ИСТОЧНИК ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК H01S3/10 G02B5/09 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к сумматорам оптического излучения, и может быть использовано для усиления мощности лазерного излучения в волоконно-оптических линиях связи, сетях, информационно-измерительных системах, технологическом оборудовании, в бытовых приборах, медицине, системах опознавания и наведения, для охраны объектов от посторонних и пожара, лазерном оружии, устройствах активного противодействия системам наведения высокоточного оружия и т.п.

Известен источник излучения на основе лазерных диодов (RU 2172972 C1, МПК G02B 27/09, H01S 5/40, опубл. 27.08.2001), излучение которых суммируется оптической системой, например, в виде набора призм для образования общего пучка излучения, который затем с помощью фокусирующей линзы вводится в оптическое волокно [1].

Недостатками известного устройства являются ограниченный спектральный диапазон излучения, связанный с применением оптического волокна, низкий порог вводимой в оптическую систему мощности, и низкая надежность устройства.

Известен источник излучения на основе лазерных диодов (RU 2163048 C1, МПК H01S 3/09, H01S 3/091, опубл. 10.02.2001). Оптическая система устройства содержит отображающее средство, помещенное между излучающими источниками и зоной фокусировки, в которое входит средство формирования излучения и средство фокусировки излучения. Средство формирования включает средство коллимирования излучения и средство для создания суммируемого луча. Лазерное излучение от каждого лазерного диода после коллимирования передается на призматическое средство суммирования и общее коллимирующее средство (цилиндрическая линза). В результате формируется единый однородный пучок, который фокусируется сферическим объективом на торце сердцевины оптического волокна. [2]

Недостатками известного устройства являются ограниченный спектральный диапазон излучения, низкий порог вводимой в оптическую систему мощности и низкая надежность устройства, связанная с необходимостью применения нескольких лазерных диодов с близкими параметрами излучения и вводом суммируемого излучения в оптическое волокно.

Наиболее близким устройством по технической сущности к заявляемому техническому решению, выбранным в качестве прототипа, является источник импульсного лазерного излучения (RU 2477553 C1, МПК H01S 3/10, G02B 27/10, опубл. 10.03.2013), который содержит последовательно соединенные задающий генератор, импульсный лазер, оптический коммутатор, блок согласования со средством оптической задержки, средство оптической задержки, выполненное, например, из отрезков оптического волокна, и имеющее дискретное время задержек оптического импульса, а также оптическое средство суммирования излучения, и фокусирующую систему, при этом выход задающего генератора соединен с управляющим входом оптического коммутатора. Устройство за счет использования оптических линий задержки и дальнейшего суммирования интенсивностей импульсов излучения на выходе линий задержек с помощью оптического средства суммирования излучения позволяет повысить выходную импульсную оптическую мощность излучения. [3]

Недостатком известного устройства, взятого в качестве прототипа, является зависимость интенсивности выходного излучения от количества линий задержки, что ограничивает частотный диапазон генерируемых импульсов оптического излучения, а также приводит к низкой надежности устройства и увеличению его массогабаритных характеристик. При увеличении частотного диапазона оптического (лазерного) излучения необходимо уменьшать длительность импульсов и длину линий задержки, что ограничивает возможности создания таких источников лазерного излучения, работающих на высоких частотах. С другой стороны, при использовании относительно низких частот лазерного излучения длина большого числа линий задержек, используемых в прототипе, может оказаться очень большой, что увеличивает габариты устройства и снижает эффективность его работы вследствие больших потерь в волокне. Кроме того, технически сложно создать надежные элементы оптоэлектроники, такие как оптические коммутаторы с большим количеством коммутируемых выходов, работающие в пикосекундном частотном диапазоне. Также использование в качестве линий задержки оптических волокон, изготовленных, как правило, из плавленого кварца или из оптически прозрачных пластмасс, приводит к ограничению спектрального диапазона лазерного излучения, применяемого в устройстве, до интервала 0,3 - 2,3 мкм [4]. Кроме того, лазерное излучение в устройстве необходимо вводить в сердцевину волокна диаметром несколько десятков или сотен мкм, что приводит к ограничению связанных с оптическим порогом разрушения материала волокна максимальной пиковой мощности и максимальной энергии импульса излучения, формируемого устройством.

