УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК H01S3/13 

Изобретение относится к электронным устройствам автоматического управления мощностью излучения лазерного излучателя, предназначенного для работы в служебных системах автоматической фокусировки и юстировки телескопа.

Известны устройства для автоматического управления мощностью излучения лазерных излучателей с применением обратной связи [1]. В этих устройствах использован способ стабилизации мощности лазерного излучения, основанный на применении положительной и отрицательной обратной связи. При этом в одном из вариантов устройства часть лазерного излучения с помощью оптоэлектронного элемента преобразуется в электрический сигнал, который используется для управления внутрирезонаторной ячейкой Поккельса, а задержку в цепях обратной связи осуществляют при помощи оптической линии задержки. Однако устройство [1] не может быть использовано для управления мощностью излучения полупроводникового лазерного излучателя, так как предназначено для управления газовыми лазерами.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство [2] управления выходной мощностью лазерного излучателя, содержащее лазер, встроенный фотодиод, усилитель обратной связи, дифференциальный усилитель (ДУ) с двумя входами и двумя выходами. В схеме устройства часть выходной мощности поступает на встроенный фотодиод. Сигнал фотодиода усиливается и сравнивается с входным задающим сигналом. При этом задающий входной сигнал поступает на неинвертирующий вход ДУ, а сигнал с выхода усилителя обратной связи - на инвертирущий вход ДУ. Устройство имеет высокую степень линейности выходной мощности лазерного излучения от изменения входного сигнала.

Недостатками устройства [2] являются:

- нестабильность мощности излучения, вызываемая статическими и динамическими ошибками из-за наличия на входах дифференциального усилителя синфазного сигнала,

- ошибка суммирования,

- зависимость времени задержки включения лазерного излучателя от амплитуды входного задающего сигнала.

Так как в устройстве [2] входной задающий сигнал поступает на неинвертирующий вход ДУ, то на его инвертирующем входе появляется аналогичный сигнал, т.е. на входах ДУ присутствует синфазный сигнал U_c. Если малый дифференциальный сигнал U_д необходимо усиливать при наличии U_c, то выходной сигнал ДУ равен

где

К_д - коэффициент усиления дифференциального сигнала,

К_с - коэффициент ослабления синфазного сигнала.

На выходе ДУ имеет место синфазный сдвиг выходного уровня ΔU_выхс. Ошибка ΔU_выхс нелинейно зависит от уровня U_c, т.к. с ростом U_c обычно ухудшается К_с. С ростом частоты синфазного напряжения К_с значительно уменьшается. С повышением частоты сигнала уменьшается амплитуда неискаженного выходного сигнала, возрастают динамические ошибки ДУ, связанные с ограниченной скоростью нарастания выходного напряжения и максимальной частотой усиления по мощности.

Для уменьшения времени задержки устройства [2] желательно, чтобы напряжение на лазерном излучателе обеспечивало его ток накачки близким к максимальному, что увеличивает ΔU_выхс.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение стабильности мощности излучения лазерного излучателя, исключение ошибки суммирования и зависимости времени задержки включения лазерного излучателя от амплитуды входного задающего сигнала, повышение помехозащищенности, надежности и сокращение потребляемой мощности.

Для решения данной задачи предлагается устройство управления мощностью излучения лазерного излучателя, содержащее лазерный излучатель со встроенным фотодиодом, соединенный с усилителем сигнала фотодиода и с выходным усилителем тока накачки излучателя. В отличие от прототипа в него введены последовательно соединенные между собой источник опорного напряжения, сумматор на основе инвертирующего операционного усилителя и интегрирующая цепь, выход которой подключен к входу выходного усилителя тока накачки излучателя, а также цифровой узел управления включением и выключением лазерного излучателя, компаратор, первый и второй приемные устройства. При этом вход сумматора подключен к выходам усилителя сигнала фотодиода и источника опорного напряжения. К выходам приемных устройств подключены первый и второй выпрямители, выходы которых соединены с входами первого и второго триггеров Шмитта. Выходы триггеров Шмитта подключены к входам логического элемента , выход которого соединен с входом выходного усилителя тока накачки излучателя. Входы приемных устройств являются входами сигнала управления. В устройство также введены автогенератор и последовательно соединенный с ним делитель частоты, первый блок формирования сигнала оперативного контроля, причем первый вход первого блока формирования сигнала оперативного контроля связан с выходом делителя частоты, а второй вход соединен с выходом первого резистивного делителя напряжения. Выход первого блока формирования сигнала оперативного контроля является первым выходом устройства. Устройство также содержит второй блок формирования сигнала оперативного контроля, подключенный к выходу делителя частоты. При этом второй вход второго блока формирования сигнала оперативного контроля связан через второй резистивный делитель напряжения с выходом компаратора, первый вход которого подсоединен к выходу усилителя сигнала фотодиода, а второй вход подключен к первому резистивному делителю напряжения. Выход второго блока формирования сигнала оперативного контроля является вторым выходом устройства.

