СКАНИРУЮЩИЙ ЛАЗЕР Российский патент 1999 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к лазерной технике, и может быть использовано в лазерных технологических установках, системах лазерной локации, связи, обработки, передачи и хранения информации.

Известен сканирующий лазер (R. A. Myers, R.V. Pole. The Electron Beam Scanlaser: Theoretical and Operational Stadies. IBM Journal, September 1967, p. 502), 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 KDP с покрытием из CdO 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. Лазер со светоуправляемыми ПВМС типа ПРОМ описан в работе В.Н. Алексеева, А.Г. Грозного, В. К. Эльца и А.Н. Жилина, Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград, 1989, с. 145. Этот лазер использован в работе В.Н. Алексеева и др. Квантовая электроника, 21, N 8, 753-758 (1994) для управления пучком усилителя с обращением волнового фронта излучения.

Лазер с ПВМС на жидких кристаллах описан в работе Ф.Л. Владимирова, М.Н. Грознова, А.С. Еременко и др. ж. "Квантовая электроника", т. 12, N 10, 1985, с. 2071.

Все эти лазеры включают линейный самосопряженный резонатор, ПВМС устанавливается вблизи зеркала резонатора в фокальной перетяжке внутрирезонаторной линзы.

Общим недостатком этих лазеров является 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.

Известен также лазер с жидкокристаллическим электроуправляемым ПВМС (S-эффект в нематическом ЖК), имеющий в своем составе две сферических линзы сопряженного резонатора, установленных на двойном фокусном расстоянии друг от друга на оси резонатора, два зеркала резонатора в фокусах линз, активный элемент в центре резонатора, пластинка λ/4, установленная между первым зеркалом и линзой резонатора, поляризатор, установленный между вторым зеркалом и второй линзой резонатора и на котором происходит излом оптической оси резонатора, ПВМС установленный между поляризатором и второй линзой резонатора. ПВМС имеет линейку прозрачных электродов N=50. Для уменьшения световой нагрузки на модулятор света осуществляется режим расстройки четвертьволновой развязки (поляризатор-четвертьволновая пластинка-зеркало). Достигнута выходная энергия 200 мкДж при коэффициенте разгрузки ПВМС около 20 (А.Ф. Корнев, В. П. Покровский, Л.Н. Соме, В.К. Ступников, Оптический журнал, 1, 1994, с. 10-25). Недостатком лазера является его низкое быстродействие, связанное с низким быстродействием ЖК ПВМС и малый энергетический выход, несмотря на использование разгрузки ПВМС.

Известен также сканирующий лазер с кольцевым сопряженным резонатором и с вращением поля, предложенный А.А. Калининой, В.В. Любимовым, Л.В. Носовой и Л. Н. Сомсом, (А.С. СССР N 1354318, Б.И. N 43, 1987, с. 222, работа которого описана авторами в журнале "Оптика и спектроскопия", т. 70, выпуск 1, 1991, с. 182). Лазер включает активный элемент, два устройства пространственно-временной селекции мод, отражающие элементы, две сферических линзы, оборачивающую призменную систему, образующие кольцевой самосопряженный резонатор, цилиндрическую линзу вне резонатора. В данном лазере, по предположению авторов, 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 цилиндрической линзы, установленной вне резонатора. Авторы полагают, что 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. Недостатком лазера является сложность и дороговизна оптических элементов, необходимость использования полуволнового управляющего напряжения на модуляторах с электрооптическим эффектом, так как в кольцевой схеме лазера излучение только в одном направлении проходит через каждый элемент.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является сканирующий лазер предложенный В.Н. Алексеевым, В.И. Либером, А.Д. Стариковым (Патент России N 2040090 от 20.07.95., заявка N 93013105 от 10.03.93 г. "Сканирующий лазер") и который может служить прототипом.

Лазер включает 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, фазовые пластинки λ/4, расположенные между линзами и зеркалами резонатора, поляризатор, расположенный между линзами, пассивный модулятор добротности резонатора, диафрагму, установленную 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 от четвертьволнового на величину, зависящую от номера электродов. 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.

Недостатком прототипа, невзирая на высокую лучевую прочность ПВМС на основе электрооптической керамики, все же является невысокий энергетический выход излучения, так как генерация излучения осуществляется в пределах небольшого по размерам пиксела, равного расстоянию между электродами модулятора. Выходная энергия импульса генерации в моноимпульсном режиме ограничивается энергией ≈ 1 мДж, что недостаточно в некоторых применениях.

