СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ В ИМПУЛЬСЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ И АКТИВНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ДОБРОТНОСТИ Российский патент 2023 года по МПК H01S3/42 

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности, к способам и устройствам управления параметрами лазерного излучения, и может найти применение при создании импульсно-периодических твердотельных лазеров с диодной накачкой и активной модуляцией добротности, предназначенных для эксплуатации в широком температурном диапазоне окружающей среды без термостабилизации элементов накачки.

Известен способ, позволяющий обеспечить генерацию импульсного лазерного излучения твердотельного лазера с поперечной диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности без активной системы термостабилизации элементов диодной накачки в диапазоне окружающей среды ≤100°С (Диссертация «Твердотельные квантроны с диодной накачкой ближнего ИК-диапазона, работающие в широком температурном диапазоне без активной системы термостабилизации», Сафронова Елена Сергеевна, ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр «Институт общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук», Москва, 2022 г.). При реализации известного способа в качестве активной среды в макете лазера использовался композитный кристалл из YAG:Nd (1 ат. %) и YAG:Cr⁺⁴ (начальное пропускание 20%) диаметром 5 мм, в качестве накачки использовались матрицы лазерных диодов в количестве 5 штук с общей энергией в импульсе излучения накачки 1,5 Дж при длительности импульса накачки до 250 мкс. Резонатор лазера был образован отражающими покрытиями, нанесенными на плоские торцы композитного активного элемента, с коэффициентами отражения 100% и 20% для длины волны излучения 1064 нм. В результате, экспериментально продемонстрирована генерация импульсного лазерного излучения с сохранением модовой структуры и энергией в импульсе не менее 100 мДж, длительностью = 3,5 не и частотой повторения импульсов до 25 Гц в температурном диапазоне окружающей среды от -50°С до +50°С без активной системы термостабилизации элементов диодной накачки. Существенными недостатками известного технического решения являются низкая стабильность выходной энергии в импульсе выходного излучения, составляющая не менее 70%, а также большой временной джиттер генерируемых наносекундных импульсов излучения в диапазоне более 100 мкс, что в ряде важных практических применений является недопустимым.

Известно изобретение, в котором описан способ стабилизации моноимпульсного режима лазера (п.РФ №1736314, МПК Н01S 3/13, Н01S 3/092, опубл. 1994 г.). Способ стабилизации обеспечивается путем управления энергией накачки активного элемента лазера за счет изменения напряжения, подаваемого с емкостного накопителя блока накачки на лампу накачки, пропорционально разности величин временной задержки τ_зад, измеряемой при каждом импульсе накачки между импульсом накачки и моментом начала импульса генерации излучения, и опорной временной задержки τ_оп, измеряемой между импульсом накачки и моментом начала генерации импульса излучения в начальный момент получения моноимпульсного режима работы лазера при энергии накачки, пороговой для генерации одного импульса излучения. При этом величины τ_зад и τ_оп измеряют от момента окончания разряда емкостного накопителя с целью повышения стабильности моноимпульсного режима и увеличения ресурса работы моноимпульсного лазера, содержащего активную среду и фототропный затвор, помещенные в резонатор, лампу накачки, связанную с блоком накачки, блок управления напряжением накачки, соединенный с управляющим входом блока накачки лазера, и фотоприемник, соединенный с входом блока управления напряжения накачки, цепочку последовательно соединенных диода и резистора, включенную между выходом блока накачки и общей шиной устройства, и формирователь импульсов, вход которого соединен с общей точкой диода и резистора, а выход - со вторым входом блока управления напряжением накачки. Таким образом, стабилизация моноимпульсного режима лазера с ламповой накачкой и пассивной модуляцией добротности достигается за счет реализации системы обратной связи на основе фотоприемника и электронного устройства управления энергией импульса излучения лампы накачки за счет изменения амплитуды напряжения на ней.

К существенным недостаткам известного способа можно отнести его направленность на генерацию исключительно моноимпульсного излучения, что не гарантирует обеспечение стабильности энергии и малый временной джиттер генерируемых импульсов выходного излучения по причине особенностей развития генерации излучения в лазерах с пассивной модуляцией добротности резонатора.

