Способ управления лазерной установкой и лазерная установка Российский патент 2022 года по МПК H01S3/10 B23K26/00 B23K26/04 B23K26/62 G05B19/4097 H04W8/18 

Группа изобретений относится к устройствам квантовомеханического вынужденного излучения и может быть применена в лазерных установках промышленного назначения в машиностроительных или научных отраслях промышленности.

Известен способ управления лазером привода оптических дисков, и блок управления лазером привода оптических дисков для реализации этого способа, который включает генерацию контроллером лазерного импульса для считывания оптических дисков и синхронизацию схемой данных, записанных на носитель записи до прерывания лазерного импульса путем излучения лазерного луча на уровне считывания и считывания данных, хранящихся в буферной памяти контроллера [US7196987, дата публикации: 27.03.2007 г., МПК: G11B 19/14, G11B 20/10, G11B 20/12].

Недостатком известного технического решения является недостаточно высокое качество синхронизации импульса контроллера лазера, поскольку в процессе считывания данных, хранящихся в буферной памяти контроллера возможны сбои, вследствие чего может произойти сдвиг уровня считывания и нарушение в работе привода оптических дисков.

Известен способ управления лазерной установкой и лазерная установка включающие, создание контроллером импульса для задающего лазера, в соответствии с внутренним управляющим сигналом, созданным микросхемой контроллера [JP5485737, дата публикации: 07.05.2014 г., МПК: H01S 5/0683].

Преимуществом известного технического решения является более высокое качество синхронизации выходного импульса лазерной установки с полученным управляющим сигналом за счет того, что управляющий сигнал вырабатывается внутренней микросхемой лазерной установки. Однако недостатком известного технического решения является его ограниченный функционал, поскольку он не обеспечивает возможности получения внешнего управляющего сигнала и позволяет осуществлять управления лазером только в соответствии с внутренней программой управления, заложенной в микросхеме.

В качестве прототипа выбран способ управления лазерной установкой и лазерная установка, которые включают получение контроллером лазерной установки внешнего управляющего сигнала и генерацию контроллером импульса для задающего лазера, при этом в случае прерывания внешнего управляющего сигнала происходит прерывание процесса генерации контроллером импульса для задающего лазера [US5847359, дата публикации: 08.12.1998 г., МПК: B23K 26/00; B23K 26/28; B23Q 15/00].

Преимуществом прототипа является более широкий функционал за счет возможности внешнего управления лазерной установкой. Однако недостатком прототипа является низкое качество синхронизации внешнего управляющего сигнала и импульса для задающего лазера, вследствие чего не обеспечивается возможность совмещения тактовой частоты управляющего сигнала и импульса для задающего лазера, поэтому оптический импульс на выходе лазера может иметь высокую задержку и искажение, либо недопустимые характеристики, что существенным образом снижает качество управления лазерной установкой.

Техническая проблема, на решение которой направлена группа изобретений, заключается в повышении качества управления лазерной установкой.

Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в повышении качества синхронизации контроллером внешнего управляющего сигнала и импульса для задающего лазера.

Сущность первого изобретения из группы изобретений заключается в следующем.

Способ управления лазерной установкой включает подачу на контроллер лазерной установки внешнего управляющего сигнала и генерацию импульса для задающего лазера генерации оптических импульсов. В отличие от прототипа интенсивность оптического импульса задающего лазера изменяют посредством акустооптического модулятора, а генерацию импульса для задающего лазера осуществляют посредством конечного автомата, которым снабжен контроллер, при этом одновременно с подачей внешнего управляющего сигнала на контроллер осуществляют генерацию посредством контроллера импульса для акустооптического модулятора и сброс конечного автомата генерации импульса для задающего лазера.

Сущность второго изобретения из группы изобретений заключается в следующем.

