ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1997 года по МПК H01S3/11 

Изобретение относится к лазерной технике, а более конкретно к импульсным твердотельным лазерам, используемым в импульсных лазерных дальномерах.

Известны твердотельные импульсные лазеры [1] работающие в режиме модуляции добротности (моноимпульсный режим генерации) и выполненные с применением электрооптического затвора.

Недостатками таких лазеров при использовании активных элементов с малым коэффициентом усиления активной среды (например лазеры на эрбиевом стекле) являются заметные потери и ограниченная лучевая прочность, присущие электрооптическому затвору.

Известны также твердотельные импульсные лазеры [2] работающие в режиме модуляции добротности и выполненные с применением оптико-механического затвора, использующего эффект нарушенного полного внутреннего отражения (затвор НПВО). Преимуществом таких лазеров являются малые потери, вносимые затвором НПВО (пропускание в открытом состоянии достигает 99%), высокая лучевая прочность затвора НПВО, определяемая лучевой прочностью стекла, из которого он изготовлен, а также достаточно низкие управляющие напряжения (до 300 В).

В известном твердотельном импульсном лазере с затвором НПВО последний содержит плоскопараллельный зазор и пьезоэлектрический преобразователь, обеспечивающий изменение величины зазора. Работа затвора НПВО основана при этом на упругих деформациях его оптических элементов, возникающих при подаче на пьезопреобразователь управляющего напряжения. Для обеспечения быстрого переключения затвора НПВО в известном твердотельном импульсном лазере блок управления затвором формирует управляющее напряжение, подаваемое на пьезопреобразователь, в виде сначала отрицательного крутого перепада напряжения, что приводит к увеличению зазора в затворе НПВО по отношению к первоначальному значению, а затем в виде положительного крутого перепада напряжения, обеспечивающего "схлопывание" зазора в затворе НПВО, т.е. переключение затвора из закрытого в открытое состояние.

Наличие в управляющем затвором НПВО напряжении нескольких крутых перепадов (ударных фронтов) отрицательно сказывается на ресурсе затвора НПВО и соответственно лазера из-за возникающих в процессе наработки пластических деформаций в месте соединения стекла и пьезокерамики в конструкции затвора НПВО. Кроме того, формирование специальных управляющих затвором НПВО сигналов сложной формы требует наличия в лазере, кроме блока питания лампы накачки, специального источника (блока управления затвором), который увеличивает габариты и вес лазера в целом.

Формирование управляющих затвором НПВО напряжений осуществляется в известном лазере в интервале временных промежутков до начала генерации моноимпульса с характерным временем единицы микросекунд, что является существенным недостатком при работе лазера в широком диапазоне температур. Дело в том, на величину зазора в затворе НПВО влияют упругие деформации, возникающие при внешних температурных воздействиях. При малой величине зазора (доли длины волны излучения), необходимой для обеспечения быстродействия затвора НПВО, внешнее температурное воздействие может привести к изначальному исчезновению зазора, и в этом случае появляются существенные потери для моноимпульсного режима генерации, поскольку затвор оказывается в течение длительного времени (характерные времена разряда лампы накачки и нарастания усиления в активном элементе составляют соответственно 60-100 мкс для алюмо-иттриевого граната и 1,5-2,5 мкс для эрбиевого стекла) в открытом состоянии, а его перевод в закрытое состояние (подача управляющего сигнала для увеличения величины зазора) начинается слишком поздно (за несколько микросекунд до начала генерации моноимпульса).

Задачей изобретения является обеспечение работоспособности лазера с затвором НПВО в широком диапазоне температур, повышение ресурса его работы при одновременном уменьшении массы и габаритов лазера.

Указанная задача решается за счет того, что в известном твердотельном импульсном лазере [2] наиболее близком по технической сущности к предлагаемому лазеру и включающем активный элемент, лампу накачки, затвор НПВО, выполненный с плоскопараллельным зазором и пьезоэлектрическим преобразователем для управления величиной зазора, блок питания лампы накачки с разрядным C, L-контуром и блок управления затвором, последний выполнен на основе емкостного делителя, подключенного параллельно лампе накачки, одно из плеч которого образовано дополнительно введенным конденсатором, соединенным с положительным электродом лампы накачки, а другое плечо образовано собственной емкостью затвора НПВО, и дополнительного разрядного C,L-контура с тиристорным коммутатором, подключенного параллельно затвору НПВО, при этом между плечами емкостного делителя напряжения включена дополнительно введенная индуктивность, много большая индуктивности дополнительного разрядного C,L-контура, а конденсатор дополнительного разрядного C,L-контура подключен к конденсатору разрядного C, L-контура блока питания лампы накачки через дополнительно введенную зарядную цепочку.

