ЛАЗЕР С АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ЮСТИРОВКОЙ ЗЕРКАЛ РЕЗОНАТОРА Российский патент 2006 года по МПК H01S3/86 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании лазеров со стабильными выходными параметрами излучения.

Известен частотно-стабилизированный газовый лазер (см. патент РФ №591161, кл. Н 01 S 3/10, опубл.1978 г.), содержащий размещенные в оболочке активного элемента разрядный капилляр с электродами и зеркала резонатора, одно из которых с помощью нагрузочной пружины прижато к пьезокорректору, выполненному в виде кольцевого пьезоэлектрического диска. Недостатком известного газового лазера является необходимость размещения пьезокорректора внутри вакуумного объема, что ограничивает диапазон его удлинения, кроме того, в процессе работы может наблюдаться сильное газоотделение из пьезокорректора и загрязнение рабочей смеси, что приводит к нестабильности выходных параметров лазера.

Известен также газовый лазер (см. патент РФ №1115646, кл. Н 01 S 3/10, опубл.1996 г.), содержащий размещенный в газовой оболочке активного элемента разрядный капилляр с электродами и зеркала резонатора, одно из которых закреплено на пьезокорректоре, последний размещен в камере, герметично соединенной с торцом оболочки активного элемента, и одной своей стороной закреплен на его внешней поверхности. На противоположной стороне пьезокорректора закреплены кольцо и диэлектрическая втулка, установленная с возможностью перемещения в осевом направлении в отверстии, выполненном в торце оболочки активного элемента аксиально разрядному капилляру. Основание втулки соединено с зеркалом резонатора и через сильфон с внутренней поверхностью торца оболочки активного элемента. Объем, заключенный между сильфоном и втулкой, сообщается с объемом камеры пьезокорректора, при этом камера пьезокорректора заполнена рабочей газовой смесью до давления, равного давлению газового наполнения в активном элементе. Недостатком известного лазера является возможность юстировки его резонатора только в осевом направлении.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является газовый лазер (см. В.А.Иванов, В.Е.Привалов. Применение лазеров в приборах точной механики, Санкт-Петербург, "Политехника", 1993, стр.58-59), функциональная схема которого представлена на фиг.1. Лазер состоит из источника накачки, активного элемента, двух зеркал - полностью отражающего и выходного. К выходному зеркалу приклеен пьезокорректор, выполненный в виде кольца, который является котировочным устройством. За котировочным устройством расположены: внешний регулирующий элемент, светоделитель, два фотоприемника, предназначенные для измерения мощности, а также блок обработки и управления сигналами. Функциональная схема описанного лазера представлена на фиг.1.

Особенностью известного лазера, выбранного в качестве прототипа, является то, что сигнал отрицательной обратной связи, вырабатываемый компаратором, воздействует одновременно на три регулирующих элемента - источник накачки, пьезокорректор излучателя лазера и внешний регулирующий элемент. При этом с помощью внешнего регулирующего элемента можно скомпенсировать быстрые изменения мощности излучения, а за счет изменения положения зеркала резонатора и режима работы источника накачки компенсируются медленные изменения мощности, связанные с изменениями параметров резонатора и усиления активной среды, что является несомненным достоинством прототипа.

Однако недостатком известного устройства, выбранного в качестве прототипа, является то, что пьезокорректор обеспечивает только продольное перемещение зеркала и не обеспечивает его угловых перемещений, то есть не компенсирует угловую разъюстировку зеркал резонатора, что в свою очередь не позволяет получить стабильную максимальную мощность излучения лазера и обеспечить равномерное заполнение апертуры.

