ЛАЗЕР С МОДУЛИРОВАННОЙ ДОБРОТНОСТЬЮ РЕЗОНАТОРА Российский патент 2016 года по МПК H01S3/123 

Изобретение относится к технике лазеров, а именно к лазерам с модуляцией добротности лазерного резонатора изменением положения одного из его зеркал.

Известны лазеры для формирования гигантских лазерных импульсов [1] путем включения добротности лазерного резонатора с помощью модуляторов добротности (затворов). Все они имеют те или иные недостатки - большую себестоимость, высокие управляющие напряжения, недостаточную надежность и эксплуатационную стойкость.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является лазер с резонатором, состоящим из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно, а второе снабжено приводом и имеет возможность вращения таким образом, чтобы в одном из положений вращающееся и неподвижное зеркала резонатора становились параллельными [2]. В этом положении зеркал обеспечивается высокая добротность резонатора, достаточная для развития лазерной генерации. Скорость вращения зеркала в момент высокой добротности резонатора должна быть достаточной для возникновения лавинообразной генерации гигантского импульса. Оптимальная скорость вращения зеркала для разных типов лазеров составляет 10-20 тыс. об/мин. В качестве вращающегося зеркала обычно используют призму полного внутреннего отражения, обладающую высокими отражательными характеристиками и некритичную к наклонам оси вращения. В известном устройстве [2] приводом призмы является высокооборотный электродвигатель. Недостатки этого решения - относительно высокие габариты и недостаточная надежность существующих двигателей, а также создаваемые ими электрические и магнитные помехи. Последнее особенно недопустимо при наличии в составе системы, включающей лазер, чувствительных к таким помехам устройств, например электронного компаса.

Задачей изобретения является повышение надежности и быстродействия и снижение электрических и магнитных помех и наводок при минимальных габаритах и минимальной себестоимости лазера.

Эта задача решается за счет того, что в известном лазере с модулированной добротностью резонатора, включающем активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно, а второе снабжено приводом и имеет возможность вращения таким образом, чтобы в рабочем положении зеркала были параллельны, вращающееся зеркало в исходном положении развернуто относительно рабочего положения на угол φ, привод представляет собой токопроводящий стержень, один конец которого закреплен на неподвижном основании, а второй имеет возможность продольного перемещения и эксцентрично опирается на вращающееся зеркало так, чтобы при продольном перемещении подвижного конца стержня зеркало могло вращаться, перемещаясь до рабочего положения, причем токопроводящий стержень подключен своими концами через ключ к источнику электропитания, а угол , где

W₀ - заданная угловая скорость вращающегося зеркала в момент наивысшей добротностим резонатора,

J - момент инерции вращения зеркала,

М - вращающий момент, создаваемый приводом.

Токопроводящий стержень может быть снабжен ограничителем поперечных деформаций.

На фиг. 1 представлена схема лазера. Фиг. 2 поясняет принцип действия устройства. На фиг. 3 показан вариант компоновки привода с ограничителем боковых деформаций. На фиг. 4 изображен вариант с несколькими проводниками, скрепленными вместе и соединенными последовательно по току. На фиг. 5 представлена конфигурация устройства с вращающимся зеркалом в виде призмы полного внутреннего отражения.

Устройство (фиг. 1) состоит из резонатора, образованного подвижным 1 и вращающимся 2 зеркалами, между которыми размещен активный элемент лазера 3. Вращающееся зеркало снабжено приводом 4, связанным с источником электропитания 5 через ключ 6. Привод 4 выполнен в виде токопроводящего стержня (фиг. 2) опертого одним концом в неподвижное основание, а другим во вращающееся зеркало 2. Концы стержня подключены к источнику питания 5 через ключ 6. Для фиксации стержня в исходном положении служит упор 7, а для возврата в исходное положение - пружина 8.

Лазер работает следующим образом.

В исходном состоянии вращающееся зеркало 2 расположено под углом φ к неподвижному зеркалу 1. При этом добротность резонатора, образуемого этими зеркалами, недостаточна для возникновения лазерной генерации. При замыкании ключа 6 через токопроводящий стержень 4 начинает протекать ток, вызывающий нагревание стержня. Вследствие температурного расширения стержня его незакрепленный конец давит на зеркало 2, вызывая его вращение. Когда приводимое таким образом во вращение зеркало становится параллельным неподвижному зеркалу, добротность резонатора возрастает до уровня, достаточного для возникновения генерации гигантского лазерного импульса. Скорость возрастания добротности резонатора должна быть соизмерима со скоростью развития генерации, известной для каждого типа лазеров. Это налагает соответствующие требования к скорости W вращения зеркала 2, которая в положении высокой добротности должна быть порядка 500-2000 рад/сек.