Задачей изобретения является снижение количества линий задержки, уменьшение массогабаритных характеристик устройства, расширение спектрального и энергетического диапазонов работы устройства, повышение надежности работы.

Указанная задача решена за счет того, что источник импульсного лазерного излучения содержит задающий генератор, выход которого подключен к импульсному лазеру, оптически связанному с коллимирующим средством. Отличает устройство от известных то, что коллимирующее средство оптически связано со средством кольцевой оптической задержки, выполненное в виде зеркально-призменной системы с полным внутренним отражением, снабженной призмой-компенсатором и системой зеркал с регулируемой зеркальной системой оптической задержки, при этом средство кольцевой зеркально-призменной оптической задержки оптически связано с фокусирующей системой, оптический выход которой является выходом устройства. Дополнительно задающий генератор через счетчик импульсов подключен к коммутирующему устройству.

Положительный технический результат от использования устройства заключается в уменьшении количества линий задержки, а также в улучшении его массогабаритных характеристик, за счет применения одного средства зеркально-призменной задержки вместо большого количества линий задержки, в расширении спектрального и энергетического диапазонов работы за счет исключения из устройства оптических волокон и применения вместо них зеркальных и одного призменного оптических элементов или зеркальных и системы призменных оптических элементов и в повышении надежности устройства за счет исключения из схемы оптического коммутатора.

Состав и принцип действия изобретения поясняются чертежами, где на фиг. 1 приведена структурная схема источника импульсного лазерного излучения, на фиг. 2 - его принципиальная схема, на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу источника импульсного лазерного излучения.

Источник импульсного лазерного излучения содержит последовательно соединенные (перестраиваемый) задающий генератор 1, импульсный лазер 2, коллимирующее средство 3, выполненное в виде линзовой системы цилиндрических или сферических линз или в виде призменной системы, средство кольцевой зеркально-призменной оптической задержки 4, выполненное в виде зеркально-призменной системы, включающей призму или систему призм (призму ПВО или систему призм ПВО) 8 конструкции, которая обеспечивает полное внутреннее отражение, с призмой-компенсатором 9 и систему зеркал 10 от первого до m (M₁…M_m) с регулируемой зеркальной системой оптической задержки 11, управляемое коммутирующее устройство 5 и фокусирующую систему 6 для формирования заданной диаграммы направленности пучка на выходе коммутирующего устройства 5. Блоки 2-6 оптически связаны между собой. Выход (перестраиваемого) задающего генератора 1 соединен через счетчик импульсов 7 с управляющим входом коммутирующего устройства 5. При этом призма ПВО или система призм ПВО 8 и призма-компенсатор 9 изготовлены из оптических материалов, обеспечивающих высокое пропускание лазерного излучения в спектральном диапазоне работы лазера 2, зеркала системы 10, включая зеркальные элементы системы 11, изготовлены из оптических материалов, обеспечивающих высокое отражение лазерного излучения в спектральном диапазоне работы лазера 2. Количество зеркал m системы 9 определяется требуемым временем оптической задержки, а также допустимыми требованиями к массогабаритным показателям устройства. Коммутирующее устройство 5 представляет собой управляемый оптический дефлектор, действующий, например, на основе акустооптического или электрооптического эффектов.

Коэффициент пересчета N счетчика импульсов 7 определяется допустимым затуханием оптического излучения, циркулирующего по кольцевой линии задержки 4, свыше которого за счет потерь в зеркально-призменной системе дальнейшая циркуляция оптических импульсов становится неэффективной.

Источник импульсного лазерного излучения работает следующим образом (см. фиг.2).

