СКАНИРУЮЩИЙ ЛАЗЕР Российский патент 1997 года по МПК H01S3/10 H01S3/22 

Изобретение относится к лазерной технике и может использоваться в системах лазерной локации, связи, обработки, передачи и хранения информации, а также при создании лазерных технологических установок для высокоточной обработки материалов.

В настоящее время для решения широкого круга задач, таких как лазерная локация, высокоскоростная маркировка и т.п. чрезвычайно актуальна проблема создания сканирующих лазеров с высокой частотой следования импульсов генерации наносекундного диапазона длительностей.

Известен сканирующий лазер [1] содержащий активный элемент, находящийся в линейном самосопряженном резонаторе, состоящем из непрозрачного зеркала, первой сферической линзы, установленной на фокусном расстоянии от зеркала перед активным элементом, второй сферической линзы, расположенной за активным элементом на двойном фокусном расстоянии от первой, выходного полупрозрачного зеркала, размещенного в фокусе второй линзы, и элементы управления направлением излучения: электронную пушку, кристалл КДР с покрытием из СДО и кварцевую фазовую пластинку.

Такие лазеры не нашли широкого применения из-за нерешенной проблемы разрешения кристалла мишени электронным пучком и использования сложной высоковакуумной системы формирования узкого электронного пучка.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является лазер со скоростным сканированием луча [2] содержащий активный элемент, размещенный в резонаторе с двумя зеркалами, установленный вблизи зеркала резонатора пространственно-временной модулятор света (ПВМС), выполненный в виде внутрирезонаторной электроуправляемой пластины с линейными управляющими электродами, и источник накачки.

В описанной в заявке схеме не удается достигнуть существенного повышения контраста и усиления яркости изображений при высокой скорости переключения направлений сканирования излучения.

Технический эффект предложенного нами сканирующего лазера заключается в повышении контраста и усилении яркости изображений, в повышении мощности генерации при пространственном сканировании лазерного излучения.

Для достижения вышеназванного эффекта нами создан сканирующий лазер, содержащий активный элемент, размещенный в резонаторе с двумя зеркалами, пространственно-временной модулятор света, выполненный в виде внутрирезонаторной электроуправляемой пластины с линейными управляющими электродами, установленной вблизи второго зеркала резонатора, и источник накачки. Новым в сканирующем лазере является то, что в него дополнительно введены расположенный между пластиной пространственно-временного модулятора света и активным элементом полный поляризатор, выполненный в виде поляризационного делителя, по ходу отраженной компоненты излучения которого установлено третье частично пропускающее зеркало, образующее конфокальный резонатор с первым зеркалом, и две четвертьволновые пластинки, установленные с обеих сторон поляризатора, при этом резонатор выполнен конфокальным с полностью отражающими зеркалами, линейные управляющие электроды пластины пространственно-временного модулятора света расположены под углом 45^o к плоскости пропускания поляризатора.

В лазерах такого класса электрически управляемые пространственно-временные модуляторы света традиционно применяются с устройствами управления. Схемы таких устройств разработаны и достаточно широко описаны в литературе.

Если мы между внутрирезонаторной электроуправляемой пластиной и вторым зеркалом резонатора (см. п. 2 формулы) дополнительно введем второй поляризатор с ортогональной первому плоскостью поляризации, вторую внутрирезонаторную электроуправляемую пластину пространственно-временного модулятора света с линейными управляющими электродами и третью четвертьволновую пластинку, причем линейные управляющие электроды электроуправляемых пластин расположим взаимно ортогонально и под углом 45^o к плоскостям пропускания поляризаторов, то получим дополнительный технический эффект возможность повышения контраста, мощности генерации и усиления яркости изображений при двухкоординатном сканировании лазерного излучения.

Если мы в первом варианте устройства (см. п. 3 формулы) между поляризатором и третьим зеркалом резонатора дополнительно установим четвертьволновую пластинку и электроуправляемую пластину пространственно-временного модулятора света с линейными управляющими электродами, причем линейные управляющие электроды дополнительной электроуправляемой пластины расположим под углом 45^o к плоскости поляризации отраженной поляризатором компоненты, то также получим дополнительный технический эффект возможность повышения контраста, мощности генерации и усиления яркости изображений при двухкоординатном сканировании лазерного излучения.

Выбрав в первом, втором и третьем вариантах устройства в качестве активного элемента среду с несколькими длинами волн генерации, а толщину D четвертьволновых пластинок из условия
,
где: λ₁, λ₂,...λ_n длины волн генерации лазера; M₁, M₂,M_n целые числа; показатели преломления для необыкновенного и обыкновенного лучей для длины волны λ_i, получим возможность эффективной многоцветной генерации с быстродействующим (поимпульсным) сканированием.

