СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СПЕКТРОМ ГЕНЕРАЦИИ И ФОРМИРОВАНИЯ ПЛОТНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ЛАЗЕРА НА ОСНОВЕ МАГНИТНО-ЗВУКОВОГО ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО МОДУЛЯТОРА И ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР С УПРАВЛЯЕМЫМ СПЕКТРОМ ГЕНЕРАЦИИ Российский патент 2006 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для разрушения и направленного изменения свойств горных пород.

Известен способ синхронизации мод многочастотных лазеров, заключающийся в модуляции добротности одновременно на частоте межмодовых биений и на меньшей частоте двойном детектировании мощности излучения лазера, изменении временной зависимости полученного при детектировании сигнала. Способ обеспечивает получение выходного излучения с заданной временной структурой и управляемой амплитудой, длительностью и частотой следования импульсов /1/.

Способ предназначен для синтеза заданной временной структуры излучения и не позволяет осуществить увеличение нужной для разрушения минеральных сред плотности энергии, интенсивности и мощности излучения.

Известен промышленный технологический лазер МТЛ-2, содержащий моноблок с блоком генерации, функциональный блок со вспомогательными системами, микропроцессорную систему управления /2/.

Данный лазер работает в стабильном технологическом режиме, формирующем определенную плотность энергии узкого диапазона.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ управления спектром генерации лазера и лазер с управляемым спектром генерации, заключающийся в осуществлении накачки активной среды и в направлении излучения различных длин волн на различные участки активной среды, мощность накачки перераспределяют по активной среде по закону, соответствующему требуемому спектральному распределению мощности генерации. Лазер с управляемым спектром генерации, содержащий устройство накачки, резонатор и расположенные в нем дисперсионный элемент, активную среду, протяженную в направлении, перпендикулярном оптической оси и совпадающем с направлением линейной дисперсии дисперсионного элемента, в резонатор лазера дополнительно введены два ахроматизированных объектива, а дисперсионный элемент выполнен в виде автоколлимационного дисперсионного элемента и совмещен с концевым отражателем резонатора, устройство накачки содержит лазер накачки, оптически связанный с входом световодного жгута, выход которого выполнен разветвленным, причем выходные концы жгута распределены по активной среде в соответствии с требуемым спектром генерации /3/.

Данный способ и лазер имеют ограниченный спектр генерации и формируют распределение мощности в узком диапазоне по спектру генерации.

Технический результат - формирование требуемого распределения плотности энергии, мощности и интенсивности излучения для разрушения, синтеза и направленного изменения свойств горных пород.

Технический результат достигается тем, что в способе управления спектром генерации и формирования плотности излучения геотехнологического лазера на основе магнитно-звукового пространственно-временного модулятора, заключающемся в формировании требуемого распределения плотности излучения по заданному спектру генерации путем накачки активной среды лазером, на пучки генерируемых лазерных излучений из камер накачки, с одной стороны, периодически формируют давление (интенсивность) и частоту звукового излучения в заданном диапазоне изменения по величине и направлению, а с другой стороны, синхронно воздействуют направленным магнитным полем с отражателями-резонаторами, периодически направляющими отраженное излучение в камеры накачки для увеличения плотности энергии, интенсивности и мощности лазерного излучения в камерах накачки.

Геотехнологический лазер с управляемым спектром генерации, содержащий устройство накачки активной среды лазером накачки посредством разветвленного световодного жгута, резонаторы, дисперсионное устройство, снабжен магнитно-звуковыми пространственно-временными модуляторами, содержащими концентраторы-усилители излучения с направляющими магнитами и отражателями-резонаторами, установленными со стороны отраженных лазерных излучений на выходе из камер накачки, и дисперсионные устройства, выполненные в виде поворотных блоков звуковых преобразователей с излучателями, при этом концентраторы-усилители излучения сопряжены с камерами накачки, а блок генерации снабжен дополнительными камерами накачки, установленными в два модуля с активными средами, расположенными в направлении оптических осей, перпендикулярных направлению линейной дисперсии излучения, при этом лазерные головки каждого модуля смещены относительно друг друга по вертикали, а защитные отражатели сопряжены с концентраторами-усилителями излучения и установлены ниже лазерных головок.

