СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫМ РЕЖИМОМ ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЛАЗЕРНОЙ УСТАНОВКЕ НА ОСНОВЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА НА КРИСТАЛЛЕ Nd:YAG С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ АКТИВНОЙ СРЕДЫ Российский патент 2016 года по МПК H01S3/941 H01S3/136 

Изобретение относится к области твердотельных лазеров с диодной накачкой, а конкретно к способам управления режимом воздействия лазерного излучения, и может быть использовано в медицине, например в косметологии при выборе деликатного режима воздействия лазерного излучения на биологическую ткань.

Известно устройство для электромагнитной терапии (патент РФ на изобретение №2209097, 27.07.2003), содержащее блок, включающий матрицы лазерных диодов и фотоприемников, подключенных к блоку управления. В матрицу лазерных диодов вложена матрица оптических модуляторов. Устройство позволяет корректировать параметры воздействующих факторов и изменять схему лечебной процедуры.

Для введения устройства в рабочий режим необходимо реализовать способ управления предварительно подобранным режимом генерации лазерного излучения. При этом блок управления формирует временные интервалы работы матрицы лазерных диодов, матрицы оптических модуляторов и вырабатывает сигналы управления для блока стабилизаторов тока лазерных диодов. По этим сигналам управления меняются величины стабилизированных токов лазерных диодов и, следовательно, уровни излучаемой ими мощности. При необходимости часть лазерных диодов можно выключить.

Недостаток аналога состоит в конструктивной сложности системы реализации подобранного режима.

Известна лазерная установка на основе твердотельного лазера с диодной накачкой активной среды (в частности на кристалле Nd:YAG) - прототип (патент РФ на полезную модель №133356, 10.102013), содержащая лазерный диод, амплитудный модулятор лазерного излучения, а также блок управления амплитудным модулятором и питанием лазерного диода.

Данная установка может быть работоспособна при реализации способа управления импульсным режимом генерации отдельных пачек импульсов или в импульсно-периодическом режиме генерации. В случае генерации отдельных пачек импульсов способ состоит в первоначальном задании посредством блока управления амплитудным модулятором и питанием лазерного диода режима холостого тока лазерного диода при открытом амплитудном модуляторе. Для того чтобы не возникал преждевременный процесс лазерной генерации в лазерном диоде, величина его холостого тока не превышает величины порогового значения. После включения рабочего импульсного режима питания лазерного диода для накачки активной среды в каждом импульсе через временной интервал, определяемый временем разогрева диодного лазера и рабочей среды (Δt), в блоке управления модулятором включается импульсное низкочастотное управляющее напряжение. В результате может быть сформирован режим генерации пачки импульсов с одинаковой энергией отдельных импульсов в пачке. То есть включают параллельно с режимом питания лазерного диода импульсный режим работы амплитудного модулятора. При этом в каждом импульсе режима работы амплитудного модулятора обеспечены предварительная подготовка модулятора (заперт либо открыт) к подаче управляющего напряжения в зависимости от режима генерации лазерного излучения на первой или на второй гармонике и дальнейшее включение модулятора от управляющего напряжения. Подача импульсного низкочастотного управляющего напряжения на амплитудный модулятор от блока управления амплитудным модулятором в пределах импульса должна быть осуществлена исходя из теоретических предпосылок согласно физике происходящих в лазерной системе процессов (связанных, в частности, с наличием временных зависимостей тепловой линзы и температуры лазерного диода) с временной задержкой относительно включения питания лазерного диода.

Отсутствие корректного управления режимами работы линеек лазерных диодов и амплитудными модуляторами, связанное с неопределенностью времени запаздывания, приводит к следующему недостатку. Недостаток состоит в нестабильности энергии отдельных импульсов в пачке импульсов генерации (реально согласно экспериментам происходит либо завал переднего фронта пачки импульсов, при котором энергия импульсов к концу пачки постепенно растет, либо первые импульсы в пачке имеют наибольшую величину, либо все импульсы в пачке имеют разную величину), что искажает величины дозируемого излучения, воздействующего на биологическую ткань, снижает воспроизводимость величины дозируемого излучения и может привести к нежелательным повреждениям биологической ткани.

