ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЙ ЗАТВОР (МОДУЛЯТОР ДОБРОТНОСТИ) ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРОВ С ФУНКЦИЕЙ КОММУТАТОРА И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА (ОМЗ-КП) Российский патент 2015 года по МПК H01S3/125 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к импульсным твердотельным лазерам, работающим в режиме модуляции добротности резонатора. В настоящее время применение твердотельных импульсных лазеров с различной длиной волны излучения связано с материалом стержня лазера. Для получения другой длины волны излучения с одного стержня задающего лазера применяется метод преобразования излучения с использованием прохождением начального генерируемого излучения через кристалл, например: калий титанат фосфата - КТР, который обеспечивает преобразование излучения на входе λ=1.064 мкм в излучение на выходе λ=0.53 мкм за счет нелинейного преобразования во вторую гармонику или излучение с длинной волны λ=1.57 мкм при параметрическом преобразовании света в параметрическом однорезонаторном генераторе, образованном зеркалом на кристалле преобразователя и выходным зеркалом лазера, снабженными специальными покрытиями.

В ОМ3-КП (Рис. 5) этот метод универсален для различных сочетаний: материал стержня лазера - материал кристалла преобразователя, при работе в оптическом диапазоне λ=0.2 мкм÷5.0 мкм (вся оптика ОМ3-КП из лейкосапфира - Al₂O₃).

В настоящее время применение импульсных твердотельных лазеров с длиной волны излучения безопасной для глаз человека используется во многих устройствах, но в то же время существуют устройства, где требуются лазеры, работающие на двух длинах волн, например: 1) с импульсной волной излучения λ=1.064 мкм и с импульсной волной излучения λ=1.57 мкм, 2) с импульсной волной излучения λ=1.064 мкм и с импульсной волной излучения λ=0.53 мкм.

Аналог такой возможности представлен в патенте RU №2453866 С2.

Предлагается устройство ОМ3-КП, которое позволяет компактно совместить все вышеуказанные функции. За прототип взят патент RU №2516615, в котором в быстро вращающемся роторе (Рис. 1, п. 10) добавлена еще одна конструктивная единица (Рис. 1, п. 6, Рис. 3, сечение А-А, Рис. 4, п. 6).

В показанной для примера на Рис. 1 конструкции на пути импульсного лазерного (Рис. 1, п. 22) излучения на λ=1.064 мкм установлен кристалл из КТР (калий титанит фосфата Рис. 2 п. 30), который в зависимости от ориентации кристалла к излучению лазера может генерировать длину волн λ=1.57 мкм или =0.53 мкм. По требованиям технического задания в предъявленном устройстве используется только одна из двух возможностей, указанных выше: λ=1.064 мкм +λ=1.57 мкм или λ=1.064 мкм +λ=0.53 мкм.

Момент высвечивания лазерного импульса на волне λ=1.064 мкм происходит при вращении ротора устройства (Рис. 1, п. 10) два раза за оборот: когда глухое зеркало лазерного блока (Рис. 1, п. 24) строго параллельно полупрозрачному зеркалу, нанесенному на катет грани призмы А90 (Рис. 1, п. 3, п. 2), излучение на выходе ОМ3-КП на длине волны λ=1.064 мкм, или когда глухое зеркало (Рис. 1, п. 24) строго параллельно полупрозрачному зеркалу сборки с КТР (Рис. 3, п. 11, п. 2), излучение на выходе ОМ3-КП на длине волы λ=1.57 мкм или λ- 0.53 мкм.

При работе ОМ3-КП в заданном диапазоне температур, которое оговаривается техническом заданием, возможно изменение коэффициента полезного действия (КПД) при преобразовании длины волны излучения.

Для подержания стабильного КПД в конструкции предусмотрен механизм регулировки угла поворота КТР по заданной оси относительно лазерного излучения (Рис. 3, сечение А-А, сборка Рис. 4, п. 6).

Такая регулировка позволяет поддерживать стабильность КПД преобразования излучения в заданном диапазоне температур (±t°C). Устройство угла поворота КТР в зависимости от температуры состоит из двух пластин, одна из которых биметаллическая пластина, состоящая из металлов с различными коэффициентами теплового расширения (Рис. 3, п. 34), а вторая из однородного металла (сечение А-А, Рис. 4, п. 36). Пластины скреплены на одном конце (Рис. 3, п. 35). На незакрепленном конце биметаллической пластины крепится шток с зубчатой рейкой (Рис. 3, п. 31) перпендикулярно плоскости пластины (сечение А-А, Рис. 4, п. 31).

Вся сборка (сечение А-А, Рис. 4, п. 6) устанавливается и закрепляется на поверхности вращающегося ротора (Рис. 3) так, чтобы шток с зубчатой рейкой (сечение А-А, Рис. 4, п. 31) сопрягался с сектором шестеренки (сечение А-А, Рис. 4, п. 32), закрепленной на вращающейся сборке с КТР (сечение Рис. 4).

Вращающая сборка с КТР вмонтирована в сборку, которая крепится во вращающемся роторе (Рис. 3) соосно по оптической оси сборной призмы (Рис. 3, п. 1, п. 3, п. 5).