Воздействие на пучки генерируемых лазерных излучений из камер накачки, с одной стороны, периодического давления (интенсивности) и частоты звукового излучения в заданном диапазоне изменения по величине и направлению, а с другой стороны - синхронно направленным магнитным полем с отражателями-резонаторами, периодически направляющими отраженное излучение в камеры накачки для увеличения плотности энергии, интенсивности и мощности лазерного излучения в камерах накачки, а также снабжение геотехнологического лазера магнитно-звуковыми пространственно-временными модуляторами, содержащими концентраторы-усилители излучения с направляющими магнитами и отражателями-резонаторами, установленными со стороны отраженных лазерных излучений на выходе из камер накачки, и дисперсионные устройства, выполненные в виде поворотных блоков звуковых преобразователей с излучателями, при этом концентраторы-усилители излучения сопряжены с камерами накачки, а блок генерации снабжен дополнительными камерами накачки, установленными в два модуля с активными средами, расположенными в направлении оптических осей, перпендикулярных направлению линейной дисперсии излучения, при этом лазерные головки каждого модуля смещены относительно друг друга по вертикали, а защитные отражатели сопряжены с концентраторами-усилителями излучения и установлены ниже лазерных головок, определяет данное техническое решение как отвечающее требованиям патентоспособности (новизне, изобретательскому уровню, промышленной применимости).

Геотехнологический лазер с управляемым спектром генерации изображен на чертежах.

На фиг.1 - общий вид лазера; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 - вид Б на фиг.2; на фиг.4 - вид В на фиг.2.

Геотехнологический лазер с управляемым спектром генерации 1 содержит устройство накачки 2 активной среды 3 лазером накачки 4 посредством разветвленного световодного жгута 5, резонаторы 6, дисперсионное устройство 7. Магнитно-звуковые пространственно-временные модуляторы 8 содержат концентраторы-усилители излучения 9 с направляющими магнитами 10 и отражателями-резонаторами 11, которые установлены со стороны отраженного лазерного излучения 12 на выходе 13 из камер накачки 14. Дисперсионные устройства 7 выполнены в виде поворотных блоков звуковых преобразователей 15 с излучателями 16. Концентраторы-усилители излучения 9 сопряжены с камерами накачки 14. Блок генерации 17 снабжен дополнительными камерами накачки 18, которые установлены в два модуля 19. Активные среды 3 расположены в направлении оптических осей 20, перпендикулярных направлению линейной дисперсии излучения 21. Лазерные головки 22 каждого модуля 19 смещены относительно друг друга по вертикали 23. Защитные отражатели 24 сопряжены с концентраторами-усилителями излучения 9 и установлены ниже лазерных головок 22.

Блок генерации 17 имеет коммуникационную связь 25 с функциональным блоком 26, который включает автоматическую систему управления процессом накачки 27, автоматическую систему управления процессом дисперсионного воздействия 28, микропроцессорную систему расчета параметров интенсивности (мощности) излучения с коммутационными цепями и источниками питания 29. Агрегаты системы водомасляного охлаждения 30, системы откачки и газонапуска 31 (при газоразрядной системе инверсии населенностей) расположены сопряженными с блоком генерации 17, а функциональный блок 26 может располагаться на расстоянии от блока генерации 17. Лазерные головки 22 снабжены оптическим затвором с поглотителем излучения 32. Датчики фиксации параметров плотности излучений 33, формируемых на выходе пучков лазерных излучений, установлены на поворотных блоках звуковых преобразователей 15 и ориентированы по оси направленного звукового излучения 34. Автоматическая система управления процессом накачки 27 включает регистрирующие датчики предыонизации 35 и контрольные датчики системы накопления и усиления излучения 36.

