СКАНИРУЮЩИЙ ЛАЗЕР Российский патент 1998 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 вследствие разрушения кристалла мишени электронным пучком и использования сложной высоковакуумной системы формирования узкого электронного пучка.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является сканирующий лазер [2] , содержащий активный элемент, размещенный в резонаторе с двумя зеркалами, первое из которых полностью отражающее, пространственно-временной модулятор света, выполненный в виде установленной вблизи второго зеркала резонатора внутрирезонаторной электроуправляемой пластины с линейными управляющими электродами, размещенную между пространственно-временным модулятором света и активным элементом четвертьволновую пластинку, расположенный между четвертьволновой пластинкой и активным элементом полный поляризатор, плоскость пропускания которого расположена под углом 45^o к линейным управляющим электродам пространственно-временного модулятора света, 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, в частности, для активных сред с большим коэффициентом усиления.

Технический эффект предложенного сканирующего лазера заключается в высоких контрасте и яркости изображений, мощности генерации при пространственном сканировании лазерного излучения, в частности, для активных сред с большим коэффициентом усиления, что актуально при решении задач лазерной локации.

Для достижения вышеназванного эффекта создан сканирующий лазер, содержащий активный элемент, размещенный в резонаторе с двумя зеркалами, первое из которых полностью отражающее, пространственно-временной модулятор света, выполненный в виде установленной вблизи второго зеркала резонатора внутрирезонаторной электроуправляемой пластины с линейными управляющими электродами, размещенную между пространственно-временным модулятором света и активным элементом четвертьволновую пластинку, расположенный между четвертьволновой пластинкой и активным элементом полный поляризатор, плоскость пропускания которого расположена под углом 45^o к линейным управляющим электродам пространственно-временного модулятора света, и источник накачки. Новым в сканирующем лазере является то, что резонатор выполнен конфокальным, второе зеркало резонатора выполнено полностью отражающим, поляризатор выполнен в виде поляризационного делителя, по ходу отраженной компоненты излучения которого установлены вторая четвертьволновая пластинка и третье полностью отражающее зеркало, образующее конфокальный резонатор с первым зеркалом, а между поляризатором и активным элементом дополнительно установлена третья четвертьволновая пластинка. В лазерах такого класса электрически управляемые пространственно-временные модуляторы света традиционно применяются с устройствами управления. Схемы таких устройств разнообразны 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 четвертую четвертьволновую пластинку, причем линейные управляющие электроды элетроуправляемых 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, в частности, для активных сред с большим коэффициентом усиления при двухкоординатном сканировании лазерного излучения.

Выбрав в первом и втором вариантах устройства (см. п. 3 формулы) 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 многоцветовой генерации с быстродействующим (поимпульсным) сканированием.

Если мы во втором варианте устройства (см. п. 4 формулы) между первым пространственно-временным модулятором света и первой четвертьволновой пластинкой дополнительно введем установленное под углом к оптической оси по крайней мере одно селективное отражающее зеркало, по ходу отражений компоненты которого разместим электроуправляемую пластину пространственно-временного модулятора света с линейными управляющими электродами, поляризатор с плоскостью поляризации, ортогональной плоскости поляризации отраженной зеркалом компоненты, вторую электроуправляемую пластину пространственно-временного модулятора света с линейными управляющими электродами, четвертьволновую пластинку толщиной D и полностью отражающее четвертое зеркало, образующее конфокальный резонатор с первым зеркалом, а линейные управляющие электроды электроуправляемых пластин расположим взаимно ортогонально и под углом 45^o к плоскости пропускания поляризатора, то получим возможность поимпульсной спектральной кодировки при одновременном двухкоординатном сканировании генерируемого излучения.

