СКАНИРУЮЩИЙ ЛАЗЕР Российский патент 1995 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к лазерной технике, и может быть использовано в системах лазерной локации, связи, обработки, передачи и хранения информации.

Известен сканирующий лазер [1] включающий элементы линейного самосопряженного резонатора: непрозрачное зеркало, сферическую линзу, установленную на фокусном расстоянии от зеркала, активный элемент лазера, вторую сферическую линзу, установленную от первой на двойном фокусном расстоянии, выходное полупрозрачное зеркало резонатора, установленное на фокусном расстоянии от второй линзы, а также включающий элементы, предназначенные для сканирования излучения: устройство для получения узкого электронного пучка, кристалла КDP с покрытием из СdО и кварцевую фазовую пластинку. Воздействие электронного пучка вызывает двулучепреломление в кристалле KDP, в точке воздействия достигаются условия генерации. Изменение положения точки вызывает сканирование излучения. При отсутствии воздействия резонатор заперт вследствие больших потерь на окнах активного элемента, являющегося частичным поляризатором, так как он установлен под углом Брюстера к оси резонатора. Система поляризатор пластина λ /4 зеркало пластина λ /4 поляризатор известна как четвертьволновая развязка (поляризованное излучение после двукратного прохождения через пластинку λ/4 приобретает поляризацию, ортогональную первоначальной и испытывает потери на отражение от поляризатора).

Недостатком данного лазера является наличие сложной системы получения электронного луча и схемы управления им. Лазер не нашел широкого применения.

Известны также сканирующие лазеры со светоуправляемыми пространственно-временными модуляторами света (ПВМС) различного типа [например, 2] Эти лазеры включают линейный самосопряженный резонатор. ПВМС устанавливается вблизи зеркала резонатора в фокальной перетяжке внутрирезонаторной линзы.

Общими недостатками этих лазеров являются низкий КПД вследствие малой лучевой прочности ПВМС (0,1 Дж/см²), невозможность обеспечить одинаковую амплитуду импульсов излучения лазера при сканировании по полю зрения, а также невысокое быстродействие из-за необходимости осуществлять цикл стирания информации.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является сканирующий лазер [3] который может служить прототипом. Лазер включает активный элемент, два устройства пространственно-временной селекции мод, отражающие элементы, две сферические линзы, оборачивающую призменную систему, образующие кольцевой самосопряженный резонатор, цилиндрическую линзу на выходе резонатора. В данном лазере могут быть использованы как светоуправляемые ПВМС, так и электроуправляемые ПВМС, причем в последнем случае первый от выходного зеркала элемент ПВМС должен иметь электроды, расположенные параллельно образующей выходной цилиндрической линзы. Такое устройство резонатора позволяет увеличить КПД лазера или снизить лучевую нагрузку на ПВМС приблизительно в число раз, равное отношению длины элемента ПВМС к его ширине. Работа предложенного лазера была проверена в режиме свободной генерации при имитации ПВМС щелевыми диафрагмами.

К недостаткам данного лазера относится то, что он работает в режиме свободной генерации, так как не известны ПВМС, которые одновременно могут служить модулятором добротности резонатора ввиду их относительно невысокого быстродействия. В режиме свободной генерации невозможно обеспечить стабильную от импульса к импульсу амплитуду и достичь высокого быстродействия переключения направлений сканирования излучения ввиду большой длительности импульсов генерации. Отсутствие моноимпульсного одночастотного режима генерации делает невозможным использование лазера в качестве задающего для усилительных систем. Кроме того, в данном лазере в случае использования электроуправляемых ПВМС, работающих на электрооптическом эффекте, необходима подача на их электроды полуволнового напряжения, так как резонатор кольцевой и излучение последовательно проходит через каждый пространственно-временной селектор мод, что не всегда возможно при малом расстоянии между электродами ПВМС вследствие возможности электрического пробоя. В лазере используются дорогостоящие оптические элементы, такие как цилиндрическая линза, призменная оборачивающая система, а также сложная система возврата излучения, обеспечивающая однонаправленную генерацию в кольцевом резонаторе.

Технической задачей изобретения является расширение области использования сканирующего лазера путем получения моноимпульсного одночастотного режима генерации при одновременном упрощении его схемы и удешевлении.

Техническая задача достигается тем, что в лазер, включающий расположенные на оптической оси резонатора частично пропускающее зеркало, первую сферическую линзу, установленную на фокусном расстоянии от зеркала, активный элемент, вторую сферическую линзу, установленную на двойном фокусном расстоянии от первой, полностью отражающее зеркало резонатора, установленное на фокусном расстоянии от второй линзы, электроуправляемый ПВМС, выполненный в виде двух разнесенных электроуправляемых пластин с линейными управляющими ортогонально расположенными электродами, введены фазовые пластинки λ/4, расположенные между линзами и зеркалами резонатора, поляризатор, расположенный между линзами, пассивный модулятор добротности резонатора, диафрагма, установленная в общем фокусе линз, а электроуправляемые пластины выполнены из электрооптической керамики и установлены вблизи зеркал резонатора, причем электроды пластин расположены под углом 45^о к плоскости пропускания поляризатора, а программируемое устройство управления блоками питания электроуправляемых пластин позволяет подавать напряжение на электроды, отличающееся от четвертьволнового на величину, зависящую от номера электродов.