Резонаторы 6 могут быть оптическими или магнитными. Поворотные блоки звуковых преобразователей 15 закреплены на платформе 37, которая шарнирно связана с приводом 38 ее поворота вокруг оси 39, и связаны с генератором звукового излучения 40.

Способ управления спектром генерации и формирования плотности излучения геотехнологического лазера на основе магнитно-звукового пространственно-временного модулятора реализуется следующим образом.

Активная среда 3 в камерах накачки 14, установленных в два модуля 19 в блоке генерации 17, накачивается излучением лазера накачки 4 устройства накачки 2 с помощью разветвленного световодного жгута 5. Мощность накачки распределяется по активным средам 3 геотехнологического лазера с управляемым спектром генерации 1 по закону, соответствующему требуемому спектральному распределению мощности генерации, задается автоматической системой управления процессом накачки 27 и контролируется регистрирующим датчиком предионизации 35. В микропроцессорную систему расчета параметров интенсивности излучения с коммутационными цепями и источниками питания 29 поступает информация об объекте воздействия - термодинамические, физико-механические, структурные параметры горной породы. Происходит генерация излучения в нужном диапазоне по величине и распределение исходной мощности по камерам накачки 14, 18 с резонаторами 6. Процесс генерации контролируется датчиками фиксации параметров плотности излучений 33 и контрольными датчиками системы накопления и усиления излучения 36. Включается расположенная в функциональном блоке 26 автоматическая система управления процессом дисперсионного воздействия 28 на лазерное излучение. Через коммуникационную связь 25 на приводы 38 поворота вокруг осей 39 поворотных блоков звуковых преобразователей 15, закрепленных на платформах 37, подаются управляющие сигналы. Поворотные блоки звуковых преобразователей 15 с излучателями 16 дисперсионного устройства 7 устанавливаются под нужным углом к направлению оптических осей 20. Включается генератор звукового излучения 40, настраиваемый на нужную мощность и частоту выходного параметра излучателей 16 для обеспечения линейной дисперсии излучений 21 лазера в плоскостях пучков и распределения их в направлениях, перпендикулярных оптическим осям 20. Изменение угла поворота излучателей 16 уменьшает или увеличивает отражение лучей различных длин волн, изменяя плотность лазерного излучения. При расположении оси направленного звукового излучения 34 перпендикулярно оптической оси 20 обеспечивается максимальная плотность излучения и полная дисперсия лазерного луча. При смещении излучателей 16 в крайнее положение - на угол до 45° от исходного, обеспечивается минимальная дисперсия, максимальное отражение лучей и максимальное снижение интенсивности лазерного излучения.

Отражатели-резонаторы 11, расположенные со стороны отраженного лазерного излучения 12 на выходе 13 из камер накачки 14, принимают на себя отраженную часть лучей. Для полного поглощения отраженного излучения при накоплении отрицательного заряда электронов включаются направляющие магниты 10, которые улавливают поток излучения, направляя его в зону отражателей-резонаторов 11 концентратора-усилителя излучения 9 магнитно-звукового пространственно-временного модулятора 8. Для исключения воздействия звукового излучения на элементы дисперсионного устройства 7, расположенные ниже рабочих зон воздействия звука, лазерные головки 22 смещены относительно друг друга по вертикали 23, а рабочие зоны ограничены защитными отражателями 24. Агрегаты системы водомасляного охлаждения 30, системы откачки и газонапуска 31 (при газоразрядной системе инверсии населенностей) работают в автоматическом режиме. Прерывание лазерного излучения может осуществляться с помощью оптических затворов с поглотителями излучения 32.

Способ управления спектром генерации и формирования мощности излучения геотехнологического лазера на основе магнитно-звукового пространственно-временного модулятора и геотехнологический лазер с управляемым спектром генерации позволяют осуществить избирательное воздействие на структурные связи минеральных систем различной плотности и прочностных свойств, направленное изменение их свойств и синтез новых соединений.