На фиг. 1 приведено схематическое изображение сканирующего лазера, содержащего активный элемент 1, размещенный в резонаторе с двумя зеркалами 2 и 3, пространственно-временной модулятор света, выполненный в виде внутрирезонаторной электроуправляемой пластины 4 с линейными управляющими электродами, установленной вблизи зеркала 3 резонатора, и источник накачки 5. В него дополнительно введен расположенный между пластиной 4 пространственно-временного модулятора света и активным элементом 1 полный поляризатор 6, выполненный в виде поляризационного делителя, по ходу отраженной компоненты излучения которого установлено частично пропускающее зеркало 7, образующее конфокальный резонатор с зеркалом 2, и две четвертьволновые пластинки 8 и 9, установленные с обеих сторон поляризатора 6. Резонатор лазера выполнен конфокальным с полностью отражающими зеркалами 2 и 3, линейные управляющие электроды пластины 4 пространственно-временного модулятора света расположены под углом 45^o к плоскости пропускания поляризатора 6.

На фиг. 2 изображена принципиальная схема лазера с двухкоординатным сканированием излучения, где между внутрирезонаторной электроуправляемой пластиной 4 и зеркалом резонатора 3 дополнительно введены второй поляризатор 10 с ортогональной первому плоскостью поляризации, вторая внутрирезонаторная электроуправляемая пластина 11 пространственно-временного модулятора света с линейными управляющими электродами и третья четвертьволновая пластинка 12, причем линейные управляющие электроды электроуправляемых пластин 4 и 11 расположены взаимно ортогонально и под углом 45^o к плоскостям пропускания поляризаторов 6 и 10.

На фиг. 3 представлена принципиальная схема предложенного устройства, использованного при создании лазера на парах металлов с двухкоординатным сканированием излучения (на примере конкретного исполнения), у которого между поляризатором 6 и третьим зеркалом резонатора 7 дополнительно установлены четвертьволновая пластинка 13 и электроуправляемая пластина 14 пространственно-временного модулятора света с линейными управляющими электродами, причем линейные управляющие электроды электроуправляемой пластины 14 расположены под углом 45^o к плоскости поляризации отраженной поляризатором 6 компоненты.

В устройствах, представленных на фиг. 1, 2, 3, для обеспечения эффективной многоцветной генерации при быстродействующем поимпульсном сканировании с многоволновой средой в качестве активного элемента 1 толщина D четвертьволновых пластинок выбрана из условия

где: λ₁, λ₂,...λ_n длины волн генерации лазера; M₁, M₂,M_n- целые числа; показатели преломления для необыкновенного и обыкновенного лучей для длины волны λ_i.

Работу лазера рассмотрим на примере устройства, изображенного на фиг. 1 (пп. 1, 4 формулы, лазер с однокоординатным сканированием многоспектрального излучения). В активном элементе (газоразрядной трубке) 1, содержащем буферный газ (неон, гелий) и активное вещество (медь, золото, марганец, свинец и т.д.) посредством разряда конденсатора через водородный тиратрон источника накачки 5 возбуждается импульсный разряд с высокой частотой следования (5-20 кГц). При этом за счет тепла, выделяемого в разрядном промежутке, в газовом объеме устанавливается необходимая рабочая температура и в активной среде паров металла (меди, золота, марганца, свинца и т.д.) создается инверсная населенность (методы получения и накачки активной среды на парах металлов широко известны, см. например, книгу А.Н.Солдатова и В.И.Соломонова Газоразрядные лазеры на самоограниченных переходах в парах металлов, Новосибирск, Наука, 1985, с. 152). В исходном состоянии резонатор заперт четвертьволновой развязкой (поляризатор 6 четвертьволновая пластинка 8). В момент достижения максимальной инверсии из устройства управления пространственно-временным модулятором света (на фиг. не указано) на определенные (заданные) линейные электроды электроуправляемой пластины 4 подаются импульсы напряжения и зоны электроуправляемой пластины 4, ограниченные линейными электродами, находящимися под разностью потенциалов, приобретают свойства четвертьволновых пластинок, т.е. только в этих зонах в резонаторе выполняются условия возникновения генерации. Малые возмущения на резонансной частоте, возникающие в активной среде из-за спонтанного излучения усиливаются в резонаторе 2, 3, 7 с активной средой 1, обеспечивая при этом генерацию импульсов когерентного излучения. Поскольку в устройстве зеркала 2, 3 и 2, 7 конфокальны, то каждой точке на поверхности зеркала 3 соответствует строго однозначное положение изображения точки на зеркале 7. Поэтому пространственно-временной модулятор света, установленный у зеркала 3 резонатора однозначно определяет направление распространения выходного излучения лазера по одной координате. Таким образом, при подаче напряжения на различные электроды электроуправляемой пластины осуществляется внутрирезонаторное сканирование излучения, которое, при установке после полупрозрачного зеркала 7 дополнительной внерезонаторной линзы, преобразуется в угловое однокоординатное сканирование выходного пучка лазера. Поскольку толщина D четвертьволновых пластинок 8 и 9 выбрана из условия