Импульсный сигнал с задающего генератора 1 поступает на вход импульсного лазера 2 и управляет его работой. Импульсный лазер 2 формирует импульсы оптического излучения через заданный период Т. Пучок импульсного оптического излучения лазера 2 проходит через коллимирующее средство 3, значительно снижающее расходимость и увеличивающее ширину пучка, который затем поступает на входную грань призмы ПВО или системы призм ПВО 8 под углом 9, при котором после преломления на входной грани падает на выходную грань призмы ПВО или системы призм ПВО (грань ПВО) под критическим углом полного внутреннего отражения и распространяется вдоль грани ПВО. Затем пучок, распространявшийся вдоль грани ПВО, выходит из призмы ПВО или системы призм ПВО 8, не меняя своего направления за счет компенсационной призмы 9. Дальнейший обход пучка в кольцевой линии задержки 4 обеспечивается за счет системы 10 наклонных зеркал М1…Мm. При этом последнее зеркало Mm установлено под углом, при котором пучок, совершивший полный обход в кольцевой линии задержки, поступает на входную грань призмы ПВО или системы призм ПВО 8 под тем же углом 0, что и пучок, вышедший из коллимирующего средства 3. Импульс оптического излучения проходит по кольцевой зеркально-призменной линии задержки 4 в течение временного интервала, при котором на грань ПВО призмы ПВО или системы призм ПВО 8 одновременно в точку синхронизации поступают импульс, совершивший обход, и новый импульс от лазера 2, при этом обеспечивается синхронное суммирование импульсов, и цикл продолжается до определенного количества оборотов N, зависящего от допустимого затухания в зеркально-призменной линии задержки 4. Требуемое время распространения импульса оптического излучения в линии задержки 4 обеспечивается с помощью регулируемой системы оптической задержки 11, состоящей, например, из зеркал М2…М5. При этом количество зеркал системы 11 зависит от требуемого времени оптической задержки и компоновки устройства в целом.

При этом на управляющий вход коммутирующего устройства 5 поступают электрические импульсы с выхода счетчика импульсов 7 с частотой в N раз меньше частоты (1/Т) импульсов, вырабатываемой генератором 1. При поступлении электрического импульса со счетчика 7 на управляющий вход коммутирующего устройства 5 коммутирующее устройство 5 переключает средство кольцевой зеркально-призменной оптической задержки 4 с циркуляции излучения на вывод излучения из него. При этом на выходе из коммутирующего устройства 5 формируется импульс оптического излучения с амплитудой, равной сумме интенсивностей импульсов лазерного излучения, поступивших на вход средства кольцевой оптической задержки 4 за период N⋅T, определяемый периодом следования импульсов со счетчика 7.

Далее полученный лазерный пучок проходит через фокусирующую систему 6, которая формирует заданную диаграмму направленности излучения. В результате на выходе предложенного устройства образуется импульсное лазерное излучение J_вых, значительно превосходящее по интенсивности импульсы J₀ исходного лазерного излучения лазера 2 (см. фиг. 3). При этом частота следования импульсов на выходе устройства будет в N раз ниже частоты (1/Т) излучаемых лазером импульсов.

На фиг. 3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу источника импульсного лазерного излучения: J₃(t) - временная функция интенсивности лазерного излучения, сформированного на выходе из коллимирующего средства 3 и поступающего на вход в кольцевую линию задержки 4; J₈(t) - временная функция интенсивности лазерного излучения, формируемого на грани ПВО призмы ПВО 8 в точке синхронизации после i-го обхода; J_вых(t) - интенсивность лазерного излучения, сформированного на выходе из коммутирующего устройства 5; J₀ - амплитудное значение интенсивности лазерного излучения, сформированного на выходе из коллимирующего средства 3 и поступающего на вход в кольцевую линию задержки 4.

Таким образом, в предлагаемом устройстве за счет применения одного элемента задержки вместо большого количества линий задержки снижаются массогабаритные показатели устройства и повышается его надежность, также благодаря применению зеркально-призменной системы, элементы которой могут быть изготовлены из любого оптического материала, прозрачного в спектральном диапазоне работы лазера, вместо оптоволоконных элементов задержки расширяется спектральный и энергетический диапазон работы устройства.