На фиг. 1 приведена схема изображения 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, установленный вблизи зеркала 3 резонатора, четвертьволновую пластинку 5, расположенную между пространственно-временным модулятором света 4 и активным элементом 1, размещенный между четвертьволновой пластинкой 5 и активным элементом 1 полый поляризатор 6, плоскость пропускания которого расположена под углом 45^o к линейным управляющим электродам пространственно-временного модулятора света 4, и источник 7 накачки. Резонатор лазера выполнен конфокальным с полностью отражающими зеркалами 2 и 3, поляризатор 6 выполнен в виде поляризационного делителя, по ходу отраженной компоненты излучения которого установлены вторая четвертьволновая пластинка 8 и третье полностью отражающее зеркало 9, образующее конфокальный резонатор с зеркалом 2, а между поляризатором 6 и активным элементом 1 дополнительно установлена третья четвертьволновая пластинка 10.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема предложенного устройства, использованного при создании лазера на парах металлов с двухкоординатным сканированием излучения (на примере конкретного исполнения), у которого между внутрирезонаторной электроуправляемой пластиной 4 и зеркалом 3 резонатора дополнительно введены второй поляризатор 11 с ортогональной первому плоскостью поляризации, вторая внутрирезонаторная электроуправляемая пластина 12 пространственно-временного модулятора света с линейными управляющими электродами и четвертая четвертьволновая пластинка 13, причем линейные управляющие электроды электроуправляемых пластин 4 и 12 расположены взаимно ортогонально и под углом 45^o к плоскостям пропускания поляризаторов 6 и 11.

На фиг. 3 изображена принципиальная схема сканирующего лазера с возможностью поимпульсной спектральной кодировки, где между пространственно-временным модулятором света 4 и четвертьволновой пластинкой 5 дополнительно введено установленное под углом к оптической оси по крайней мере одно селективное отражающее зеркало 14, по ходу отраженной компоненты которого размещены электроуправляемая пластина 15 пространственно-временного модулятора света с линейными управляющими электродами, поляризатор 16 с плоскостью поляризации, ортогональной плоскости поляризации отраженной зеркалом 14 компоненты, вторая электроуправляемая пластина 17 пространственно-временного модулятора света с линейными управляющими электродами, четвертьволновая пластинка 18 толщиной D и полностью отражающее зеркало 19, образующее конфокальный резонатор с зеркалом 2, а линейные управляющие электроды электроуправляемых пластин расположены взаимно ортогонально и под углом 45^o к плоскости пропускания поляризатора 16.

В устройствах, представленных на фиг. 1, 2, 3, для обеспечения эффективной многоцветной генерации при быстродействующем поимпульсном сканировании в качестве активного элемента 1 выбрана среда с несколькими длинами волн генерации (λ₁, λ₂,..., λ_n). .

Работу лазера рассмотрим на примере устройства, изображенного на фиг. 1 (п. п. 1, 2 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 пр.), посредством разряда конденсатора через водородный тиратрон источника 7 накачки 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 в виде паров металла (меди, золота, марганца, свинца и пр.) создается инверсная населенность (методы получения и накачки активной среды на парах металлов широко известны, см., например, Солдатов А.Н. и Соломонов В.И. Газоразрядные лазеры на самоограниченных переходах в парах металлов. - Новосибирск: Наука, 1985, с. 152). В исходном состоянии резонатор заперт четвертьволновой развязкой (поляризатор 6 - четвертьволновая пластинка 5). В момент достижения максимальной инверсии из устройства управления пространственно-временным модулятором света (не показан) 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 с зеркалами 2, 3, 9 с активным элементом 1, обеспечивая при этом генерацию импульсов когерентного излучения. Вывод излучения из резонатора осуществляется через поляризатор 6, для чего между поляризатором 6 и зеркалом 9 установлена дополнительная четвертьволновая пластинка 8, при этом добротность резонатора регулируется вращением четвертьволновой пластинки 8 вокруг оси. Поскольку в устройстве зеркала 2, 3 и 2, 9 конфокальны, то каждой точке на поверхности зеркала 3 соответствует строго однозначное положение изображения точки на зеркале 9. 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 дополнительной внерезонаторной линзы преобразуется в угловое однокоординатное сканирование выходного пучка лазера. Поскольку толщина D четвертьволновых пластинок выбрана из условия
,
то внутрирезонаторные потери для разных длин волн изменяются несущественно. Это дает возможность синхронизированного сканирования излучения многоцветного лазера, соответственно, с длинами волн λ₁, λ₂,..., λ_n. .

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 3 дополнительно установить электроуправляемую пластину 12 пространственно-временного модулятора света с линейными управляющими электродами и четвертьволновую пластинку 13 (фиг. 2), то можно реализовать двухкоординатное сканирование лазерного луча. В данной схеме разнесенные электроуправляемые пластины 4 и 12, 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.

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-C" 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 - 32х32 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 составлял 800 мм. Толщина четвертьволновых пластинок D выбиралась оптимальной для двух длин волн генерации лазера на парах меди. Коэффициент отражения зеркал составлял 96%. 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 ≈20% от четвертьволнового.