Задача управления режимом генерации лазерного излучения и соответственно режимом его воздействия на объект стоит особенно остро в области использования лазеров в медицинских целях, например в косметологии (лечение сосудистой патологии кожи, фотодинамической терапии и пр.). Задача состоит в разработке способа управления режимом генерации лазерного излучения, позволяющего обеспечить деликатность воздействия лазерного излучения на биологические ткани, что определяется воспроизводимостью генерационных параметров лазерного излучения: средняя и импульсная мощность, энергия импульсов в пачке, то есть воспроизводимостью дозирования мощности облучения.

Технический результат состоит в обеспечении стабильного импульсного режима генерации лазерного излучения (как в импульсно-периодическом режиме генерации, так и в режиме генерации отдельных пачек импульсов). Это позволит создать требуемые условия применения лазера, состоящие в воспроизводимости величины дозируемого излучения.

Данный технический результат достижим за счет того, что в отличие от известного способа управления импульсным режимом генерации лазерного излучения в лазерных установках Способ управления импульсным режимом генерации лазерного излучения в лазерной установке на основе твердотельного лазера на кристалле Nd:YAG с диодной накачкой активной среды, содержащих лазерный диод, амплитудный модулятор лазерного излучения, а также блок управления амплитудным модулятором и питанием лазерного диода, состоящий в первоначальном задании посредством блока управления амплитудным модулятором и питанием лазерного диода режима холостого тока лазерного диода при открытом амплитудном модуляторе, причем величина холостого тока не превышает величины порогового значения, последующем включении рабочего импульсного режима питания лазерного диода для накачки активной среды, включении параллельно с режимом питания лазерного диода импульсного режима работы амплитудного модулятора, при этом в импульсе режима работы амплитудного модулятора обеспечены предварительная подготовка модулятора к подаче управляющего напряжения и дальнейшее включение модулятора от управляющего напряжения, причем подача импульсного низкочастотного управляющего напряжения на амплитудный модулятор от блока управления амплитудным модулятором в пределах импульса осуществлена с временной задержкой относительно включения питания лазерного диода, в предложенном способе подачу на амплитудный модулятор импульсного низкочастотного управляющего напряжения относительно включения питания лазерного диода в импульсе обеспечивают с временной задержкой Δt, определяемой из условия Δt≥Δt_мин=100(11-5α)t_Ж, где Δt_мин - минимальная величина времени задержки подачи на амплитудный модулятор импульсного низкочастотного управляющего напряжения, t_Ж - время жизни активного центра лазерной среды на верхнем уровне рабочего перехода, а $\alpha =\frac{P_{нак}}{P_{нак}^{пор}}$ - параметр накачки, показывающий превышение мощности накачки $P_{нак}$ над пороговым значением $P_{нак}^{пор}$ , при этом область изменения величины $\alpha$ для осуществления ровной пачки импульсов находится в пределах $\mathrm{1,6}\le \alpha \le \mathrm{2,0}$ .

Способ управления в конкретном случае может отличаться тем, что для генерации на первой гармонике предварительная подготовка модулятора к подаче управляющего напряжения в пределах одного импульса состоит в подаче на модулятор запирающего напряжения до момента подачи на него управляющего напряжения. Кроме того, способ управления в конкретном случае может отличаться тем, что для генерации на второй гармонике предварительная подготовка модулятора к подаче управляющего напряжения в пределах одного импульса состоит в обеспечении открытого состояния модулятора до момента подачи на него управляющего напряжения.

Возможность достижения технического результата подтверждается следующим.

Лазер может работать как в импульсно-периодическом режиме генерации, так и в режиме генерации отдельных пачек импульсов.

Согласно проведенным экспериментам для неодимовых лазеров с диодной накачкой в случае генерации лазерного излучения в режиме отдельных пачек импульсов можно выделить несколько видов нестабильного режима генерации:

1. Завал переднего фронта пачки, при котором энергия импульсов к концу пачки постепенно растет.