Схема предлагаемого сканирующего лазера приведена на чертеже, где показаны полупрозрачное зеркало 1, линзы 2, 3, активный элемент 4 лазера, полностью отражающее зеркало 5, электроуправляемые пластины 6 ПВМС, пластинки λ /4 7, поляризатор 8, пассивный модулятор 9 добротности, диафрагма 10, программируемое устройство 11 управления, блоки 12 питания электроуправляемых пластин.

Лазер работает следующим образом.

Происходит возбуждение активного элемента 4 лазера. В момент достижения максимальной инверсии из программируемого устройства 11 управления в блоки 12 питания электроуправляемых пластин 6 подаются электрические импульсы управления, в которых содержится информация о номерах включаемых элементов ПВМС и величине отличия напряжений на электродах пластин от четвертьволнового. В соответствии с полученной информацией блоки питания вырабатывают необходимой величины напряжения и подают их на заданные электроды пластин. В запертом в исходном состоянии двумя четвертьволновыми развязками (поляризатор 8 пластинки λ/4 7 зеркала 1, 5 пластинка λ/4 поляризатор 8) резонаторе начинают выполняться условия возникновения генерации в заданном номерами электродов направлении, причем только в месте пересечения зоны первой электроуправляемой пластины, к электродам которой приложено напряжение, с изображением зоны второй пластины ПВМС (следует отметить основное свойство самосопряженного резонатора, заключающееся в том, что его зеркала изображаются друг в друга, и каждой точке на поверхности одного зеркала резонатора соответствует строго однозначное положение изображения точки на другом зеркале, благодаря этому свойству разнесенные электроуправляемые пластины, установленные вблизи зеркал резонатора и имеющие линейную структуру электродов, образуют матричную структуру ПВМС). В зонах пластин вне пересечения излучение испытывает дополнительные двукратные потери на поляризаторе при двойном проходе резонатора, и генерации в этих зонах не возникает.

Таким образом, при подаче напряжения на различные электроды пластин ПВМС осуществляется внутрирезонаторное сканирование излучения, которое преобразуется при установке на фокусном расстоянии от полупрозрачного зеркала линзы в сканирование выходного пучка лазера. Пассивный модулятор 9 служит для модуляции добротности резонатора в момент времени, когда электроуправляемые пластины ПВМС "отпирают" резонатор. Диафрагма 10 селектирует одну поперечную моду резонатора.

В предлагаемом лазере излучение дважды проходит через пластины ПВМС при одном обходе резонатора, поэтому управляющее напряжение равно четвертьволновому для материала пластины в отличие от прототипа, в котором используется кольцевая схема резонатора, и оно должно быть равно полуволному. Кроме того, предложенная схема лазера позволяет, подавая на электроды ПВМС несколько меньшее по величине напряжение, чем четвертьволновое, и, следовательно, изменяя потери резонатора, стабилизировать энергию импульсов излучения при сканировании по полю зрения.

Дополнительным положительным качеством лазера является легкость его сочленения с ЭВМ и с внешним координатным приемником излучения вследствие взаимно однозначного соответствия расположенных на полупрозрачном зеркале резонатора зон генерации, которые задаются матрицей ПВМС, с пространством предметов на выходе внерезонаторной линзы. Это позволяет реализовать в предложенном лазере достоинство светоуправляемых ПВМС, заключающееся в генерации импульса излучения по направлению управляющего света при исключении их недостатков, отмеченных ранее.

В НИИКИ ОЭП ВНЦ "ГОИ" им. С.И. Вавилова создан макет лазера с внутрирезонаторным ПВМС на основе прозрачной электрооптической поликристаллической керамики ЦТСЛ-10 (состава цирконата-титаната свинца, легированного лантаном), обладающей высоким электрооптическим эффектом, высокой скоростью электрооптического отклика. ЦТСЛ-керамика находит широкое применение в устройствах отображения информации, дисплеях, матричных принтерах и т.д. Однако ЦТСЛ керамические ПВМС не использовались ранее в качестве внутрирезонаторных элементов.