Известен способ управления твердотельным лазером с пассивной модуляцией добротности (п. ЕА №015641, МПК Н01S 3/091, 3/13, опубл. 2011 г.), который включает в себя контроль выходных параметров излучения при помощи фотоприемного устройства, регулировку амплитуды и длительности импульса тока накачки. Согласно известному изобретению при включении лазера, на элементы накачки (лазерные диодные модули) подается импульс тока длительностью, определенной для каждого типа лазера, с постепенным увеличением амплитуды тока. При определенном значении тока в некоторый момент времени фотоприемное устройство зарегистрирует появление одиночного импульса. С этого момента при фиксированной амплитуде тока управление осуществляют длительностью импульса тока накачки. В рассматриваемом случае режима генерации одиночных импульсов в лазере с пассивной модуляцией добротности при изменении внешних условий (температуры, давления) возможно, в общем случае, либо появление второго импульса генерации, следующего за первым, либо исчезновение импульса. Появление второго импульса исключают благодаря контролю при помощи фотоприемного устройства. При фиксации одиночного импульса генерации фотоприемным устройством происходит выключение импульса тока накачки. В случае отсутствия импульса генерации, накачка не прекращается вплоть до значения длительности, достаточной для появления импульса генерации (т.е. выхода лазера в необходимый режим работы), либо до достижения некоторой предельной величины длительности импульса тока, величина которой определяется параметрами блока накачки и лазерных диодных модулей. При достижении предельной длительности импульса тока, выше которой лазер работать не может, происходит сброс амплитуды тока до нуля (либо некоторого начального значения), и при фиксированной длительности ток снова плавно выводится на уже новое значение, после чего управление опять осуществляют длительностью импульса. Таким образом, при изменении внешних условий сохраняется заданный режим работы лазера без использования термостабилизации.

Также существует возможность достижения предельного рабочего значения тока, определяющегося параметрами блока накачки и лазерных диодных модулей. В случае достижения предельного рабочего значения тока и отсутствия генерации осуществляют переход на управление длительностью импульса тока. Длительность повышается либо до появления лазерного импульса, либо до предельного значения. При одновременном достижении предельных значений тока и длительности импульса тока происходит отключение устройства.

Указанный способ применяется и при необходимости получения генерации групп импульсов. Управление частотой генерации лазерных импульсов (групп импульсов) осуществляют через управление частотой импульсов тока. Способ также применим и при изменении параметров излучения генерации твердотельного лазера вследствие температурных и механических изменений элементов твердотельного лазера (нагрев активного элемента и зеркал резонатора, загрязнение их отражающих поверхностей, незначительная разъюстировка). Таким образом, задачей известного способа является стабилизация числа генерирующих импульсов в группе, частоты следования групп твердотельного лазера с диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности резонатора с одновременной компенсацией или минимизацией влияния на их параметры изменений условий внешней среды (температуры, давления) без термостабилизации.

Однако данный способ также направлен на генерацию исключительно моноимпульсного или групп импульсов излучения, что не гарантирует обеспечение стабильности энергии в импульсе и малый временной джиттер генерируемых импульсов выходного излучения лазера по причине особенностей развития генерации излучения в лазерах с пассивной модуляцией добротности резонатора.

Известно изобретение, в котором описаны способы стабилизации энергии и периода повторения выходных импульсов лазера с постоянным режимом работы блока накачки и активной модуляцией добротности резонатора (п. РФ №2689846, МПК Н01S 3/136, опубл. 2019 г. под названием «Лазер с модуляцией добротности резонатора и стабилизацией выходных импульсов (варианты)»).

Способ стабилизации выходных импульсов излучения в варианте 1 изобретения заключается в том, что блок накачки работает непрерывно. До момента t₁ напряжение на выходе задающего генератора равно логическому «0», инвертор сигнала имеет на выходе логический «1», поэтому силовой ключ открыт, ячейка Поккельса подключена к источнику четвертьволнового напряжения, добротность резонатора нулевая, лазерной генерации нет. При этом дополнительный силовой ключ закрыт.В момент времени t₁ сигнал на выходе задающего генератора меняется с логического «0» на «1», вследствие чего инвертор меняет напряжение на своем выходе с «1» на «0», поэтому силовой ключ закрывается. Напряжение на ячейке Поккельса выключается, добротность резонатора становится высокой. В случайный момент времени в резонаторе зарождается и усиливается лазерное излучение. Фотодиод регистрирует лазерное излучение, проходящее через первое глухое зеркало, и выдает напряжение U_ф, пропорциональное интенсивности падающего на него лазерного излучения, на компаратор блока управления. В момент времени t₂ напряжение U_ф с фотодиода превышает значение U_к, поэтому компаратор подает сигнал на положительный вход дополнительного компаратора, при этом отсутствует сигнал на отрицательном входе последнего. Вследствие этого дополнительный компаратор подает сигнал «1» на дополнительный силовой ключ, открывает его, и источник промежуточного напряжения подключается к ячейке Поккельса. При этом потери резонатора становятся равны усилению в активном элементе, и интенсивность лазерного излучения в резонаторе остается постоянной до момента времени t₃, определяемого линией задержки. В момент времени t₃ выходное напряжение линии задержки меняется с «0» на «1», т.е. становится равным выходному напряжению компаратора, поэтому дополнительный компаратор меняет выходной сигнал с «1» на «0», дополнительный силовой ключ закрывается, и напряжение на ячейке Поккельса выключается. Добротность резонатора снова становится высокой. Имеющееся лазерное излучение усиливается до максимума через фиксированный промежуток времени. После этого задающий генератор меняет выходной сигнал с «1» на «0», инвертор с «0» на «1», силовой ключ открывается. Четвертьволновое напряжение U_λ/4 подается на ячейку Поккельса. Лазерное излучение, циркулирующее до этого момента в резонаторе, проходит ячейку Поккельса, меняет поляризацию с вертикальной на циркулярную, отражается от второго глухого зеркала и снова проходит ячейку Поккельса, меняет поляризацию с циркулярной на горизонтальную, отражается от поляризатора, стабилизированное как по энергии, так и по времени.