то внутрирезонаторные потери для разных длин волн изменяются несущественно. Это дает возможность синхронизированного сканирования излучения многоцветного лазера соответственно с длинами волн
В предлагаемом лазере излучение дважды проходит через электроуправляемую пластину пространственно-временного модулятора света при одном обходе резонатора, поэтому управляющее напряжение равно четвертьволновому для материала пластины. Подавая на электроды электроуправляемой пластины 4 от программируемого устройства управления импульсы несколько меньшие по величине напряжения, чем четвертьволновое, и, следовательно, изменяя потери резонатора, можно варьировать энергию импульсов излучения при сканировании по полю зрения.

Если перед зеркалом 7 дополнительно установить электроуправляемую пластину 14 пространственно-временного модулятора света с линейными управляющими электродами и четвертьволновую пластину 13 (фиг. 3), то можно реализовать двухкоординатное сканирование лазерного луча. В данной схеме разнесенные электроуправляемые пластины 4 и 14, установленные вблизи зеркал резонатора и имеющие линейную структуру электродов, образуют матричную структуру пространственно-временного модулятора света и при подаче напряжения на различные электроды электроуправляемых пластин осуществляется внутрирезонаторное сканирование излучения.

Отличительной характерной чертой лазеров с активным элементом на парах металлов (лазеров на переходах с резонансных на метастабильный уровни в атомах металлов) является весьма большое усилие активной среды и очень короткое время существования инверсии, в течение которого излучение успевает пройти длину резонатора всего несколько (единицы) раз. В этой связи, если разместить электроуправляемые пластины пространственно-временного модулятора света рядом у зеркала резонатора (фиг. 2), то можно сократить число проходов, необходимых для формирования заданной пространственной моды, при этом будут снижены "непроизводительные" потери инверсии и, как следствие, повышена мощность генерации.

Дополнительным положительным качеством предложенного устройства 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 матрицами пространственно-временного модулятора света, с пространством предметов на выходе внерезонаторной линзы.

Экспериментальные исследования проводились на макетном образце лазера на парах меди λ₁= 510,6 нм; λ₂= 578,2 нм с саморазогревной газоразрядной трубкой типа "Кулон-С" с внутренним диаметром 12 мм и длиной активной зоны 400 мм (общая длина трубки 700 мм).

Электроуправляемые пластины пространственно-временного модулятора света были выполнены на основе прозрачной электрооптической поликристаллической керамики ЦТСЛ-10, обладающей высоким электрооптическим эффектом, и высокой скоростью электрооптического отклика. Информационная емкость пространственно-временного модулятора света в составе двух пластин 32 х 32 бит, т.е. возможно 1024 дискретных направлений излучения лазера. Величины четвертьволнового динамического напряжения на рабочих длинах волн лазера (510,6 нм и 578,2 нм) составили соответственно 800 и 900 В, а полуволнового 1600 и 1800 В. При подаче полуволнового напряжения на электроуправляемые пластины происходил пробой межэлектродного промежутка. С четвертьволновым напряжением на линейных электродах пробоев не наблюдалось.

Радиус кривизны зеркал резонатора составил 800 мм. Толщина четвертьволновых пластин D выбиралась оптимальной для двух длин волн генерации лазера на парах меди. Коэффициент отражения полностью отражающего зеркала составлял 96% В качестве выходного зеркала резонатора использовался мениск из кварца.

Программируемое устройство управления позволяло задавать номер и порядок включения линеек электроуправляемых пластин пространственно-временного модулятора света, а также регулировать напряжение на отдельных линейных управляющих электродах с отклонением в пределах приблизительно 20% от четвертьволнового.