Кроме того, существенным недостатком прототипа является необходимость ручной юстировки для получения максимальной мощности лазера. Ручная юстировка является трудоемкой, сложной операцией и осуществляется с использованием вспомогательного лазера с видимым излучением (полупроводникового или гелий-неонового, имеющего излучение в видимом диапазоне спектра). Ручная юстировка состоит из двух этапов:

1. Вспомогательный лазер устанавливается напротив выходного зеркала юстируемого лазера так, чтобы луч вспомогательного лазера проходил через центры зеркал юстируемого лазера. Так как выходное зеркало полупрозрачное, то луч вспомогательного лазера частично проходит через него, попадает на полностью отражающее зеркало, отражается от него и возвращается к вспомогательному лазеру. Другая часть луча отражается от выходного зеркала и тоже возвращается к вспомогательному лазеру. В итоге рядом с излучающим отверстием вспомогательного лазера образуются еще два пятна, отраженных от полностью отражающего и выходного зеркал.

2. Поворот зеркал юстируемого лазера осуществляется до тех пор, пока отраженные пятна не совпадут с излучающим отверстием, то есть зеркала юстируемого лазера будут перпендикулярны лучу вспомогательного лазера. Юстировка закончена.

Точность ручной юстировки невысокая, что также можно отнести к недостаткам прототипа.

Задачей изобретения является достижение максимальной мощности излучения лазера.

Для решения поставленной задачи предлагается лазер с автоматизированной юстировкой зеркал, состоящий из установленных на основании устройства накачки, активного элемента и резонатора. Резонатор содержит полностью отражающее и выходное зеркала. На основании лазера установлены также юстировочное устройство и система автоматизированной юстировки зеркал, состоящая из светоделительной пластины, измерителя мощности и блока обработки и управления сигналами. Особенностью предлагаемого лазера, отличающей его от известного лазера, выбранного в качестве прототипа, является то, что юстировочное устройство представляет собой корпус, неподвижно закрепленный на основании лазера. Внутри корпуса на полуосях установлены внешнее и внутреннее кольца с подпружиненными пьезотолкателями. Выходное зеркало установлено во внутреннем кольце юстировочного устройства с возможностью поворота во взаимно перпендикулярных плоскостях. На оптической оси между активным элементом и выходным зеркалом установлена диафрагма, отверстие которой имеет форму круга. В систему автоматизированной юстировки зеркал между светоделительной пластиной и измерителем мощности дополнительно установлены светофильтр и фокусировочная система. Блок обработки и управления сигналами выполнен в виде контроллера, электрически связанного с пьезотолкателями юстировочного устройства.

Для повышения эффективности работы лазера полностью отражающее зеркало может быть снабжено дополнительным юстировочным устройством, выполненным в виде корпуса, неподвижно закрепленного на основании лазера, внутри которого на полуосях установлены внешнее и внутреннее кольца с подпружиненными к ним пьезотолкателями. Полностью отражающее зеркало устанавливается при этом во внутреннем кольце юстировочного устройства с возможностью поворота во взаимно перпендикулярных плоскостях. На оптической оси между активным элементом и полностью отражающим зеркалом устанавливается диафрагма, отверстие которой также имеет форму круга.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Целевой функцией юстировки резонатора является получение максимальной мощности (для непрерывных) или максимальной энергии (для импульсных) лазеров. В отличие от прототипа, в котором была предусмотрена юстировка только вдоль продольной оси, в изобретении предлагается угловая юстировка зеркал лазера, которая заключается в повороте выходного зеркала вокруг двух осей, лежащих в перпендикулярных плоскостях с использованием юстировочного устройства (см. п.1 формулы изобретения). Указанный поворот выходного зеркала осуществляются с помощью автоматизированного привода - пьезокерамического толкателя, воздействующего на угловое расположение выходного зеркала относительно оптической оси резонатора. Кроме того, в отличие от прототипа, обеспечивающего юстировку только выходного зеркала, в предлагаемом изобретении (см. п.2 формулы изобретения) предусмотрена одновременная юстировка двух зеркал (полностью отражающего и выходного), что обеспечивает достижение максимальной мощности излучения лазера.

Для каждого зеркала имеются две независимые переменные, определяющие его угловое положение - углы во взаимно перпендикулярных плоскостях. На фиг.2 представлена схема юстировки зеркал по углу:

Θ_1x, Θ_1y - для полупрозрачного выходного зеркала;

Θ_2x, Θ_2y - для полностью отражающего зеркала.