Применение указанной схемы блока управления затвором НПВО позволяет произвести его интеграцию с блоком питания лампы накачки, обеспечив сокращение массы и габаритов лазера. Например, для лазера с активным элементом на эрбиевом стекле в силу спецификации механизмов накачки такой лазер наиболее эффективно работает в режиме модулированной добротности при длительности импульсов газоразрядной лампы накачки 1,5-2,5 мс. Такой импульс наиболее просто реализуется в разрядном C,L-контуре блока питания лампы накачки с накопительным конденсатором емкостью 150-250 мкФ и напряжением накопителя 250-450 В, т.е. лежит в области напряжений эффективного управления пьезопреобразователем затвора НПВО. Это позволяет, во-первых, использовать общие вторичные источники напряжения для зарядки накопителя блока питания лампы накачки и для блока управления затвором НПВО и, во-вторых, использовать импульс разряда накопителя для формирования отрицательного перепада напряжения, обеспечивающего первоначальное увеличение зазора в затворе НПВО (так называемого "пьедестала" импульса управления затвором НПВО), начиная сразу с момента разряда лампы накачки.

Указанный "пьедестал" создается емкостным делителем напряжения, вторым плечом которого является собственная емкость (импеданс) затвора НПВО. На ней при разрядке конденсатора разрядного C,L-контура блока питания лампы накачки формируется, поступая через конденсатор первого плеча емкостного делителя, нарастающее отрицательное напряжение, приводящее к увеличению зазора в затворе НПВО. Это напряжение, совпадая по длительности с импульсом разряда накопителя, может иметь весьма пологий фронт, т.е. осуществлять плавное расширение зазора в затворе НПВО по мере нарастания усиления в активном элементе лазера до момента срабатывания тиристорного коммутатора, приводящего к разряду конденсатора дополнительного разрядного C,L-контура и формированию на затворе НПВО ударного фронта положительного перепада напряжения, вызывающего "схлопывание" зазора в затворе НПВО (т.е. переход затвора в открытое состояние). Таким образом, в предлагаемом лазере используется только один минимально необходимый ударный фронт напряжения, управляющий открыванием затвора НПВО, что способствует повышению ресурса его работы и сокращает до минимума число коммутаторов напряжения в блоке управления затвором, поскольку роль такого коммутатора при формировании "пьедестала" выполняет сама лампа накачки. Поскольку в данном лазере формирование "пьедестала", обеспечивающего увеличение зазора в затворе НПВО, происходит с момента начала разряда лампы накачки, затвор НПВО находится в закрытом состоянии в течение всего времени нарастания усиления в активном элементе (даже если он был изначально открыт из-за "схлопывания" зазора вследствие упругих деформаций, вызванных внешними температурными воздействиями), что обеспечивает последующую эффективную генерацию моноимпульса.

На фиг. 1 представлена структурная схема данного твердотельного импульсного лазера; на фиг. 2 электрическая схема, поясняющая работу лазера; на фиг. 3 диаграмма управляющего напряжения на пьезопреобразователе затвора НПВО.

Лазер содержит активный элемент 1 и лампу накачки 2, размещенные в отражателе 3, затвор 4, который имеет плоскопараллельный зазор 5 и снабжен пьезоэлектрическим преобразователем 6, "глухое" 7 и выходное 8 зеркала резонатора, блок питания лампы накачки 9 и блок управления затвором 10.

В блок питания лампы накачки 9 входит разрядный C,L-контур, образованный накопительным конденсатором C_Н и индуктивностью L_Н и связанный с лампой накачки HL, трансформатор T поджига лампы накачки, при этом накопительный конденсатор C_H связан с вторичным источником напряжения блока питания лампы накачки через зарядный диод VD.

Блок управления затвором 10 включает емкостной делитель напряжения, подключенный параллельно лампе накачки HL, первое плечо которого образовано конденсатором C₁, соединенным с положительным электродом лампы накачки HL, а второе плечо собственной емкостью (импедансом) C_X затвора НПВО 4; дополнительный разрядный C,L-контур, образованный конденсатором C₂ и индуктивностью L₂, с тиристорным коммутатором VT, подключенный параллельно затвору НПВО с собственной емкостью C_X; индуктивность L₁, такую что L₁ > L₂; шунтирующий резистор R₂. Конденсатор C₂ подключен к накопительному конденсатору C_H через зарядную цепочку, образованную диодом VD₁ и ограничивающим резистором R₁.

Лазер работает следующим образом.