Проверялась работа лазера по пп. 1, 2, 3, 4 формулы. При однокоординатном поимпульсном сканировании с использованием одной электроуправляемой пластины (п. 1 формулы, фиг. 1) с газоразрядной трубкой типа "Кулон-С" была получена средняя мощность генерации на двух длинах волн приблизительно 2-3 Вт, частота следования импульсов составляла 10 кГц, а длительность импульсов излучения приблизительно 15 нс. При работе лазера в режиме двухкоординатного поимпульсного сканирования излучения (п. 3 формулы, фиг. 3) средняя мощность генерации снизилась до 0,2 Вт. Расположение электроуправляемых пластин пространственно-временного модулятора света вблизи глухого резонаторного зеркала (п. 2 формулы, фиг. 2) позволило увеличить среднюю мощность генерации в режиме двухкоординатного поимпульсного сканирования до 0,6 Вт.

Таким образом, вышеописанный лазер и его модификации просты по конструкции, надежны в эксплуатации. По своим функциональным параметрам он может найти широкое применение в системах лазерной локации и технологии.

По результатам экспериментов в НИИКИ ОЭП ВНЦ ГОИ им. С.И.Вавилова разработана конструкторская документация и изготовлен опытный образец сканирующего лазера И26М-46.00.000 для высокоточной скоростной маркировки.

Сканирующий лазер И26М-46.00.000 изготовлен по заказу Главного управления промышленности вооружения КРФ по оборонным отраслям промышленности с целью использования при высокоточной обработке изделий из различных материалов.

Использование: область применения - системы лазерной локации, связи, обработки, передачи и хранения информации, а также лазерные технологические установки для высокоточной обработки материалов. Сущность: предложен сканирующий лазер, содержащий активный элемент, размещенный в резонаторе с двумя зеркалами, установленный вблизи второго зеркала резонатора пространственно-временной модулятор света, выполненный в виде внутрирезонаторной электроуправляемой пластины с линейными управляющими электродами, и источник накачки. Новым в сканирующем лазере является то, что в него дополнительно введены расположенный между пластиной пространственно-временного модулятора света и активным элементом полный поляризатор, выполненный в виде поляризационного делителя, по ходу отраженной компоненты излучения которого установлено третье частично пропускающее зеркало, образующее конфокальный резонатор с первым зеркалом, и две четвертьволновые пластинки, установленные с обеих сторон поляризатора, при этом резонатор выполнен конфокальным с полностью отражающими зеркалами, линейные управляющие электроды пластины пространственно-временного модулятора света расположены под углом 45^o к плоскости пропускания поляризатора. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сканирующий лазер, содержащий активный элемент, размещенный в резонаторе с двумя зеркалами, установленный вблизи второго зеркала резонатора пространственно-временной модулятор света, выполненный в виде внутрирезонаторной электроуправляемой пластины с линейными управляющими электродами, и источник накачки, отличающийся тем, что в него дополнительно введены расположенный между пластиной пространственно-временного модулятора света и активным элементом полный поляризатор, выполненный в виде поляризационного делителя, по ходу отраженной компоненты излучения которого установлено третье частично пропускающее зеркало, образующее конфокальный резонатор с первым зеркалом, и две четвертьволновые пластинки, установленные с обеих сторон поляризатора, при этом резонатор выполнен конфокальным с полностью отражающими зеркалами, линейные управляющие электроды пластины пространственно-временного модулятора света расположены под углом 45^o к плоскости пропускания поляризатора. 2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что между внутрирезонаторной электроуправляемой пластиной и вторым зеркалом резонатора дополнительно введены второй поляризатор с ортогональной первому плоскостью поляризации, вторая внутрирезонаторная электроуправляемая пластина пространственно-временного модулятора света с линейными управляющими электродами и третья четвертьволновая пластинка, причем линейные управляющие электроды электроуправляемых пластин расположены взаимно ортогонально и под углом 45^o к плоскостям пропускания поляризаторов. 3. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что между поляризатором и третьим зеркалом резонатора дополнительно установлены четвертьволновая пластинка и электроуправляемая пластина пространственновременного модулятора света с линейными управляющими электродами, причем линейные управляющие электроды дополнительной электроуправляемой пластины расположены под углом 45^o к плоскости поляризации отраженной поляризатором компоненты. 4. Лазер по пп. 1 3, отличающийся тем, что в качестве активного элемента выбрана среда с несколькими длинами волн генерации, толщина D четвертьволновых пластинок выбрана из условия

где λ₁, λ₂,...λ_n- длины волн генерации лазера;
М₁, М₂, М_n целые числа;
показатели преломления для необыкновенного и обыкновенного лучей для длины волны λ_i.ж