Поворот зеркал юстируемого лазера осуществляется до появления сигнала с измерителя мощности, свидетельствующего о появлении генерации. Затем продолжается поиск положения зеркал, при котором достигается максимальный сигнал с измерителя мощности, соответствующий максимальной мощности излучения.

В предложенной конструкции лазера между активным элементом лазера и выходным зеркалом на стадии юстировки автоматически устанавливается круглая диафрагма, центр которой совпадает с оптической осью резонатора (см. п.1 формулы) или две диафрагмы (см. п.2 формулы). Введение диафрагм решает следующие задачи:

- Обеспечение равномерного распределения резонаторной моды в поперечном направлении (обеспечение нормальной формы апертуры) при эксплуатации лазера после юстировки. Введение диафрагм автоматически приводит к поиску такого положения зеркал, при котором, с одной стороны, достигается максимальная мощность генерации, а с другой - мода локализуется вблизи оптической оси резонатора и, соответственно, поперечное распределение моды после снятия диафрагмы оказывается равномерным, а апертура - полностью и равномерно заполненной.

- Повышение чувствительности автоматизированной юстировки. Это обусловлено тем, что зависимость мощности излучения от угла разъюстировки зеркал при установке диафрагм и соответствующем уменьшении числа Френеля резонатора становится более выраженной, что и увеличивает чувствительность автоматизированной юстировки.

- Снижение уровня помех на измерителе мощности: установка диафрагм приводит к экранированию возможных паразитных мод внутри резонатора, связанных, например, с переотражением от боковых стенок газоразрядной камеры.

Таким образом, введение диафрагм (отсутствующих в прототипе) обеспечивает нормальную форму апертуры, повышение чувствительности юстировки и снижение уровня помех на измерителе мощности, решая, таким образом, задачу получения максимальной мощности излучения лазера.

Еще одним существенным признаком предлагаемого изобретения является выполнение механической части юстировочного устройства в виде карданного шарнира. Преимуществом "карданного шарнира" является высокая точность позиционирования, обеспеченная за счет однозначного определения осей вращения, высокой чувствительности к вынуждающей силе и малой инерционности.

Усовершенствование системы автоматической юстировки зеркал, которое заключается в дополнительной установке светофильтра, фокусировочной системы, а также выполнении блока обработки и управления сигналами в виде контроллера позволило создать полностью автоматизированную систему.

Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.3 представлена функциональная схема предлагаемого устройства в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения.

На фиг.4 - юстировочное устройство.

На фиг.5 - разрез по вертикали на фиг.4.

На фиг.6 - разрез по горизонтали на фиг.4

Лазер состоит из установленных на общем основании 1 устройства накачки 2, активного элемента 3, резонатора, содержащего два зеркала - полностью отражающее зеркало 4 и выходное зеркало 5, которое закреплено в юстировочном устройстве 6. На оптической оси между активным элементом 3 и выходным зеркалом 5 установлена диафрагма 7. Лазер снабжен системой автоматизированной юстировки зеркал, состоящей из светоделительной пластины 8, расположенной под углом 45° к направлению распространения луча, светофильтра 9 и оптической фокусировочной системы 10, измерителя мощности излучения 11 и блока обработки и управления сигналами - контроллера 12. На фиг.4, 5 и 6, изображающих юстировочное устройство 6, введены следующие обозначения:

13 - корпус, установленный на основании 1 лазера;

14 - полуоси;

15 - внешнее кольцо, свободно вращающееся вокруг полуосей 14 относительно корпуса 13;

16 - полуоси;

17 - внутреннее кольцо, свободно вращающееся вокруг полуосей 16;

18 - пьезотолкатели, обеспечивающие вращение колец 15 и 17;

19 - пружины, обеспечивающие прижатие колец 15 и 17 к пьезотолкателю 18.

Работа лазера состоит из двух основных этапов.