Техническим результатом изобретения является увеличение энергетического выхода лазера, расширение области использования сканирующего лазера путем увеличения надежности его работы при одновременном упрощении его схемы и удешевлении.

Технический результат достигается тем, что в лазере, включающем, расположенные на оптической оси линейного сопряженного резонатора первое зеркало, первую, установленную на фокусном расстоянии от зеркала линзу, активный элемент, вторую линзу, установленную на двойном фокусном расстоянии от первой, второе зеркало резонатора, установленное на фокусном расстоянии от второй линзы, электроуправляемый пространственно-временной модулятор света, выполненный в виде электроуправляемой пластины из электрооптической керамики с линейными управляющими электродами, установленную вблизи первого зеркала, фазовые пластинки λ/4, расположенные между линзами и зеркалами резонатора, программируемое устройство управления блоком питания электроуправляемой пластины и источник накачки активного элемента лазера, для увеличения энергетического выхода излучения первая линза сопряженного резонатора является цилиндрической линзой, поляризатор установлен между цилиндрической линзой и первым зеркалом резонатора, первая фазовая пластинка λ/4 установлена между поляризатором и первым зеркалом резонатора, причем ось резонатора на поляризаторе изломана по пути распространения s-компоненты поляризованного света, электроды электроуправляемой пластины ориентированы параллельно образующей цилиндрической линзы и установлены под углом 45^o к оси пропускания поляризатора, ось z первой фазовой пластинки ориентирована под углом 45^o к оси s-компоненты поляризованного света, ось z второй фазовой пластинки развернута от этого положения на угол α, выбираемый из условия

где I₁ - интенсивность излучения, прошедшего через поляризатор из резонатора;
I₂ - интенсивность излучения, отраженного от поляризатора в сторону первого зеркала резонатора, оба зеркала резонатора выполнены полностью отражающими, а диафрагма в центре резонатора отсутствует.

Для увеличения энергетического выхода лазера в качестве первой линзы резонатора используется цилиндрическая линза, ось резонатора изломана по пути распространения s-компоненты поляризованного света, ось z второй фазовой пластинки развернута от положения 45^o к оси s-компоненты поляризованного света на угол α, зависящий от коэффициента усиления активной среды и потерь в резонаторе, оба зеркала резонатора выполнены полностью отражающими. В предлагаемом лазере только часть энергии излучения попадает на ПВМС, что уменьшает лучевую нагрузку на элемент вследствие использования разворота оси второй четвертьволновой пластины резонатора, что увеличивает надежность работы ПВМС. Кроме этого, существенно возрастает выходная энергия лазера, так как размер зоны генерации на линейном пикселе ПВМС увеличен до диаметра активного элемента за счет использования цилиндрической линзы в левом плече сопряженного резонатора, так как цилиндрическая линза фокусирует излучение только по одной координате.

Схема предлагаемого сканирующего лазера приведена на чертеже, где первое зеркало сопряженного резонатора - 1, электроуправляемая пластина ПВМС - 2, первая пластинка λ/4 - 3, поляризатор - 4, цилиндрическая линза резонатора - 5, активный элемент лазера - 6, сферическая линза резонатора - 7, вторая пластинка λ/4 - 8, второе зеркало резонатора - 9, программируемое устройство управления - 10, блок питания электроуправляемой пластины - 11, источник питания лазера - 12.

Лазер работает следующим образом.

При включении источника питания (накачки) лазера 12 происходит возбуждение активного элемента лазера 6. В момент достижения максимальной инверсии из программируемого устройства управления 10 в блок питания 11 электроуправляемой пластины 2 подаются электрические импульсы управления, в которых содержится информация о номерах включаемых элементов ПВМС и о величине отличия напряжений на электродах пластин от четвертьволнового. В соответствии с полученной информацией блок питания вырабатывает необходимой величины напряжение и подает его на заданные электроды пластины. В запертом в исходном состоянии четвертьволновой развязкой (поляризатор 4 - пластинка λ/4 3 - зеркало 1, - пластинка λ/4 3 - поляризатор 4) левом плече резонатора начинают выполняться условия возникновения генерации в заданном номером электрода электроуправляемой пластины направлении за счет возникновения двулучепреломления в электрооптической керамике, причем по всей длине зоны между ее электродами, на которые в данный момент подана разность электрических потенциалов и которая равна диаметру активного элемента лазера (так как линза цилиндрическая и фокусирует излучение только в одной плоскости). В других зонах пластины излучение испытывает дополнительные двукратные потери на поляризаторе при двойном проходе резонатора и условие генерации не достигается.