Сущность изобретения заключается в следующем. Для управления и стабилизации мощности излучения лазерного излучателя выходной сигнал усилителя сигнала фотодиода суммируется с напряжением прецизионного источника опорного напряжения. При любых колебаниях мощности лазерного излучения, например, ее увеличении, увеличивается поток излучения, попадающий на фотодиод, возрастает значение напряжения сигнала на выходе усилителя сигнала фотодиода, уменьшается напряжение на выходе сумматора, при этом выходной усилитель тока накачки излучателя, представляющий собой составной повторитель напряжения, подзакрывается, ток накачки лазерного излучателя уменьшается и уменьшается мощность излучения. Использование инвертирующего сумматора обеспечивает идеальную развязку между источниками сигналов; при таком включении и замкнутой отрицательной обратной связи инвертирующий вход имеет потенциал, близкий к нулю (так называемую виртуальную землю), отсутствуют синфазный сигнал и связанные с ним статические и динамические ошибки.

В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве исключена зависимость времени задержки от амплитуды входного задающего сигнала как за счет отсутствия входного синфазного сигнала в сумматоре, так и за счет устранения усилителя обратной связи с его временем задержки. Кроме того, введение источника опорного напряжения с малым выходным сопротивлением, в котором не содержится элементов задержки (конденсаторов, индуктивностей), позволяет при подаче управляющего сигнала открыть выходной усилитель практически мгновенно и обеспечить включение лазерного излучателя без задержки.

Особенностью предлагаемого устройства является также наличие в его составе цифрового узла, управляющего включением и выключением выходного усилителя тока накачки излучателя. При этом ток через излучатель протекает только во время действия входного сигнала экспозиции, приходящего из системы управления телескопа, что обеспечивает высокую помехозащищенность, надежность и малый потребляемый ток.

Сущность изобретения проиллюстрирована на чертеже, где представлена структурная схема устройства управления мощностью излучения лазерного излучателя.

Устройство управления мощностью излучения лазерного излучателя содержит лазерный излучатель 1 со встроенным фотодиодом 2. Фотодиод 2 подключен к инвертирующему входу усилителя сигнала фотодиода 3, выполненного на операционном усилителе, включенного по схеме преобразователя тока в напряжение. Выход усилителя 3 подключен к неинвертирующему входу сумматора 4. Этот же вход сумматора соединен с выходом прецизионного источника опорного напряжения 5. К выходу сумматора 4 последовательно подключены интегрирующая цепь 6 и выходной усилитель тока накачки излучателя 7, выход которого соединен с лазерным излучателем 1. К входу выходного усилителя тока накачки излучателя 7 подключен выход двухвходового элемента 8 . Входы элемента 8 подключены к выходам триггеров 9, 10 Шмитта, которые в свою очередь соединены с выпрямителями 11, 12 и приемными устройствами 13, 14, входы последних являются входами сигнала управления. Для контроля работы устройства в его состав входят две схемы формирования сигналов оперативного контроля. Первая схема содержит последовательно соединенные автогенератор 15, делитель частоты 16 и первый блок формирования сигнала оперативного контроля 17, причем второй вход первого блока формирования сигнала оперативного контроля 17 соединен с выходом первого резистивного делителя напряжения 18, а выход первого блока формирования сигнала оперативного контроля является первым выходом устройства. Вторая схема включает последовательно соединенные автогенератор 15, делитель частоты 16 и второй блок формирования сигнала оперативного контроля 19. Второй вход второго блока формирования сигнала оперативного контроля 19 связан через второй резистивный делитель напряжения 20 с выходом компаратора 21, первый вход которого подсоединен к выходу усилителя сигнала фотодиода 3, а второй вход подключен к первому резистивному делителю напряжения 18. Выход второго блока формирования сигнала оперативного контроля 19 является вторым выходом устройства. Блоки формирования сигналов оперативного контроля выполнены на основе двухвходовых элементов И-НЕ (например, 1533ЛАЗ), формирователя тока типа 571ХЛ4 и импульсного трансформатора (например, БТИЗ-58В). Блоки 3, 4, 21 могут быть реализованы на микросхемах операционных усилителях, например, 544УД2. В качестве лазерного излучателя может быть использован лазер со встроенным фотодиодом ИЛПН-232, блоки 8-17 - на цифровых микросхемах серий 533, 571, источник опорного напряжения - на стабилитроне 2С191Ф.