Лазерная установка содержит задающий лазер для генерации оптических импульсов, ко входу которого подключен контроллер, выполненный с возможностью получения внешнего управляющего сигнала, генерации импульса и передачи его на задающий лазер. В отличие от прототипа лазерная установка дополнительно содержит акустооптический модулятор, выполненный с возможностью изменения интенсивности оптического импульса от задающего лазера и ко входу которого подключен контроллер, при этом контроллер содержит конечный автомат генерации импульса для задающего лазера и выполнен с возможностью генерации импульса для акустооптического модулятора и сброса конечного автомата генерации импульса для задающего лазера одновременно с получением внешнего управляющего сигнала.

Задающий лазер обеспечивает генерацию оптических импульсов малой длительности и содержит вход для подключения к контроллеру, который обеспечивает возможность получения от контроллера импульсов для задающего лазера.

Акустооптический модулятор (АОМ) обеспечивает возможность изменения интенсивности оптического импульса, поступающего от задающего лазера, вследствие его дифракции на решетке, образуемой в стекле или прозрачном теле в результате пространственной модуляции показателя преломления акустической волной.

Акустооптический модулятор содержит вход для подключения к контроллеру и расположен таким образом, чтобы оптический импульс для задающего лазера попадал на его стекло или проницаемое тело. Вход для получения к контроллеру обеспечивает возможность получения от контроллера импульсов для акустооптического модулятора. При этом для повышения характеристик оптического импульса между задающим лазером и АОМом может быть расположен оптический предусилитель.

Контроллер может быть представлен в виде микросхемы или интегральной схемы. Контроллер содержит конечный автомат генерации импульса для задающего лазера. Конечный автомат может быть представлен математической моделью вычислений, которая может иметь ограниченное число состояний, и выполнен в виде автомата Мили или автомата Мура. Однако наиболее эффективным для применения в контроллере является конечный автомат Мили, поскольку он имеет начальное состояние, а переход его в новые состояния основывается на входных данных, среди которых представлен внешний управляющий сигнал или команда на сброс, а также данных о его текущем состоянии, например, состоянии генерации импульса для задающего лазера высокого уровня. Преимущественно конечный автомат на первом этапе генерирует импульс для задающего лазера низкого уровня (наименьшего возможного) заданной длительности, причем длительность импульса для задающего лазера равна половине его периода или меньше. На втором этапе конечный автомат генерирует импульс для задающего лазера высокого уровня (допустимого) длительностью половина периода, а на третьем этапе конечный автомат генерирует импульс для задающего лазера низкого уровня длительностью половина периода, из которого вычтена длительность импульса для задающего лазера низкого уровня, полученная на первом этапе. В дальнейшем, для снижения операционной нагрузки контроллера, конечным автоматом осуществляется цикличное выполнение второго и третьего этапов.

Контроллер обеспечивает возможность генерации импульса для акустооптического модулятора и сброса конечного автомата генерации импульса для задающего лазера одновременно с получением внешнего управляющего сигнала, что обеспечивает возможность повышения качества синхронизации контроллером внешнего управляющего сигнала и импульса для задающего лазера, снижая тем самым риск искажения характеристик оптического импульса на выходе лазерной установки. При этом сброс конечного автомата генерации импульса для задающего лазера контроллером при получении управляющего сигнала осуществляется вне зависимости от текущего состояния конечного автомата, что дополнительно повышает качество синхронизации контролером внешнего управляющего сигнала и импульса задающего лазера. При этом, для дополнительного повышения качества синхронизации контролером внешнего управляющего сигнала и импульса задающего лазера до получения импульса АОМом от контроллера, он может находиться в закрытом (деактивированном) положении.

Контроллер для передачи сгенерированного импульса для АОМа и импульса для задающего лазера содержит выходы, которые подключены соответственно ко входам задающего лазера и АОМа.

Лазерная установка может содержать выходной каскад усиления, расположенный таким образом, чтобы оптический импульс, выходящий из АОМа, попадал на его вход. При этом лазерная установка может содержать выход, обеспечивающий возможность вывода оптического импульса и имеющий возможность присоединения волновода. Компоненты лазерной установки могут быть смонтированы в корпусе.