Вторичный источник напряжения блока питания лампы накачки 9 заряжает накопительный конденсатор C_H разрядного L,C-контура блока питания лампы накачки через диод VD. Одновременно через зарядную цепочку с диодом VD₁ и ограничивающим резистором R₁ заряжается конденсатор C₂ дополнительного разрядного C,L-контура.

При достижении на конденсаторе C_H необходимого уровня напряжения (напряжения накачки) срабатывает цепь поджига лампы накачки, при этом трансформатор поджига T инициирует пробой газоразрядного промежутка лампы накачки HL, и конденсатор C_H начинает разряжаться через разрядную индуктивность L_H на лампу накачки. Напряжение разряда поступает при этом на емкостной делитель C₁, C_X, и на затворе НПВО (емкости C_X) с момента времени t_o (начало разряда) формируется нарастающее отрицательное напряжение "пьедестала" 11, воздействующее на пьезопреобразователь 6 затвора НПВО 4, который обеспечивает плавное увеличение величины зазора 5.

Затвор НПВО 4 находится при этом в закрытом состоянии, а в активном элементе 1 происходит накапливание энергии инверсной населенности. При достижении в активном элементе 1 максимального усиления в момент времени t₁ срабатывает тиристорный коммутатор VT, что обеспечивает разряд конденсатора C₂ и формирование дополнительным разрядным контуром C₂, L₂ на затворе НПВО (емкости C_X) положительного перепада (ударного фронта) напряжения 12, приводящего к "схлопыванию" зазора 5 затвора НПВО 4, т.е. переключению затвора НПВО в открытое состояние. При этом на выходном зеркале 8 генерируется моноимпульс лазерного излучения.

Разделительная индуктивность L₁, для которой L₁ > L₂, предохраняет ударный фронт напряжения переключения затвора от шунтирования лампой накачки HL. Шунтирующий резистор R₂ обеспечивает приведение затвора НПВО (емкости C_X) в исходное состояние.

Регулировка (подбор оптимальных значений) управляющих затвором НПВО напряжений может осуществляться подбором величины C₁ (регулировка амплитуды "пьедестала" 11) и подбором величин C₂, L₂ (регулировка амплитуды ударного фронта напряжения переключения 12).

Данный твердотельный импульсный лазер позволяет реализовать конструктивное исполнение, применимое в компактной переносной лазерной аппаратуре.

Проведенными испытаниями подтверждены ресурс работы данного лазера не менее 70000 импульсов излучения и его работоспособность в диапазоне температур от -40 до 50^oC.

Использование: изобретение относится к лазерной технике. Сущность: предложен твердотельный импульсный лазер, включающий активный элемент, лампочку накачки, затвор НПВО, выполненный с плоскопараллельным зазором и пьезоэлектрическим преобразователем для управления величиной зазора, блок питания лампы накачки с разрядным C,L-контуром и блок управления затвором, который отличается тем, что блок управления затвором выполнен на основе емкостного делителя напряжения, подключенного параллельно лампе накачки, одно из плеч которого образовано дополнительно введенным конденсатором, соединенным с положительным электродом лампы накачки, а другое плечо образовано собственно емкостью НПВО затвора, и дополнительного разрядного C,L- контура с тиристорным коммутатором, подключенного параллельно затвору НПВО, при этом между плечами емкостного делителя напряжения включена дополнительно введенная индуктивность, много большая индуктивности дополнительного разрядного C,L-контура, а конденсатор дополнительного C,L-контура подключен к конденсатору разрядного C, L- контура блока питания лампы накачки через дополнительно введенную зарядную цепочку. 3 ил.

Твердотельный импульсный лазер, включающий активный элемент, лампу накачки, затвор на основе нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), выполненный с плоскопараллельным зазором и пьезоэлектрическим преобразователем для управления величиной зазора, блок питания лампы накачки с разрядным CL-контуром и блок управления затвором, отличающийся тем, что блок управления затвором выполнен на основе емкостного делителя напряжения, подключенного параллельно лампе накачки, одно из плеч которого образовано дополнительно введенным конденсатором, соединенным с положительным электродом лампы накачки, а второе плечо образовано собственной емкостью НПВО затвора и дополнительного разрядного CL-контура с тиристорным коммутатором, подключенного параллельно затвору НПВО, при этом между плечами емкостного делителя напряжения включена дополнительно введенная индуктивность, много большая индуктивности дополнительного разрядного CL-контура, а конденсатор дополнительного разрядного CL-контура подключен к конденсатору разрядного CL-контура блока питания лампы накачки через дополнительно введенную зарядную цепочку.