2. Первые импульсы в пачке имеют наибольшую величину.

3. Все импульсы в пачке имеют разную величину.

Первый вид нестабильности связан с разогревом диодной линейки накачки. При росте температуры увеличивается длина волны излучения диодных лазеров и постепенно начинает совпадать со спектральной полосой наибольшего поглощения ионами неодима в кристалле. Это эквивалентно увеличению мощности накачки.

Два других вида нестабильности имеют более сложную причину и, возможно, связаны с перераспределением населенностей энергетических уровней активной среды (в данном случае - ионов неодима) в процессе генерации в режиме модуляции добротности резонатора.

То есть с учетом физики протекающих в лазерной системе процессов отсутствие корректного режима управления лазерным диодом и амплитудным модулятором в лазерных установках на основе твердотельного неодимового лазера с диодной накачкой активной среды, связанное с переходными процессами, приводит к нестабильности режима генерации импульсов, что подтверждается фиг.1, фиг.2, где приведены осциллограммы генерации неодимового лазера на первой и второй гармониках в качестве доказательства нестабильности режима генерации. Используются два способа включения лазера. 1-й способ: сначала включается накачка, а затем модулятор. 2-й способ: сначала включается модулятор, а затем накачка. Фиг.1 и фиг.2 показывают, что, независимо от порядка включения накачки и модулятора, результатом является нестабильность режима генерации импульсов.

Прототип (патент на полезную модель №133356) при описании работы заявляемой установки показывает принципиальную возможность реализации режима стабильной генерации лазерного излучения с обеспечением воспроизводимости величины дозируемого излучения. Однако реальное существование этого режима недостаточно изучено в рамках полезной модели. Ясно, что необходимо создание условий работы лазерной системы в режиме генерации импульсов, которые сводят к минимуму влияние переходных процессов, приводящих к установлению рабочего режима при накачке рабочей среды, на стабильность генерации импульсов. Заявленный подход позволяет решить эту проблему.

В общем виде разрешение этой ситуации с точки зрения реального формирования стабильного режима генерации пачки импульсов возможно посредством заявляемого способа управления режимом генерации лазерного излучения при обеспечении временной задержки подключения модулятора относительно включения лазерного диода.

В результате проведенных исследований было установлено:

1. Существование зависимости оптимального времени задержки включения амплитудного оптического модулятора (акустооптический или электрооптический) от превышения мощности накачки над пороговым значением (с точки зрения равных по амплитуде импульсов в пачке генерируемых импульсов (ровной пачки импульсов, пачки импульсов П-образной (прямоугольной) формы) без формирования вышеназванных видов нестабильного режима генерации импульсов).

2. Получено выражение, связывающее величину Δt_мин минимального времени задержки включения амплитудного модулятора относительно включения питания лазерного диода с параметром накачки $\alpha =\frac{P_{нак}}{P_{нак}^{пор}}$ , показывающим превышение мощности Р_нак накачки над пороговым значением.

В основе этого подхода лежат эксперименты, по результатам которых установлено следующее.

Минимальная величина $\Delta t_{\min }^{зад}$ времени задержки подачи на амплитудный модулятор импульсного низкочастотного управляющего напряжения, при которой форма пачки импульсов зависит от величины мощности накачки $P_{нак}$ .

Для получения аналитического выражения этой зависимости были выбраны две безразмерные величины:

безразмерное время задержки $\tau =\frac{\Delta t_{\min }^{зад}}{t_{ж}}$ , где $t_{ж}$ - время жизни активного центра лазерной среды на верхнем уровне рабочего перехода и безразмерная величина - параметр накачки $\alpha =\frac{P_{нак}}{P_{нак}^{пор}}$ , где $P_{нак}^{пор}$ - пороговое значение мощности накачки, показывающий превышение мощности накачки $P_{нак}$ над пороговым значением $P_{нак}^{пор}$ . Можно также определить параметр $\alpha$ через величину тока диодной линейки:

$\alpha =\frac{I_{нак}}{I_{нак}^{пор}}$ , где $I_{нак}$ - ток диодной линейки, а $I_{нак}^{пор}$ - величина тока диодной линейки, при которой выполняется условие порога генерации неодимового лазера.