Токопроводящий стержень может иметь круглое или прямоугольное сечение - для обеспечения жесткости в одном из поперечных направлений. С целью повышения жесткости можно также использовать несколько проводников с механически скрепленными с помощью обоймы 11 концами (фиг. 4). В последнем случае, как показано на чертеже, целесообразно соединять проводники последовательно по току. При этом растет электрическое сопротивление токопроводящего стержня и повышается коэффициент полезного действия источника питания.

Объем токопроводящего стержня должен быть минимальным для его быстрого разогрева и снижения энергозатрат. С этой целью при заданной длине он должен иметь минимальное поперечное сечение. Для обеспечения его жесткости в поперечном направлении могут быть введены ограничители боковых деформаций. Это позволяет увеличить усилие, создаваемое стержнем в продольном направлении. На фиг. 2 показан вариант такой конструкции. Токопроводящий ленточный стержень 4 левым концом закреплен на корпусе лазера 9 и может свободно перемещаться при тепловом расширении. С противоположной от корпуса стороны установлен ограничитель 10. Зазор Δ, в котором перемещается стержень, не позволяет ему изгибаться в поперечном направлении, тем самым обеспечивая его способность выдерживать заданные нагрузки в продольном направлении. Например, при длине токопроводящего стержня L₀=20 мм, ширине зазора Δ=0,05 мм и рабочем усилии F=0,1 Н максимальное поперечное усилие не превышает величины 2FΔ/L₀=2·0,1·0,05/20=0,0005 Н, что допустимо для опертого на два конца нихромового стержня при его толщине 0,1 мм и ширине 0,1 мм и более.

Если вращающееся зеркало выполнено в виде призмы полного внутреннего отражения с равными сторонами ее гипотенузной грани (фиг. 5), то справедливы следующие расчетные соотношения [3].

Момент инерции вращения призмы J=J_x~ma²/10, где

а - сторона гипотенузной грани призмы;

m=ρ·а³/4 - масса призмы;

ρ - плотность материала призмы.

Угловое ускорение Е призмы под действием вращающего момента М=Fr:

E=M/J,

где F - сила; r - плечо (фиг. 2).

Линейное ускорение точки приложения силы A=Er.

Угловая скорость W=Eτ призмы через время τ после начала воздействия силы F.

Линейное перемещение S=Аτ²/2 точки приложения силы F, оказываемой токопроводящим стержнем при его температурном расширении.

Угловое перемещение φ=arctg(S/r) точки приложения силы F.

Температурное приращение длины токопроводящего стержня S=αLΔT (фиг. 3).

где α - коэффициент линейного расширения;

ΔT - перепад температуры.

Энергия E_T=βm_TΔT, необходимая для нагрева токопроводящего стержня.

где β - теплоемкость;

m_T=ρ_TV_T - масса стержня;

ρ_T - плотность материала стержня;

V_T - объем стержня.

Пример.

ρ=2550 кг/м³; а=2·10^-3 м.

m=ρа³/4=2550·8·10^-9/4~5·10^-6 кг.

J_x~ma²/10=5·10^-6·4·10^-6/10~2·10^-12 кгм².

Пусть F=0,02 Н; r=2·10^-3 м.

Тогда М=4·10^-5 Нм.

Е=4·10^-5/2·10^-12=2·10⁷ рад/с².

Линейное ускорение точки приложения силы А=Er=2·10⁷·2·10^-3=4·10⁴ м/с².

При τ=10^-4 с.

W=Еτ=2·10⁷·10^-4=2·10³ рад/с.

Эквивалентная частота вращения w=W/6,28~320 об/с ~ 20000 об/мин.

А=4·10⁴ м/с²; τ=10^-4 с.

S=2·10⁴·10^-8/2=10^-4 м = 0,1 мм.

При r=2 мм.

φ=arctg(S/r)=arctg(0,1/2)~2,9°.

α=18·10^-6 1/град (стержень из нихрома); L=10 мм; ΔL=0,1 мм.

ΔT=ΔL/αL=0,1/(18·10^-6·10)=10000/18~555°.

Пусть габариты токопроводящего стержня 0,01×0,01×1 см. Объем V_T=10^-4 см³.

У нихрома ρ_T=7,94 г/см³; β=0,48 Дж/кгК при 25°C; 0,76 Дж/кгК при 800°C. В среднем для температуры 25+250=275°C теплоемкость β=0,57 Дж/кгК. Масса стержня

m_T=ρ_T·V_T=7,94·10^-4=8·10^-4 г = 8·10^-7 кг.