Группа изобретений может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Группа изобретений характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что:

- контроллер содержит конечный автомат генерации импульса для задающего лазера, что позволяет создать импульс для задающего генератора определенной и постоянной тактовой частоты в необходимый момент времени.

- лазерная установка дополнительно содержит акустооптический модулятор, что обеспечивает возможность выделения в импульсе для задающего лазера, созданном конечным автоматом, необходимых тактов.

- контроллер выполнен с возможностью генерации импульса для акустооптического модулятора и сброса конечного автомата генерации импульса для задающего лазера одновременно с получением внешнего управляющего сигнала, что позволяет автоматически синхронизировать начало испускания импульса задающего лазера с полученным управляющим сигналом и задействовать в это время акустооптический модулятор.

Совокупность существенных признаков изобретения позволяет создать импульс для задающего лазера определенной и постоянной тактовой частоты в необходимый момент времени, выделить в импульсе для задающего лазера, созданным конечным автоматом, необходимых тактов, и автоматически синхронизировать момент начала генерации импульса задающего лазера с полученным управляющим сигналом и задействовать в это время акустооптический модулятор, что позволяет привести компоненты лазерной установки к начальному состоянию и активировать их одновременно с полученным на вход внешним управляющим сигналом.

Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в возможности повышения качества синхронизации контроллером внешнего управляющего сигнала и импульса для задающего лазера, тем самым повышается качество управления лазерной установкой.

Группа изобретений обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «новизна».

Из уровня техники известен способ управления лазерной установкой, при котором происходит генерация контроллером импульса для задающего лазера в соответствии с полученным внешним управляющим сигналом. Однако из уровня техники не известен способ управления лазерной установкой, в котором контроллером использовался бы конечный автомат генерации импульсов для задающего лазера и при этом контроллер был бы выполнен с возможностью одновременной генерации импульса для акустооптического модулятора и сброса конечного автомата при получении внешнего управляющего сигнала.

Такая особенность позволяет достичь синергетического эффекта, который заключается в том, что при использовании системы управления лазерной установкой с акустооптическим модулятором происходит существенное повышение качества синхронизации внешнего управляющего сигнала и импульса для задающего лазера и в значительной степени возрастает стабильность оптического импульса на выходе лазера. Это происходит не только за счет сброса контроллером конечного автомата при каждом получении внешнего управляющего сигнала и автоматической синхронизации импульсов для задающего лазера с внешним управляющим сигналом, но также и за счет того, что до момента генерации контроллером импульса для акустооптического модулятора сам акустооптический модулятор находится в закрытом положении, что обеспечивает дополнительную защиту от попадания оптического импульса со смещенной тактовой частотой на выход лазерной установки и искажения вследствие этого оптических импульсов на выходе лазерной установки. Ввиду этого группа изобретений соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретения из группы изобретений связаны между собой и образуют единый изобретательский замысел, который заключается в том, что способ управления лазерной установкой реализуется системой управления лазерной установкой, что свидетельствует о соответствии группы изобретений критерию патентоспособности «единство изобретения».

Группа изобретений поясняется следующими фигурами.

Фиг.1 – Осциллограмма процесса синхронизации импульса на выходном каскаде усиления лазерной установки с внешним управляющим сигналом, полученным от блока управления лазерной установкой.

Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути группы изобретений ниже представлен вариант ее осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящая группа изобретений ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.

Лазерная установка содержит контроллер в виде микросхемы FPGA, подключенные к ней и расположенные с возможностью передачи оптического импульса: задающий лазер, предусилитель, акустооптический модулятор и выходной каскад усиления, к которому подключен волновод. При этом контроллер содержит конечный автомат генерации импульсов для задающего лазера.

Группа изобретений работает следующим образом.