Таким образом, эмпирическим путем установлено, что для создания условий, препятствующих нестабильному режиму генерации, до подачи на амплитудный модулятор импульсного низкочастотного управляющего напряжения необходимо обеспечить выполнение последовательности этого действия относительно включения питания лазерного диода, а именно с временной задержкой Δt, определяемой из условия Δt≥Δt_мин=100(11-5α)t_Ж, где Δt_мин - минимальное время задержки включения амплитудного модулятора, t_Ж - время жизни активного центра лазерной среды на верхнем уровне рабочего перехода, а $\alpha =\frac{P_{нак}}{P_{нак}^{пор}}$ - параметр накачки, показывающий превышение мощности накачки $P_{нак}$ над пороговым значением $P_{нак}^{пор}$ ; при этом область изменения величины $\alpha$ для осуществления ровной пачки импульсов находится в пределах $\mathrm{1,6}\le \alpha \le \mathrm{2,0}$ .

То есть, с целью создания условий, минимизирующих возможность существования нестабильного режима генерации, связанного как с тепловыми явлениями в лазерном диоде, так и с другими физическими процессами, установлен временной диапазон, в рамках которого происходит стабилизация переходных процессов и выход лазерного диода и рабочей среды на рабочий режим. При управлении режимом лазерной генерации следствием соблюдения установленной последовательности включений лазерного диода и акустического модулятора в сочетании с заявляемым режимом их относительной временной задержки является формирование пачки импульсов П-образной (прямоугольной) формы, что говорит о формировании режима генерации пачек импульсов с одинаковой энергией отдельных импульсов в пачке, а следовательно, и о воспроизводимости величины дозируемого излучения за счет стабилизации режима генерации.

Найденная зависимость наблюдается для разных диодных накачек (диодных линеек); разных кристаллов АИГ:Nd³⁺(Nd:YAG); разных схем резонатора.

На фиг.1-4 изображены осциллограммы генерации неодимового лазера на первой и второй гармониках.

На фиг. 1: осциллограмма генерации неодимового лазера на первой гармонике. Сначала включается накачка.

На фиг. 2: осциллограмма генерации неодимового лазера на первой гармонике. Сначала включается модулятор.

На фиг. 3: осциллограмма генерации неодимового лазера на второй гармонике. Сначала включается накачка.

На фиг. 4: осциллограмма генерации неодимового лазера на второй гармонике. Сначала включается модулятор.

На фиг. 5 изображен алгоритм включения источника питания диодной накачки и управления модулятором для генерации первой гармоники, где ток на диодной линейке (а), напряжение на модуляторе (b), осциллограмма генерации (с).

На фиг. 6: осциллограмма генерации неодимового лазера на первой гармонике.

На фиг. 7 изображен алгоритм включения источника питания диодной накачки и управления модулятором для генерации второй гармоники, где ток на диодной линейке (а), напряжение на модуляторе (b), осциллограмма генерации (с).

На фиг. 8: осциллограмма генерации неодимового лазера на второй гармонике.

Способ управления реализован для лазера на кристаллах Nd:YAG с диодной накачкой, работающего в режиме модуляции добротности резонатора, управляемой акустооптическим модулятором.