Е_т=βm_TΔT=0,57·8·10^-7·555=0,25 мДж.

Характеристики источника питания.

Потребляемая токопроводящим стержнем мощность

Р_T=Е_T/τ.

Для рассматриваемого примера

Р_T=Е_T/τ=0,25 мДж/0,1 мс = 2,5 Вт.

Мощность, выделяемая в проводнике сопротивлением R_T

$$P_T=I_T^2\cdot R_T$$

Сопротивление R_T=ρ_RL_T/S_T~10^-6·10^-2/(0,1·0,1)·10^-6=1 Ом,

где ρ_R~1 мкОм·м - удельное сопротивление нихрома, L_T=0,01 м - длина токопроводящего стержня; St - поперечное сечение стержня.

Потребляемый ток

I_Т=(Р_T/R_T)^0,5=(2,5/1)^0,5=1,6 А.

Напряжение источника

U_T=Р_T/I_T=2,5/1,6~1,6 В.

Средняя потребляемая мощность Р_ср=Е_T·f_изл, где f_изл - частота излучений лазера.

При f_изл=1 с^-1 средняя потребляемая мощность составляет 2,5 мВт.

Согласно приведенным результатам, предлагаемый лазер с модулированной добротностью обладает минимальными габаритами механических составных частей и минимальной потребляемой мощностью при максимальном быстродействии: время разгона вращающегося зеркала составляет 0,1 мс и менее, тогда как ближайший аналог [2] имеет время разгона не менее 30 мс. Простота и низкое энергопотребление устройства обеспечивают его высокую надежность. По этим параметрам предлагаемый лазер превосходит ближайший и другие известные аналоги. Низкое напряжение питания и отсутствие трущихся контактов и магнитных элементов обеспечивают минимальный уровень паразитных электрических воздействий на другие элементы лазера и комплексной системы с ним.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает решение поставленной задачи, а именно повышение надежности и быстродействия и снижение электрических и магнитных помех и наводок при минимальных габаритах и минимальной себестоимости лазера.

Источники информации

1. В.А. Волохатюк и др. Вопросы оптической локации. Под ред. P.P. Красовского. Изд. «Советское радио», М., 1971 г., стр. 196.

2. «Справочник по лазерной технике». Под ред. Ю.В. Байбородина, Л.З. Криксунова, О.Н. Литвиненко. Изд. «Техника», Киев, 1978 г., стр. 152-154. - Прототип.

3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.1. Механика. 3-е изд. М.: Наука, 1989, §53 (http://genphys.phys.msu.ru/ras/lab/mech/opis7/i2.htm).

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер с модулированной добротностью резонатора включает активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно, а второе снабжено приводом и имеет возможность вращения таким образом, чтобы в рабочем положении зеркала были параллельны. Вращающееся зеркало в исходном положении развернуто относительно рабочего положения на угол φ, привод представляет собой токопроводящий стержень, один конец которого закреплен на неподвижном основании, а второй имеет возможность продольного перемещения и эксцентрично опирается на вращающееся зеркало так, чтобы при продольном перемещении подвижного конца стержня зеркало могло вращаться, перемещаясь до рабочего положения, причем токопроводящий стержень подключен своими концами через ключ к источнику электропитания, а угол где W₀ - заданная угловая скорость вращающегося зеркала в момент наивысшей добротности резонатора, J - момент инерции вращения зеркала, М - вращающий момент, создаваемый приводом. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения надежности и быстродействия лазера. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Лазер с модулированной добротностью резонатора, включающий активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно, а второе снабжено приводом и имеет возможность вращения таким образом, чтобы в рабочем положении зеркала были параллельны, отличающийся тем, что вращающееся зеркало в исходном положении развернуто относительно рабочего положения на угол φ, привод представляет собой токопроводящий стержень, один конец которого закреплен на неподвижном основании, а второй имеет возможность продольного перемещения и эксцентрично опирается на вращающееся зеркало так, чтобы при продольном перемещении подвижного конца стержня зеркало могло вращаться, перемещаясь до рабочего положения, причем токопроводящий стержень подключен своими концами через ключ к источнику электропитания, а угол где
W₀ - заданная угловая скорость вращающегося зеркала в момент наивысшей добротности резонатора,
J - момент инерции вращения зеркала,
М - вращающий момент, создаваемый приводом.

2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что токопроводящий стержень снабжен ограничителем поперечных деформаций.