Устройство работает следующим образом. По команде включения в устройство из системы управления телескопом поступает напряжение питания. При этом запускается автоколебательный генератор 15 и через делитель частоты 16 на первый вход первого блока формирования сигнала оперативного контроля 17 поступают синхронизирующие тактовые импульсы (СТИ), а на второй вход первого блока формирования сигнала оперативного контроля 17 - напряжение постоянного уровня с выхода первого резистивного делителя 18. Напряжение постоянного уровня обеспечивает прохождение СТИ в первый блок формирования сигнала оперативного контроля 17, с помощью которого осуществляется усиление СТИ по мощности, гальваническая развязка цепей устройства от системы управления телескопом и выдача сигнала оперативного контроля с первого блока формирования сигнала 17 в систему управления телескопом.

После приема сигнала оперативного контроля с первого блока формирования 17 система управления телескопом по программе приступает к циклическому выполнению автономной операции - выдаче входных сигналов экспозиции. Количество импульсов экспозиции может изменяться от 1 до 10 в цикле, а длительность каждого входного сигнала экспозиции варьируется от 0,2 до 200 мс, частота заполнения сигнала может быть выбрана из диапазона 100 кГц - 10 мГц. Входной сигнал экспозиции является для устройства управляющим сигналом, по которому через приемные устройства 13, 14, выпрямители 11, 12, триггеры Шмитта 9, 10 и элемент 8 снимается блокировка входа выходного усилителя 7 тока накачки излучателя. При этом от источника 5 опорного напряжения через сумматор 4, интегрирующую цепь 6 на вход выходного усилителя 7 тока накачки излучателя поступает постоянное напряжение, открывает его и через лазерный излучатель 1 начинает протекать электрический ток. Лазерный излучатель 1 излучает поток лучистой энергии, часть которой попадает на фотодиод 2. Сигнал с выхода усилителя 3 сигнала фотодиода суммируется с напряжением от источника 5 опорного напряжения на инвертирующем входе сумматора 4 (суммирующего операционного усилителя) и поступает через интегрирующую цепь 6, сглаживающую резкие броски и перепады, на вход выходного усилителя 7 тока накачки излучателя, обеспечивающего необходимый ток накачки лазерного излучателя 1.

При отклонении мощности излучения лазерного излучателя (например, при изменении температуры, напряжения питания, квантового выхода лазера) предположим в сторону уменьшения мощности уменьшается поток лучистой энергии, попадающей на фотодиод 2. При этом уменьшается сигнал с выхода фотодиода, а разность сигналов фотодиода и напряжения от источника 5 опорного напряжения на выходе сумматора 4 увеличивается, что приводит к увеличению тока выходного усилителя 7 и, следовательно, к увеличению тока накачки лазерного излучателя 1, т.е. мощность излучения излучателя возрастает. Так осуществляется управление и стабилизация мощности излучения лазерного излучателя.

Рассмотрим как формируется сигнал вторым блоком формирования сигнала оперативного контроля. С приходом входного сигнала экспозиции и появлением сигнала на выходе усилителя 3 срабатывает компаратор 21. При этом на второй вход второго блока формирования сигнала оперативного контроля 19 со второго резистивного делителя 20 поступает напряжение, разрешающее прохождение СТИ от автогенератора 15 через делитель частоты 16 на первый вход второго блока формирования сигнала оперативного контроля 19, с помощью которого осуществляется усиление СТИ по мощности, гальваническая развязка цепей устройства от системы управления телескопом и выдача сигнала оперативного контроля вторым блоком формирования сигнала в систему управления телескопа.

По окончании входного сигнала экспозиции компаратор 21 переводится опорным напряжением с первого резистивного делителя 18 в исходное состояние, при котором его выходное напряжение через первый резистивный делитель 20 запирает второй блок формирования сигнала оперативного контроля 19 и передача этого сигнала в систему управления телескопом прекращается.

Одновременно по окончании входного сигнала экспозиции цифровой узел (элементы 8-14) вырабатывает на входе выходного усилителя 7 тока накачки излучателя напряжение низкого уровня (логический ноль), которое обесточивает выходной усилитель 7 тока накачки лазерного излучателя и выключает лазерный излучатель 1.

По команде выключения из системы управления телескопом устройство обесточивается и переходит в режим ожидания.

