера, равным образом хорошо знающего и 
умеющего – в самых различных областях науки и техники. 
В науке Нового времени можно наблюдать иную тенденцию – стремление 
к специализации и вычленению отдельных аспектов и сторон предмета как 
подлежащих систематическому исследованию экспериментальными и математическими средствами. Одновременно выдвигается идеал новой науки, способной решать теоретическими средствами инженерные задачи, и новой, основанной на науке, техники. Именно этот идеал привел в конечном итоге к дисциплинарной организации науки и техники. Специализация и профессионализация науки и техники имели результатом появление множества научных и технических дисциплин, сложившихся в XIX–XX веках в более или менее стройное здание дисциплинарно организованных науки и техники. Этот процесс был 
также тесно связан со становлением и развитием основанного на науке инженерного образования. 
Методика преподавания в инженерных учебных заведениях того времени 
носила скорее характер ремесленного ученичества: инженеры-практики объясняли отдельным студентам или их небольшим группам, как нужно возводить 
тот или иной тип сооружений или машин. Новые теоретические сведения сообщались лишь по ходу таких объяснений. Даже лучшие учебники по инженерному делу, вышедшие в течение XVIII столетия, являются в основном описательными: математические расчеты встречаются в них крайне редко. Постепенно возникает настоятельная необходимость подготовки инженеров в специальных школах. Это уже не просто передача накопленных предыдущими поколениями навыков от мастера к ученику, от отца к сыну, но налаженная и социально закрепленная система передачи технических знаний и опыта через систему профессионального образования. 
Положение меняется, так как в связи с настоятельной необходимостью регулярной научной подготовки инженеров, возникает потребность научного 
8 

описания техники и систематизации накопленных научно-технических знаний. 
В силу этих причин первой действительно научной технической литературой 
становятся учебники для высших технических школ. 
Следующая ступень рационального обобщения техники находит свое выражение в появлении технических наук (технических теорий). Технические 
науки, которые формировались прежде всего в качестве приложения различных 
областей естествознания к определенным классам инженерных задач, в середине ХХ века образовали особый класс научных дисциплин, отличающихся от 
естественных наук как по объекту, так и по внутренней структуре, но также обладающих дисциплинарной организацией.  
Эволюционные изменения показателей развития техники описываются 
экспериментальными S-функциями (рис. 1.1, а). На рис. 1.1, б показан примерный график развития показателя качества техники, состоящей из трех  
S-функций. Каждая из этих функций описывает эволюционный рост рассмотренного показателя качества для одного из трех сменяющих друг друга качественно различных поколений данной техники [2]. 
 
 
 
Рисунок 1.1 – Представление развития техники в виде функциональных  
зависимостей 
 
Подобным образом, например, описывается развитие скорости самолетов. 
Примерно до 1930 г. рост скорости самолетов шел по кривой 1 рис. 1.1, б. К тому моменту, когда она достигла примерно 300 км/ч, были отработаны новые 
высокооборотные двигатели (кривая 2), переход на которые позволил к 1945 г. 
довести скорости самолетов примерно до 700 км/ч. Затем произошел переход к 
турбокомпрессорным воздушно-реактивным двигателям (кривая 3), которые 
привели к следующему качественному скачку в развитии самолетостроения b в 
1970 г. превзойти скорость 4000 км/ч. Результирующая характеристика роста 
скорости самолетов состоит из отрезков этих кривых и отмечена штриховкой. 
На этом очевидно развитие самолетостроения не закончится – впереди гиперзвуковые скорости. 
Аналогично выглядят характеристики показателей развития роботов, 
включающие три их поколения. Роботы первого поколения с программным 
управлением появились около 1960 года и, совершенствуясь, господствовали в 
робототехнике до 1980 года, когда начали выпускаться роботы второго поколе9 

ния с адаптивным управлением. Примерно к 2000 году сформировалось следующее поколение – интеллектуальные роботы, которые вобрав в себя все функциональные возможности роботов предыдущих поколений добавили к ним искусственный интеллект. Последующий качественный прогресс робототехники, 
по-видимому, будет связан с микротехникой (микро- и наноробототехника). С 
революционными этапами развития техники связано понятие научнотехнической революции [2]. 
Интересно, что для лазеров в целом, вероятно потому, что они слишком 
разнообразны по принципам работы, устройству и применениям, а технологии 
еще не исчерпали всех своих возможностей, трудно нарисовать подобную цикличность, хотя для отдельных видов это возможно.  
Например первое поколение мощных непрерывных промышленных технологических лазеров составляли, в основном газовые СО2-электроразрядные 
лазеры, а сейчас эту нишу почти целиком занимают более эффективные волоконные лазеры. Дальнейшую эволюцию этих устройств сейчас предсказать 
сложно, но одно из наиболее перспективных возможностей – появление нового поколения принципиально еще более эффективных диодных лазеров, с 
улучшенными, как по уровню мощности, так и по качеству излучения характеристиками. 
 
1.2. Модель технологических укладов 
 
Теория периодических циклов развития связанных технологических и 
экономических формаций обоснована значительным количеством исследователей. Наибольшее количество сторонников имеет модель, разработанная в 
20-х годах прошлого столетия, советским экономистом Николаем Кондратьевым. Он обратил внимание на то, что в долгосрочной динамике можно наблюдать циклическую регулярность индикаторов экономики. Кондратьев рассчитал, что фазы роста экономики и фазы спада, чередуются с периодичностью 
45–60 лет. Такие колебания экономики, последователями были названы «кондратьевскими циклами». Теория имеет значительное количество оппонентов и 
критических отзывов, но тем не менее предоставляет возможность обоснования сроков глобальных кризисов, а также периодов и основных драйверов активного роста. 
В конце ХХ века, с использованием новых возможностей, были уточнены 
периоды «кондратьевских циклов» и разработана модель технологических 
укладов (таблица 1.1). 
Данная периодизация укладов может отличаться от таковой в различных 
источниках в силу того, что разные авторы по-разному трактуют как этапы 
(многие исследования указывают тенденцию сокращения длительности каждого последующего технологического уклада, обусловленную ускорением движения длинных (инновационных) волн Кондратьева).  
Пример периодизации технологических укладов представлен на рис. 1.2 [3]. 
10