Электроуправляемые пластины используемого в макете лазера ПВМС имели толщину 0,5 мм, расстояние между электродами 0,45 мм, длина электродов 15 мм. Информационная емкость ПВМС в составе двух пластин 32х32 бит, т.е. возможно 1024 дискретных направления излучения лазера. Величина четвертьволнового напряжения на рабочей длине волны лазера 1,064 мкм (лазер твердотельный, активный элемент изготовлен из алюмоиттриевого граната) равна 600 В, полуволнового 1200 В, причем подачи полуволнового напряжения ПВМС не выдерживает, происходит пробой межэлектродного промежутка. Фокусное расстояние линз резонатора 50 см, величина отражения полупрозрачного зеркала 53% Диаметр внутрирезонаторной диафрагмы согласован с размерами ячейки ПВМС (0,45х0,45 мм) для получения одной поперечной моды резонатора и равен 2,5 мм. В качестве модулятора добротности резонатора использовался пассивный затвор на основе кристалла LiF с F-центрами. Программируемое устройство управления позволяет задавать номер и порядок включения клапанов ПВМС и величины отклонения напряжения на электродах от четвертьволнового в пределах ±20% для блоков импульсного питания пластин. Предварительное измерение порогов генерации лазера при использовании вместо ПВМС диафрагмы соответствующего размера и ее перемещения в пределах углового размера поля сканирования излучения дает возможность стабилизировать амплитуду импульсов генерации путем установки с помощью программируемого устройства управления требуемого напряжения блоков импульсного питания для каждого номера электродов пластин ПВМС. Показана возможность сканирования одночастотного моноимпульсного излучения по всему полю зрения ПВМС. Длительность полученных импульсов генерации равна 50 нс, энергия импульсов 400 мкДж. Такая большая по сравнению с другими известными типами ПВМС энергия генерации получается благодаря высокой лучевой прочности ЦТСЛ-керамики, которая оказалась равной 11 Дж/см² для длительности импульсов 30 нм. Нестабильность амплитуды импульсов не превышала 10% в случае подачи управляющих напряжений на элементы ПВМС, отличных от четвертьволнового. При подаче одинаковых по величине напряжений на все элементы энергия импульсов генерации различается в несколько раз при сканировании по полю зрения.

Проверялась работа лазера с электрооптическим модулятором добротности резонатора на основе кристалла танталата лития. В этом случае в резонатор между линзами вводился второй поляризатор, скрещенный с первым, а затвор устанавливался между ними. Были достигнуты параметры излучения, не отличающиеся от случая использования пассивного модулятора. Однако использование электрооптического модулятора предпочтительнее, так как с помощью подачи на его электроды сигнала обратной связи с приемника излучения, регистрирующего амплитуду выходных импульсов, достаточно просто осуществить дополнительную стабилизацию амплитуды импульсов, которая требуется для надежного осуществления одночастотного режима генерации по полю зрения.

При проведении экспериментов с предложенным лазером показано еще одно его положительное свойство возможность достижения частоты переключения направлений генерации, превышающей 100 кГц, что недостижимо для других известных сканирующих лазеров.

Таким образом, введенные отличительные признаки позволили разработать простой по конструкции, надежный в эксплуатации сканирующий лазер, способный по своим параметрам найти широкое применение в системах лазерной локации, технологии, в частности, для быстрого дистанционного маркирования изделий, в устройствах ввода-вывода ЭВМ для передачи и материализации информации, например для автоматического изготовления клише, путем термического воздействия на материалы сфокусированным пучком и т.д.

Использование: в технологических установках, лазерной локации, связи, при обработке передаче и хранении информации. Сущность изобретения: для расширения области использования сканирующего лазера при одновременном упрощении схемы лазера и его удешевлении лазер с линейным самосопряженным резонатором содержит фазовые пластинки λ/4 между линзами и зеркалами резонатора, поляризатор между линзами, пассивный модулятор добротности резонатора, диафрагму в общем фокусе линз, электроуправляемые пластины внутрирезонаторного пространственно-временного модулятора света из электрооптической керамики вблизи зеркал резонатора, программируемое устройство управления и источники питания электроуправляемых пластин для подачи на их электроды напряжения, отличающегося от четвертьволнового на величину, зависящую от номера электродов. Положительный эффект: стабилизация амплитуды моноимпульсов генерации при сканировании по полю зрения, снижение величины управляющего напряжения на электродах пространственно-временного модулятора света, увеличение скорости сканирования пространства. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СКАНИРУЮЩИЙ ЛАЗЕР, включающий расположенные на оптической оси резонатора частично пропускающее зеркало, первую сферическую линзу, установленную на фокусном расстоянии от зеркала, активный элемент, вторую сферическую линзу, установленную на двойном фокусном расстоянии от первой, полностью отражающее зеркало резонатора, установленное на фокусном расстоянии от второй линзы, электроуправляемый пространственно-временной модулятор света, выполненный в виде двух разнесенных электроуправляемых пластин с линейными управляющими ортогонально расположенными электродами, отличающийся тем, что в него дополнительно введены фазовые пластинки λ4, расположенные между линзами и зеркалами резонатора, поляризатор, расположенный между линзами, пассивный модулятор добротности резонатора, диафрагма, установленная в общем фокусе линз, а электроуправляемые пластины выполнены из электрооптической керамики и установлены вблизи зеркал резонатора, причем электроды пластин расположены под углом 45^o к плоскости пропускания поляризатора, а программируемое устройство управления блоками питания электроуправляемых пластин позволяет подавать напряжения на электроды, отличающиеся тем, что от четвертьволнового на величину, зависящую от номера электродов. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в него дополнительно введен второй поляризатор, расположенный между линзами ортогонально первому с противоположной от активного элемента стороны, а между поляризаторами установлен электрооптический модулятор добротности. 3. Лазер по п.2, отличающийся тем, что в него дополнительно введены элементы, реализующие обратную связь по амплитуде импульсов генерации, подаваемую на электроды электрооптического кристалла модуляции добротности.