Работа установки на волне второй гармоники такова. Генерация пачек импульсов с амплитудным (акустооптическим) модулятором (фиг.7). Первоначально при открытом акустооптическом модуляторе устанавливается режим холостого тока диодного лазера, величина которого не должна превышать величины порогового значения (чтобы не возникала лазерная генерация). После нажатия педали «Старт» установка переходит в рабочий импульсно периодический режим питания диодного лазера. Через временной интервал (Δt) (временная задержка), определенный в соответствии с заявляемым способом, в блоке управления акустооптическим модулятором включается импульсное низкочастотное управляющее напряжение. При этом в каждом импульсе режима работы акустооптического модулятора обеспечена предварительная подготовка модулятора к подаче управляющего напряжения, акустооптический модулятор открыт до момента подачи на него управляющего напряжения. С момента нажатия педали «Старт» до включения импульсного низкочастотного управляющего напряжения лазер работает в свободном режиме генерации с низким значением импульсной мощности. За этот временной интервал происходит нагревание нелинейного кристалла второй гармоники до оптимальной температуры, необходимой для осуществления синхронизма. В результате формируется режим генерации пачек импульсов с одинаковой энергией отдельных импульсов в пачке (фиг.8). С увеличением тока диодного лазера сокращается временной интервал (Δt) разогрева рабочей среды и диодного лазера. Длительность импульса составляет 10 нс÷100 нс. Частота следования импульсов может изменяться в диапазоне от 0,1 Гц до 100 кГц, длительность пачки и длительность паузы между пачками могут изменяться в диапазоне 1-10000 мс.

Работа установки на волне первой гармоники такова. Генерация пачек импульсов (фиг.5). Первоначально устанавливается режим холостого тока диодного лазера, величина которого не должна превышать величины порогового значения (чтобы не возникала лазерная генерация). После нажатия педали «Старт» установка переходит в рабочий режим питания диодного лазера, а на акустооптическом модуляторе устанавливается запирающее напряжение (предварительная подготовка к подаче управляющего напряжения). Через временной интервал (Δt) (временная задержка) в блоке управления акустооптическим модулятором включается импульсное низкочастотное управляющее напряжение. В результате формируется режим генерации пачек импульсов с одинаковой энергией отдельных импульсов в пачке (фиг.6). Длительность импульса составляет 10 нс÷100 нс. Частота следования импульсов может изменяться в диапазоне от 0,1 Гц до 100 кГц, длительность пачки и длительность паузы между пачками могут изменяться в диапазоне 1-10000 мс.

Генерация одиночного импульса с акустооптическим модулятором. Первоначально устанавливается режи холостого тока диодного лазера, величина которого не должна превышать величины порогового значения (чтобы не возникала лазерная генерация). После нажатия педали «Старт» установка переходит в рабочий режим питания диодного лазера, а на акустооптическом модуляторе устанавливается запирающее напряжение. Через временной интервал, определяемый временем разогрева лазерного диода и рабочей среды (Δt), в блоке управления модулятором включается один импульс управляющего напряжения. В результате формируется режим генерации одиночного импульса. Длительность импульса составляет 10 нс÷100 нс.

Эксперимент проводился только с лазером на кристаллах Nd:YAG, поэтому время жизни имеет конкретную величину $t_{ж}$ =0,25 мс. Результаты проведенных экспериментов выявили линейную зависимость времени задержки от мощности накачки $\tau \left(\alpha \right)$ .

В числовом выражении эта зависимость имеет вид:

$\tau =\left(11-5\alpha \right)\cdot {10}^2$

Если брать величину времени задержки меньше величины, определяемой данным выражением, то наблюдается неравномерность амплитуды импульсов на переднем фронте пачки, что говорит об отсутствии воспроизводимости величины дозируемого излучения.

Также экспериментально найдена область изменений величины $\alpha$ :

$\mathrm{1,6}\le \alpha \le \mathrm{2,0}$ . Установлено, что когда $\alpha$ превышает значение $\alpha$ =2,0, то отдельные импульсы генерации в пачке начинают принимать разные значения и пачка становится неровной. Если величина параметра $\alpha$ меньше значения $\alpha$ =1,6, то ни при каких задержках не удается получить П-образную пачку, заполненную импульсами равной амплитуды (воспроизводимость величины дозируемого излучения отсутствует). Т.е. указанные пределы изменения $\alpha$ установлены экспериментально, и являются обязательными для реализации.

Время задержки также ограничено сверху. Вблизи малых значений $\alpha$ ≈ (1,6 ÷ 1,8) величина $\tau$ порядка 3,5 ÷ 3,8. При большей величине накачки равномерность пачки импульсов начинает нарушаться при $\tau$ ≈ 4,0. Характерного вида зависимости не наблюдается.