1 этап - поиск генерации. Подается напряжение на устройство накачки 2 активной среды. Излучение юстируемого лазера частично отражается от светоделительной пластины 8, проходит через светофильтр 9 и фокусируется с помощью оптической фокусировочной системы 10 на измерителе мощности излучения 11. Сигнал с измерителя мощности 11 подается на блок обработки и управления сигналами - контроллер 12. Алгоритм работы контроллера 12 основывается на методе случайного поиска - последовательного перебора всех возможных комбинаций двух независимых переменных - угловых положений зеркала Θ_1x, Θ_1y до обнаружения генерации, и соответственно, появлению сигнала с измерителя мощности 11.

2 этап - поиск наилучшей юстировки. Устанавливается диафрагма 7, контроллер 12 подает управляющие сигналы на пьезокорректоры 18 юстировочного устройства 6, и осуществляется угловая ориентация зеркала 5 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, и выполняется поиск оптимальных значений Θ_1x, Θ_1y, при которых достигается максимум мощности (энергии) излучения. В течение этого поиска с измерителя мощности излучения 11 поступают сигналы на контроллер 12, который в свою очередь управляет пьезокорректорами 18 юстировочного устройства 6 по специальному алгоритму. Алгоритм работы контроллера 12 основывается на методе покоординатного спуска, реализуемого для двух независимых переменных. После того как оптимальное положение зеркала 5 найдено, диафрагма 7 выводится и лазер продолжает работу в штатном режиме - юстировка закончена.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет осуществлять высокоточную юстировку зеркал резонатора, обеспечивая тем самым достижение максимальной мощности (энергии) излучения непосредственно в режиме генерации без трудоемкой и длительной ручной юстировки и привлечения высококвалифицированного персонала.

Область применения: предлагаемое изобретение относится к области квантовой электроники, может быть использовано при создании лазеров со стабильными выходными параметрами излучения. Угловая юстировка зеркал заключается в повороте выходного зеркала вокруг двух осей, лежащих в перпендикулярных плоскостях с использованием юстировочного устройства с помощью автоматизированного привода - пьезотолкателя. Предусмотрена одновременная юстировка двух зеркал - полностью отражающего и выходного. Между активным элементом лазера и выходным зеркалом на стадии юстировки автоматически устанавливается круглая диафрагма (или две диафрагмы). Центр диафрагмы совпадает с оптической осью резонатора. Между светоделительной пластиной и измерителем мощности установлены светофильтр и фокусировочная система. Блок обработки и управления сигналами выполнен в виде контроллера. Контроллер электрически связан с пьезотолкателями юстировочного устройства. Технический результат - достижение максимальной мощности излучения лазера. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Лазер с автоматизированной юстировкой зеркал, состоящий из установленных на основании устройства накачки, активного элемента, резонатора, содержащего полностью отражающее и выходное зеркала, юстировочного устройства и системы автоматизированной юстировки зеркал, состоящей из светоделительной пластины, измерителя мощности и блока обработки и управления сигналами, отличающийся тем, что юстировочное устройство представляет собой корпус, неподвижно закрепленный на основании лазера, внутри которого на полуосях установлены внешнее и внутреннее кольца с подпружиненными пьезотолкателями, выходное зеркало установлено во внутреннем кольце юстировочного устройства с возможностью поворота во взаимно перпендикулярных плоскостях, на оптической оси между активным элементом и выходным зеркалом установлена диафрагма, в систему автоматизированной юстировки зеркал между светоделительной пластиной и измерителем мощности дополнительно установлены светофильтр и фокусировочная система, а блок обработки и управления сигналами выполнен в виде контроллера, электрически связанного с пьезотолкателями юстировочного устройства.2. Лазер с автоматизированной юстировкой зеркал по п.1, отличающийся тем, что полностью отражающее зеркало снабжено дополнительным котировочным устройством, выполненным в виде корпуса, неподвижно при этом оно установлено во внутреннем кольце юстировочного устройства с возможностью поворота во взаимно перпендикулярных плоскостях, а на оптической оси между активным элементом и полностью отражающим зеркалом установлена диафрагма.3. Лазер с автоматизированной юстировкой зеркал по п.1 или 2, отличающийся тем, что отверстие диафрагмы имеет форму круга.