При получении управляющего сигнала на вход контроллера от блока управления им одновременно осуществлялись процесс генерации импульсов для акустооптического модулятора и процесс сброса конечного автомата генерации импульсов для задающего лазера. (Фиг.1). После сброса конечный автомат (этап 1) генерировал импульсы для задающего лазера частотой 10 МГц следующим образом:

на этапе 1-2 контроллером генерировался импульс низкого уровня заданной длительности, причем длительность импульса для задающего лазера была равна половине его периода;

на этапе 2-3 контроллером генерировался высокий уровень импульса для задающего лазера длительностью половина периода;

на этапе 3-4 контроллером генерировался низкий уровень длительностью половина периода, из которого вычиталась длительность импульса для задающего лазера низкого уровня, который был сгенерирован конечным автоматом на этапе 1-2.

После этого этапы неоднократно повторялись контроллером, а при повторном получении контроллером на вход управляющего сигнала конечный автомат снова сбрасывался. При этом, за счет сгенерированного импульса для акустооптического модулятора осуществлялась фильтрация импульса для задающего лазера и входной импульс имел необходимую тактовую частоту.

Также, помимо повышения эффективности синхронизации выходного оптического импульса лазерной установки с внешним управляющим сигналом, предложенный процесс решает в том числе проблему, когда конечный автомат во время поступления на вход контроллера управляющего импульса, находится не в начале первого шага, вследствие чего на его выходе длительность периода имеет некорректный низкий или высокий уровень.

При этом контроллер, до поступления внешнего управляющего сигнала, держит вход акустооптического модулятора закрытым, поэтому часть импульса для задающего лазера, сформированного до получения управляющего сигнала, не попадет в дальнейшие каскады усиления, и для них все пришедшие импульсы имеют корректную длительность и форму, вследствие чего отклонений в процессе синхронизации импульса лазерной установки с внешним управляющим сигналом не возникало.

Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении качества синхронизации контроллером внешнего управляющего сигнала и импульса задающего лазера, тем самым повышается качество управления лазерной установкой.

Изобретение относится к устройствам квантовомеханического вынужденного излучения, в частности к способу управления лазерной установкой и лазерной установке, и может быть применимо в машиностроительных или научных отраслях промышленности. В процессе управления лазерной установкой осуществляют генерацию импульса контроллером для задающего лазера посредством конечного автомата. Одновременно с получением внешнего управляющего сигнала контроллером осуществляют генерацию импульса для акустооптического модулятора и сброс конечного автомата генерации импульса для задающего лазера. Технический результат заключается в повышении качества синхронизации контроллером внешнего управляющего сигнала и импульса для задающего лазера. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления лазерной установкой, включающий подачу на контроллер лазерной установки внешнего управляющего сигнала и генерацию импульса для задающего лазера генерации оптических импульсов, отличающийся тем, что интенсивность оптического импульса задающего лазера изменяют посредством акустооптического модулятора, а генерацию импульса для задающего лазера осуществляют посредством конечного автомата, которым снабжен контроллер, при этом одновременно с подачей внешнего управляющего сигнала на контроллер осуществляют генерацию посредством контроллера импульса для акустооптического модулятора и сброс конечного автомата генерации импульса для задающего лазера.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сброс конечного автомата генерации импульса для задающего лазера контроллером при получении управляющего сигнала осуществляют независимо от текущего состояния конечного автомата.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что акустооптический модулятор поддерживают в закрытом положении до генерации на него посредством контроллера импульса.

4. Лазерная установка, содержащая задающий лазер для генерации оптических импульсов, ко входу которого подключен контроллер, выполненный с возможностью получения внешнего управляющего сигнала генерации импульса и передачи его на задающий лазер, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит акустооптический модулятор, выполненный с возможностью изменения интенсивности оптического импульса от задающего лазера и ко входу которого подключен контроллер, при этом контроллер содержит конечный автомат генерации импульса для задающего лазера и выполнен с возможностью генерации импульса для акустооптического модулятора и сброса конечного автомата генерации импульса для задающего лазера одновременно с получением внешнего управляющего сигнала.

5. Лазерная установка по п.4, отличающаяся тем, что контроллер выполнен с возможностью сброса конечного автомата генерации импульса для задающего лазера независимо от текущего состояния конечного автомата.