Источники информации

1. Патент РФ №1530038, МКИ 5 Н 01 S 3/10, Способ синхронизации мод многочастотных лазеров, опубл. 15.06.94, Бюл. №11.

2. Технологические лазеры: Справочник: В 2 т. Т.1: Расчет, проектирование и эксплуатация / Г.А.Абильсиитов, B.C.Голубев, В.Г.Гонтарь и др.; Под общей ред. Г.А.Абильсиитова. - М.: Машиностроение, 1991, 125, рис.60-61.

3. Патент РФ №1718313, МКИ 5 Н 01 S 3/10, Способ управления спектром генерации лазера и лазер с управляемым спектром генерации, опубл. 07.03.92, Бюл. №9 (прототип).

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для разрушения и направленного изменения свойств горных пород. Способ заключается в формировании требуемого распределения плотности излучения по заданному спектру генерации путем накачки активной среды лазером. Из камер накачки на пучки лазерных излучений, с одной стороны, периодически формируют давление и частоту звукового излучения в заданном диапазоне изменения по величине и направлению. С другой стороны, синхронно воздействуют направленным магнитным полем с отражателями-резонаторами. Отражатели-резонаторы периодически направляют отраженное излучение в камеры накачки для увеличения плотности энергии, интенсивности и мощности лазерного излучения. Геотехнологический лазер содержит устройство накачки, резонаторы, дисперсионное устройство, магнитно-звуковые пространственно-временные модуляторы. Дисперсионные устройства выполнены в виде поворотных блоков звуковых преобразователей с излучателями. Концентраторы-усилители излучения сопряжены с камерами накачки, блок генерации снабжен дополнительными камерами накачки. Камеры накачки установлены в два модуля с активными средами. Активные среды расположены в направлении оптических осей, перпендикулярных направлению линейной дисперсии излучения. Лазерные головки каждого модуля смещены относительно друг друга по вертикали. Защитные отражатели сопряжены с концентраторами-усилителями излучения и установлены ниже лазерных головок. Технический результат - формирование требуемого распределения плотности энергии, мощности и интенсивности излучения для разрушения, синтеза и направленного изменения свойств горных пород. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ управления спектром генерации и формирования плотности излучения геотехнологического лазера на основе магнитно-звукового пространственно-временного модулятора, заключающийся в формировании требуемого распределения плотности излучения по заданному спектру генерации путем накачки активной среды лазером, отличающийся тем, что на пучки генерируемых лазерных излучений из камер накачки, с одной стороны, периодически формируют давление (интенсивность) и частоту звукового излучения в заданном диапазоне изменения по величине и направлению, а с другой стороны, синхронно воздействуют направленным магнитным полем с отражателями-резонаторами, периодически направляющими отраженное излучение в камеры накачки для увеличения плотности энергии, интенсивности и мощности лазерного излучения в камерах накачки.2. Геотехнологический лазер с управляемым спектром генерации, содержащий устройство накачки активной среды лазером накачки посредством разветвленного световодного жгута, резонаторы, дисперсионное устройство, отличающийся тем, что снабжен магнитно-звуковыми пространственно-временными модуляторами, содержащими концентраторы-усилители излучения с направляющими магнитами и отражателями-резонаторами, установленными со стороны отраженных лазерных излучений на выходе из камер накачки, и дисперсионные устройства, выполненные в виде поворотных блоков звуковых преобразователей с излучателями, при этом концентраторы-усилители излучения сопряжены с камерами накачки, а блок генерации снабжен дополнительными камерами накачки, установленными в два модуля с активными средами, расположенными в направлении оптических осей, перпендикулярных направлению линейной дисперсии излучения, при этом лазерные головки каждого модуля смещены относительно друг друга по вертикали, а защитные отражатели сопряжены с концентраторами-усилителями излучения и установлены ниже лазерных головок.