В эксперименте использовались:

1. Кристаллы Nd:YAG из разных партий (но только кристаллы Nd:YAG);

2. Разные диодные линейки;

3. Разные акустооптические модуляторы;

4. Разные семы оптических резонаторов лазера;

5. Разные блоки управления лазерами и модулятором.

Таким образом, заявляемый способ управления охватывает режимы генерации неодимового лазера (Nd:YAG) с диодной накачкой с акустооптическим модулятором добротности резонатора, на первой гармонике и на второй гармонике, а также два режима работы: импульсно-периодический с формированием последовательных пачек импульсов и формирование одной пачки импульсов и позволяет при реализации заявленных режимов управления обеспечить воспроизводимость величины дозируемого излучения, что выполняется вследствие стабильного режима генерации.

Изобретение относится к способу управления импульсным режимом генерации лазерного излучения в лазерной установке на основе твердотельного лазера на кристалле Nd:YAG с диодной накачкой активной среды. При реализации способа обеспечивают подачу на амплитудный модулятор импульсного низкочастотного управляющего напряжения относительно включения питания лазерного диода с временной задержкой Δt, определяемой из условия Δt≥Δt_мин=100(11-5α)t_Ж, где Δt_мин - минимальная величина времени задержки подачи на амплитудный модулятор импульсного низкочастотного управляющего напряжения, t_Ж - время жизни активного центра лазерной среды на верхнем уровне рабочего перехода, а $\alpha =\frac{P_{нак}}{P_{нак}^{пор}}$ - параметр накачки, показывающий превышение мощности накачки $P_{нак}$ над пороговым значением $P_{нак}^{пор}$ . Область изменения величины $\alpha$ для осуществления ровной пачки импульсов находится в пределах $\mathrm{1,6}\le \alpha \le \mathrm{2,0}$ . Технический результат заключается в обеспечении стабильного импульсного режима генерации лазерного излучения. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ управления импульсным режимом генерации лазерного излучения в лазерной установке на основе твердотельного лазера на кристалле Nd:YAG с диодной накачкой активной среды, содержащих лазерный диод, амплитудный модулятор лазерного излучения, а также блок управления амплитудным модулятором и питанием лазерного диода, состоящий в первоначальном задании посредством блока управления амплитудным модулятором и питанием лазерного диода режима холостого тока лазерного диода при открытом амплитудном модуляторе, причем величина холостого тока не превышает величины порогового значения, последующем включении рабочего импульсного режима питания лазерного диода для накачки активной среды, включении параллельно с режимом питания лазерного диода импульсного режима работы амплитудного модулятора, при этом в импульсе режима работы амплитудного модулятора обеспечены предварительная подготовка модулятора к подаче управляющего напряжения и дальнейшее включение модулятора от управляющего напряжения, причем подача импульсного низкочастотного управляющего напряжения на амплитудный модулятор от блока управления амплитудным модулятором в пределах импульса осуществлена с временной задержкой относительно включения питания лазерного диода, отличающийся тем, что подачу на амплитудный модулятор импульсного низкочастотного управляющего напряжения относительно включения питания лазерного диода в импульсе обеспечивают с временной задержкой Δt, определяемой из условия Δt≥Δt_мин=100(11-5α)t_Ж, где Δt_мин - минимальное время задержки включения амплитудного модулятора, t_Ж - время жизни активного центра лазерной среды на верхнем уровне рабочего перехода, а - параметр накачки, показывающий превышение мощности накачки над пороговым значением , причем область изменения величины находится в пределах .

2. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что для генерации на первой гармонике предварительная подготовка модулятора к подаче управляющего напряжения в пределах импульса состоит в подаче на модулятор запирающего напряжения до момента подачи на него управляющего напряжения.

3. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что для генерации на второй гармонике предварительная подготовка модулятора к подаче управляющего напряжения в пределах импульса состоит в обеспечении открытого состояния модулятора до момента подачи на него управляющего напряжения.