Таким образом, введение сумматора и источника опорного напряжения, а именно суммирование сигналов с выхода усилителя фотодиода и источника опорного напряжения на инвертирующем входе сумматора, обеспечивает повышение стабилизации мощности излучения лазерного излучателя. Использование инвертирующего сумматора обеспечивает отсутствие синфазного сигнала и связанных с ним статических и динамических ошибок. Отсутствие входного синфазного сигнала, а также замена усилителя обратной связи с его временем задержки на безынерционный источник опорного напряжения исключает зависимость времени задержки от амплитуды входного задающего сигнала. Наличие в составе предлагаемого устройства цифрового узла, управляющего включением и выключением выходного усилителя тока накачки излучателя, обеспечивает высокую помехозащищенность, надежность и малый потребляемый ток.

Источники информации

1. Патент РФ № 2163412, 20.02.2001, H 01 S 3/13.

2. Чео П.К., Волоконная оптика: приборы и системы. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с.206 - прототип.

Изобретение может использоваться для управления мощностью излучения лазерного излучателя, предназначенного для работы в служебных системах автоматической фокусировки и юстировки телескопа. Задача: повышение стабильности мощности излучения лазерного излучателя, исключение ошибки суммирования и зависимости времени задержки включения лазерного излучателя от амплитуды входного задающего сигнала, повышение помехозащищенности, надежности и сокращение потребляемой мощности. Устройство содержит лазерный излучатель со встроенным фотодиодом, соединенный с усилителем сигнала фотодиода и с выходным усилителем тока накачки излучателя. В устройство введены последовательно соединенные между собой источник опорного напряжения, сумматор на основе инвертирующего операционного усилителя и интегрирующая цепь, выход которой подключен к входу выходного усилителя, а также цифровой узел управления включением и выключением лазерного излучателя, компаратор, первый и второй приемные устройства. При этом вход сумматора подключен к выходам усилителя фотодиода и источника опорного напряжения. К выходам приемных устройств подключены первый и второй выпрямители, выходы которых соединены с входами первого и второго триггеров Шмитта. Выходы триггеров Шмитта подключены к входам логического элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом выходного усилителя. Входы приемных устройств являются входами сигнала управления. В устройство также введены автогенератор и последовательно соединенный с ним делитель частоты, первый блок формирования сигнала оперативного контроля, причем первый вход блока формирования сигнала оперативного контроля связан с выходом делителя частоты, а второй вход соединен с выходом первого резистивного делителя напряжения. Выход первого блока формирования является первым выходом устройства. Устройство также содержит второй блок формирования сигнала оперативного контроля, подключенный к выходу делителя частоты. При этом второй вход блока формирования сигнала оперативного контроля связан через второй резистивный делитель напряжения с выходом компаратора, первый вход которого подсоединен к выходу усилителя фотодиода, а второй вход подключен к первому резистивному делителю напряжения. Выход второго блока формирования является вторым выходом устройства. Изобретение обеспечивает повышение стабильности мощности излучения лазерного излучателя, исключение ошибки суммирования и зависимости времени задержки включения лазерного излучателя от амплитуды входного задающего сигнала, повышение помехозащищенности, надежности и сокращение потребляемой мощности. 1 ил.

Устройство управления мощностью излучения лазерного излучателя, содержащее лазерный излучатель со встроенным фотодиодом, соединенный с усилителем сигнала фотодиода и с выходным усилителем тока накачки излучателя, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные между собой источник опорного напряжения, сумматор на основе инвертирующего операционного усилителя и интегрирующая цепь, выход которой подключен к входу выходного усилителя тока накачки излучателя, при этом вход сумматора подключен к выходам усилителя сигнала фотодиода и источника опорного напряжения, первое и второе приемные устройства, к выходам которых подключены первый и второй выпрямители, выходы которых соединены с входами первого и второго триггеров Шмитта, выходы которых подключены к входам логического элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом выходного усилителя тока накачки излучателя, при этом входы приемных устройств являются входами сигнала управления, автогенератор и последовательно соединенный с ним делитель частоты, первый блок формирования сигнала оперативного контроля, причем первый вход первого блока формирования сигнала оперативного контроля связан с выходом делителя частоты, а второй вход соединен с выходом первого резистивного делителя напряжения, при этом выход первого блока формирования сигнала оперативного контроля является первым выходом устройства, второй блок формирования сигнала оперативного контроля, подключенный к выходу делителя частоты, при этом второй вход блока формирования сигнала оперативного контроля связан через второй резистивный делитель напряжения с выходом компаратора, первый вход которого подсоединен к выходу усилителя сигнала фотодиода, а второй вход подключен к первому резистивному делителю напряжения, при этом выход второго блока формирования сигнала оперативного контроля является вторым выходом устройства.