Однако порог генерации лазера не достигается, если ось z второй четвертьволновой пластинки ориентирована под углом 45^o к плоскости поляризации излучения, сформированного цилиндрической линзой и линейным пикселом электроуправляемой пластины ПВМС и отраженного от первого зеркала резонатора 1 и поляризатора, так как после отражения от второго зеркала резонатора излучение полностью проходит через поляризатор и в резонаторе отсутствует обратная связь, необходимая для развития генерации.

Поэтому, ось z второй четвертьволновой пластинки должна быть развернута на угол, зависящий от коэффициента усиления активного элемента, потерь излучения в резонаторе и требуемой лучевой "разгрузки" ПВМС. В этом случае часть излучения отражается от поляризатора и возникает обратная связь, необходимая для развития генерации.

Ранее никогда не использовались лазеры с сопряженным резонатором, одна из линз которого цилиндрическая, а вторая сферическая, а ось резонатора изломана на поляризаторе по пути следования s-поляризованной компоненты излучения в плече сопряженного резонатора с цилиндрической линзой. Перед проведением испытаний макета лазера было совсем не очевидно, что лазер будет работать.

Из этого следует, что отличия заявляемого устройства отвечают критерию "Изобретательский уровень решения поставленной задачи".

Предлагаемый лазер является сканирующим только по одной координате. Однако у него могут быть много практически важных применений. В частности, такой лазер можно использовать для маркировки движущихся на конвейере изделий. По принципу действия при маркировке изделий работа такого лазера аналогична работе струйного маркера (такой маркер имеет 7-9 сопел, расположенных по линии. Символы на маркируемом изделии получаются за счет движения объекта). Однако лазерный маркер не имеет главного недостатка струйного - необходимости расположения головки маркера на расстоянии не более 2 см от маркируемой поверхности и ограничения, тем самым, глубины маркируемого рельефа.

В НИИКИ ОЭП ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова" создан макет сканирующего лазера с внутрирезонаторным ПВМС на основе прозрачной электрооптической поликристаллической керамики ЦТСЛ - 10.

Электроуправляемая пластина, используемого в макете лазера ПВМС, имеет толщину 0,5 мм, расстояние между электродами 0,45 мм, длина электродов 15 мм. Величина четвертьволнового напряжения на рабочей длине волны лазера 1,064 мкм (лазер твердотельный, активный элемент изготовлен из алюмоиттриевого граната с диаметром 6.3 мм) равна 600 В. Фокусное расстояние линз резонатора 50 см. В качестве модулятора добротности резонатора для получения моноимпульсного режима излучения использовался пассивный затвор на основе кристалла LiF с F- центрами или сам ПВМС (нами было обнаружено, что моноимпульсный режим работы обеспечивается и самим включением пикселя ПВМС). 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. При развороте оси z второй четвертьволновой пластинки от положения 45^o к плоскости поляризации излучения на угол, равный 43-35^o достигнута генерация лазера. При угле разворота меньше 35^o наблюдалось разрушение пикселей ПВМС из-за больной энергии генерации. Длительность полученных импульсов генерации равна 50 нс при использовании пассивного модулятора добротности и 200 нс при использовании самого ПВМС в качестве модулятора добротности, энергия импульсов 3-8 мДж. Такая большая по сравнению с другими известными сканирующими лазерами энергия генерации получается благодаря высокой лучевой прочности ЦТСЛ - керамики и предложенной схеме лазера.

Достигнута частота следования импульсов излучения от 10 до 50 кГц в пакете, при последовательном включении 10 пикселей ПВМС, при частоте следования пакетов импульсов 3 -5 Гц. Причем нами зарегистрировано, что для каждой частоты следования импульсов генерации в пакете энергия импульсов стабилизируется при определенном значении энергии импульса накачки и имеет определенное значение. При необходимости стабилизации энергии импульсов на одинаковом уровне при различных частотах следования требуется введение отрицательной обратной связи по выходной энергии импульсов.