Работа устройства ОМ3-КП обеспечивает два разных лазерных излучения за один оборот ротора (Рис. 1): положение 1 - с преобразованием длины волны излучения задающего лазера, положение 2 - без преобразования длины волны задающего лазера.

Работа ОМ3-КП при вращении обеспечивает стабильность КПД преобразованной длины волны излучения на выходе устройства в заданном температурном диапазоне (поворот вращающейся сборки с кристаллом КТР (сечение А-А, Рис. 4, п. 6)). Поворот вращающейся сборки происходит при температурном прогибе биметаллической пластины (сечение А-А, Рис. 4, п. 34) вместе с закрепленном на ее конце штоком с зубчатой рейкой (сечение А-А, Рис. 4, п. 31), которая сопряжена с сектором шестеренки (сечение А-А, Рис. 4, п. 32), закрепленной на этой сборке (сечение А-А, Рис. 4, п. 6).

Движение закрепленного одним концом на биметаллической пластине штока происходит при разогреве биметаллической пластины на определенный угол. Зависимость угла поворота вращающейся сборки (Рис. 1 п. 6) для подержания стабильности КПД в заданном диапазоне температур должно обеспечиваться величиной температурного отклонения конца биметаллической пластины (Рис. 3, п. 34) с закрепленным на ее свободном конце штоком с зубчатой рейкой (Рис. 3, п. 31), а также с учетом коэффициента передачи движения штока с зубчатой рейкой на поворот сектора шестеренки (сечение А-А, Рис. 4, п. 32), которая закреплена на вращающейся сборке с кристаллом КТР (Рис. 1, п. 6).

Условные обозначения

1 - Ромб-призма

2 - Полупрозрачное покрытие на λ1

3 - Призма Ар 90 с полупрозрачным покрытием катета

4; 5; 7 - Призма Ар 90

6 - Преобразователь длины волны излучения с KTR

8 - Обтюратор

9 - Полупрозрачное зеркало на λ2

10 - Вращающийся ротор

11 - Полупрозрачное зеркало на λ1 и отражающее λ2

12 - Датчик углового положения ротора

13 - Датчик углового положения на вращающемся роторе конструкции

14 - Неподвижная часть корпуса устройства

15; 17; 19 - Объективы на λ2

16 - Полевая диафрагма

18 - Оптический фильтр на λ2

20 - Сенсор на λ2

21 - Электродвигатель (не показан)

22 - Лазер

23 - Блок накачки лазера

24 - Глухое зеркало

25; 26; 28 - Объективы на λ1

27 - Оптический фильтр на λ1

29 - Сенсор на λ1

30 - Кристалл КТР

31 - Шток с зубчатой рейкой

32 - Сектор шестеренки

33 - Беличье колесо

34 - Биметаллическая пластина

35 - Крепления пластин

36 - Металлическая пластина

37 - Процессор

38 - Блок питания.

Изобретение относится к области лазерной техники и касается оптико-механического модулятора добротности с функцией коммутатора и преобразователя длины волны излучения. Оптико-механический затвор представляет собой устройство, включающее оптико-механический блок, блок питания, процессор управления и сборную призму, расположенную на вращающемся роторе электромотора оптико-механического блока. Кроме того, за сборной призмой, соосно с ее оптической осью, устанавливается сборка с кристаллом преобразователя длины волны импульсного лазера, обеспечивающая получение за один оборот ротора излучения с двумя длинами волн. Первое излучение имеет длину волны, равную длине волны импульсного лазера. Второе излучение имеет длину волны, преобразованную кристаллом. Все оптические элементы устройства изготавливаются из оптического лейкосапфира. Технический результат заключается в уменьшении веса и габаритов устройства. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Оптико-механический модулятор добротности с функцией коммутатора и преобразователя длины волны излучения импульсного лазера (ОМ3-КП) представляет собой устройство, включающее оптико-механический блок, блок питания и процессор управления, а также сборную призму на вращающемся роторе электромотора оптико-механического блока, отличающийся тем, что за сборной призмой с одного конца соосно с ее оптической осью устанавливается дополнительная сборка с кристаллом преобразователя длины волны импульсного лазера, что обеспечивает два излучения за один оборот ротора: длина волны одного равна длине волны импульсного лазера, другое имеет длину волны, преобразованную кристаллом, причем универсальность преобразования для различных длин волн обеспечивается применением для всех элементов оптики ОМ3-КП оптического лейкосапфира (Al₂O₃).

2. Оптико-механический модулятор добротности с функцией коммутатора и преобразователя длины волны излучения импульсного лазера (ОМ3-КП) по п. 1, отличающийся тем, что на вращающемся роторе электромотора, который монтируется внутри оптико-механического блока, установлена сборка, состоящая из двух пластин, скрепленных вместе на одном конце, одна пластина - металлическая, а другая - биметаллическая, с разным коэффициентом температурного расширения, на незакрепленном конце которой установлен шток с зубчатой рейкой, сопряженной с сектором шестеренки, вращающей сборку с кристаллом, с закрепленной в ней шестеренкой, вмонтированную в ротор электродвигателя оптико-механического блока, а поворот сборки с кристаллом на расчетный угол осуществляется за счет прогиба биметаллической пластины со штоком.