Список использованных источников

1. RU 2172972 C1 Российская Федерация, МПК G02B 27/09, H01S 5/40. Излучающий сумматор / Солодовников В.В., Лавров А.Ф.; заявитель РЕЙТЭК Лазер Индастрис Лтд. №2000101792/28; заявл. 27.01.2000; опубл. 27.08.2001, Бюл. 24.

2. RU 2163048 C1 Российская Федерация, МПК H01S 3/09, H01S 3/091. Источник излучения на основе лазерных диодов / Солодовников В.В., Жилин В.М., Лебедев М.В.; заявитель РЕЙТЭК Лазер Индастрис Лтд. №2000101375/28; заявл. 24.01.2000; опубл. 10.02.2001, Бюл. 4.

3. RU 2477553 C1 Российская Федерация, МПК H01S 3/10, G02B 27/10. Источник импульсного лазерного излучения / Алексеев В.А., Юран С.И., Перминов А.С., Стерхова М.А.; №2011137390/28; заявл. 09.09.2011; опубл. 10.03.2013, Бюл. 7.

4. Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1989.- 504 с.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к сумматорам оптического излучения. Задачей изобретения, совпадающей с положительным техническим результатом от его использования, является снижение количества линий задержки, уменьшение массогабаритных характеристик устройства, расширение спектрального и энергетического диапазонов работы устройства. Источник импульсного лазерного излучения содержит задающий генератор, выход которого подключен к импульсному лазеру, оптически связанному с коллимирующим средством, которое оптически связано со средством кольцевой оптической задержки. Отличает устройство от известных аналогов то, что средство кольцевой оптической задержки выполнено в виде зеркально-призменной системы с полным внутренним отражением, снабженной призмой-компенсатором и системой зеркал с регулируемой зеркальной системой оптической задержки, при этом средство кольцевой зеркально-призменной оптической задержки оптически связано с фокусирующей системой, оптический выход которой является выходом устройства. Дополнительно задающий генератор через счетчик импульсов подключен к коммутирующему устройству. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Источник импульсного лазерного излучения, содержащий задающий генератор, выход которого подключен к импульсному лазеру, оптически связанному с коллимирующим средством, отличающийся тем, что коллимирующее средство оптически связано со средством кольцевой зеркально-призменной оптической задержки, выполненным в виде зеркально-призменной системы с полным внутренним отражением, снабженной призмой-компенсатором и системой зеркал с регулируемой зеркальной системой оптической задержки, при этом средство кольцевой зеркально-призменной оптической задержки оптически связано с фокусирующей системой, оптический выход которой является выходом устройства; дополнительно задающий генератор через счетчик импульсов подключен к коммутирующему устройству.

2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что коллимирующее средство выполнено в виде линзовой системы цилиндрических линз.

3. Источник по п. 1, отличающийся тем, что коллимирующее средство выполнено в виде линзовой системы сферических линз.

4. Источник по п. 1, отличающийся тем, что коллимирующее средство выполнено в виде призменной системы.

5. Источник по п. 1, отличающийся тем, что призмы зеркально-призменной системы с полным внутренним отражением и призма-компенсатор выполнены из оптических материалов, обеспечивающих высокое пропускание лазерного излучения в спектральном диапазоне работы лазера.

6. Источник по п. 1, отличающийся тем, что зеркала системы зеркал с регулируемой зеркальной системой оптической задержки выполнены из оптических материалов, обеспечивающих высокое отражение лазерного излучения в спектральном диапазоне работы лазера.

7. Источник по п. 1, отличающийся тем, что коммутирующее устройство представляет собой управляемый оптический дефлектор, действующий на основе акустооптического эффекта.

8. Источник по п. 1, отличающийся тем, что коммутирующее устройство представляет собой управляемый оптический дефлектор, действующий на основе электрооптического эффекта.