Длительность импульса накачки 1 мс, форма импульса прямоугольная. Нами проведена ресурсная проверка работы лазера. При указанных выше параметрах излучения осуществлено свыше 300000 вспышек лазера без какого-либо снижения параметров излучения или повреждения элементов.

При небольших углах сканирования излучения (как нами проверено, до 15 пикселей ПВМС) допустима установка поляризатора между первой линзой резонатора и активным элементом лазера. В этом случае не требуется установки вне резонатора лазера цилиндрической линзы для компенсации цилиндрического волнового фронта пучка, а может быть использована обычная сферическая линза.

Таким образом, введенные отличительные признаки позволили разработать простой по конструкции, надежный в эксплуатации сканирующий лазер, способный по своим параметрам найти широкое применение в лазерных технологиях, в частности для быстрого дистанционного маркирования изделий, для автоматического изготовления клише в полиграфии и т.д., путем термического воздействия на материалы сфокусированным пучком.

Сказанное выше позволяет считать предложенное изобретение новым и полезным.

Использование: технологические установки, лазерная локация, связь, обработка, передача и хранение информации. Сущность изобретения: в лазере, включающем расположенные на оптической оси резонатора первое зеркало, первую, установленную на фокусном расстоянии от зеркала линзу, активный элемент, вторую линзу, установленную на двойном фокусном расстоянии от первой, второе зеркало резонатора, установленное на фокусном расстоянии от второй линзы, электроуправляемый пространственно-временной модулятор света из электрооптической керамики с линейными управляющими электродами, установленный вблизи первого зеркала, фазовые пластинки λ/4, расположенные между линзами и зеркалами резонатора, программируемое устройство управления блоком питания электроуправляемой пластины и источник накачки активного элемента лазера, первая линза сопряженного резонатора является цилиндрической линзой, поляризатор установлен между цилиндрической линзой и первым зеркалом резонатора, первая фазовая пластинка λ/4 установлена между поляризатором и первым зеркалом резонатора, причем ось резонатора на поляризаторе изломана по пути распространения S - компоненты поляризованного света, электроды электроуправляемой пластины ориентированы параллельно образующей цилиндрической линзы и установлены под углом 45^o к оси пропускания поляризатора, ось Z первой фазовой пластинки ориентирована под углом 45^o к оси S - компоненты поляризованного света, ось Z второй фазовой пластинки развернута от этого положения на угол α, выбираемый из условия где I₁ - интенсивность излучения, прошедшего через поляризатор из резонатора, I₂ - интенсивность излучения, отраженного от поляризатора в сторону первого зеркала резонатора, оба зеркала резонатора выполнены полностью отражающими. Технический результат: увеличение энергетического выхода излучения и повышение надежности работы лазера. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Лазер, включающий расположенные на оптической оси резонатора зеркало, первую фазовую пластинку λ/4, первую линзу, установленную на фокусном расстоянии от зеркала, активный элемент, вторую линзу, установленную на двойном фокусном расстоянии от первой, вторую фазовую линзу λ/4, второе зеркало резонатора, установленное на фокусном расстоянии от второй линзы, электроуправляемый пространственно-временной модулятор света, выполненный в виде электроуправляемой пластины из электрооптической керамики с линейными управляющими электродами, установленный вблизи первого зеркала, поляризатор, установленный между фазовыми пластинами, программируемое устройство управления блоком питания электроуправляемой пластины, источник накачки лазера, отличающийся тем, что первая линза резонатора выполнена цилиндрической, поляризатор и цилиндрическая линза установлены между первой фазовой пластиной λ/4 и активным элементом, оптическая ось резонатора изломана на поляризаторе по пути распространения S-компоненты поляризованного излучения, электроды электроуправляемой пластины ориентированы параллельно образующей цилиндрической линзы и установлены под углом 45^o к оси пропускания поляризатора, ось z первой фазовой пластинки ориентирована под углом 45^o к оси S-компоненты поляризованного света, ось z второй фазовой пластинки развернута от этого положения на угол α, выбираемый из условия

где I₁ - интенсивность излучения, прошедшего через поляризатор из резонатора;
I₂ - интенсивность излучения, отраженного от поляризатора в сторону первого зеркала резонатора, оба зеркала резонатора выполнены полностью отражающими. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что в него дополнительно введен пассивный модулятор добротности.