Проверялась работа лазера по п.п. 1, 2, 3 формулы. При однокоординатном поимпульсном сканировании с использованием одной электроуправляемой пластины (п. 1 формулы, фиг. 1) с газоразрядной трубкой типа "Кулон-C" была получена средняя мощность генерации на двух длинах волн ≈2 - 3 Вт, частота следования импульсов составляла 10 кГц, а длительность импульсов излучения ≈15 нс. При работе лазера в режиме двухкоординатного поимпульсного сканирования излучения (п. 2 Формулы, фиг. 2) средняя мощность генерации снизилась до 0,6 Вт.

Таким образом, вышеописанный лазер и его модификации прост по конструкции, надежен 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-46.01.000 для высокоточной скоростной маркировки.

Сканирующий лазер И26М-46.01.000 изготовлен по заказу Главного управления промышленности вооружения КРФ по оборонным отраслям промышленности с целью использования при высокоточной обработке изделий из различных материалов.

Использование: системы лазерной локации, связи, обработки, передачи и хранения информации, а также лазерные технологические установки для высокоточной обработки материалов. Сущность изобретения: предложен сканирующий лазер, содержащий активный элемент, размещенный в резонаторе с двумя зеркалами, первое из которых полностью отражающее, пространственно-временной модулятор света, выполненный в виде установленной вблизи второго зеркала резонатора внутрирезонаторной электроуправляемой пластины с линейными управляющими электродами, размещенную между пространственно-временным модулятором света и активным элементом четвертьволновую пластинку, расположенный между четвертьволновой пластинкой и активным элементом полный поляризатор, плоскость пропускания которого расположена под углом 45^o к линейным управляющим электродам пространственно-временного модулятора света, и источник накачки. Новым в сканирующем лазере является то, что резонатор выполнен конфокальным, второе зеркало резонатора выполнено полностью отражающим, поляризатор выполнен в виде поляризационного делителя, по ходу отраженной компоненты излучения которого установлены вторая четвертьволновая пластинка и третье полностью отражающее зеркало, образующее конфокальный резонатор с первым зеркалом, а между поляризатором и активным элементом дополнительно установлена третья четвертьволновая пластинка. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сканирующий лазер, содержащий активный элемент, размещенный в резонаторе с двумя зеркалами, первое из которых полностью отражающее, пространственно-временной модулятор света, выполненный в виде установленной вблизи второго зеркала резонатора внутрирезонаторной электроуправляемой пластины с линейными управляющими электродами, размещенную между пространственно-временным модулятором света и активным элементом четверть-волновую пластинку, расположенный между четвертьволновой пластинкой и активным элементом полный поляризатор, плоскость пропускания которого расположена под углом 45^o к линейным управляющим электродам пространственно-временного модулятора света, и источник накачки, отличающийся тем, что резонатор выполнен конфокальным, второе зеркало резонатора выполнено полностью отражающим, поляризатор выполнен в виде поляризационного делителя, по ходу отраженной компоненты излучения которого установлены вторая четвертьволновая пластинка и третье полностью отражающее зеркало, образующее конфокальный резонатор с первым зеркалом, а между поляризатором и активным элементом дополнительно установлена третья четвертьволновая пластинка. 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 четвертая четвертьволновая пластинка, причем линейные управляющие электроды электроуправляемых пластин расположены взаимно ортогонально и под углом 45^o к плоскостям пропускания поляризаторов. 3. Лазер по пп.1 и 2, 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, M₁, M₂, ..., M_n - целые числа; показатели преломления для необыкновенного и обыкновенного лучей для длины волны λ_i.
4. Лазер по п.2, отличающийся тем, что между первым пространственно-временным модулятором света и первой четверть-волновой пластинкой дополнительно введено установленное под углом к оптической оси по крайней мере одно селективное отражающее зеркало, по ходу отраженной компоненты которого размещены электроуправляемая пластина пространственно-временного модулятора света с линейными управляющими электродами, поляризатор с плоскостью поляризации, ортогональной плоскости поляризации отраженной зеркалом компоненты, вторая электроуправляемая пластина пространственно-временного модулятора света с линейными управляющими электродами, четвертьволновая пластинка толщиной D и полностью отражающее четвертое зеркало, образующее конфокальный решонатор с первым зеркалом, а линейные управляющие электроды электроуправляемых пластин расположены взаимно ортогонально и под углом 45^o к плоскости пропускания поляризатора.