Благодаря использованию источника промежуточного напряжения добротность резонатора принимает промежуточное значение во временном интервале, который лежит внутри интервала усиления импульса между t₁ и t₄, поэтому происходит стабилизация выходных импульсов по времени с сохранением стабилизации по энергии.

Способ стабилизации выходных импульсов излучения в варианте 2 изобретения заключается в том, что блок накачки работает непрерывно. До момента t₁ напряжение на выходе задающего генератора равно логическому «О», поэтому силовой ключ закрыт, источник четвертьволнового напряжения отключен от ячейки Поккельса. Дополнительный силовой ключ также закрыт, поэтому источник промежуточного напряжения отключен от дополнительной ячейки Поккельса. В момент времени t₁ сигнал на выходе задающего генератора меняется с логического «0» на «1», вследствие чего силовой ключ открывается. Напряжение на ячейке Поккельса становится четвертьволновым, добротность резонатора становится высокой. В случайный момент времени в резонаторе зарождается и усиливается лазерное излучение. Фотодиод регистрирует лазерное излучение, проходящее через первое глухое зеркало, и выдает напряжение U_ф, пропорциональное интенсивности падающего лазерного излучения, на компаратор блока управления. В момент времени напряжение с фотодиода превышает значение U_к, поэтому компаратор подает положительный сигнал на положительный вход дополнительного компаратора, при этом отсутствует сигнал на отрицательном входе последнего. Вследствие этого дополнительный компаратор подает сигнал «1» на дополнительный силовой ключ, открывает его, и источник промежуточного напряжения подключается к дополнительной ячейке Поккельса. При этом потери резонатора становятся равны усилению в активном элементе, и интенсивность лазерного излучения в резонаторе остается постоянной до момента времени t₃, определяемого линией задержки. В момент времени t₃ выходное напряжение линии задержки меняется с «0» на «1», т.е. становится равным выходному напряжению компаратора, поэтому дополнительный компаратор меняет выходной сигнал с «1» на «0», дополнительный силовой ключ закрывается, и напряжение на дополнительной ячейке Поккельса выключается. Добротность резонатора снова становится высокой. Имеющееся лазерное излучение усиливается до максимума через фиксированный промежуток времени. После этого задающий генератор меняет выходной сигнал с «1» на «0», силовой ключ закрывается. Четвертьволновое напряжение U_W4 отключается от ячейки Поккельса. Лазерное излучение, циркулирующее до этого момента в резонаторе, проходит четвертьволновую пластинку, меняет поляризацию с вертикальной на циркулярную, отражается от второго глухого зеркала и снова проходит четвертьволновую пластинку, меняет поляризацию с циркулярной на горизонтальную, отражается от поляризатора, формируя выходной импульс, стабилизированный как по энергии, так и по времени.

Четвертьволновая пластинка, вставленная в резонатор, позволяет инвертировать сигнал от источника четвертьволнового напряжения, поступающего на ячейку Поккельса. Таким образом, высокое напряжение на ней включено в течение короткого интервала времени, что снижает требования к источнику четвертьволнового напряжения. Кроме того, поскольку источники напряжений подключены к разным ячейкам Поккельса, они не имеют общих высоковольтных проводников, что исключает их замыкание между собой.

Таким образом, известные способы (варианты 1 и 2) позволяют реализовать одновременную стабилизацию выходных импульсов излучения как по энергии, так и по времени (периода повторения импульсов), что достигается за счет применения системы обратной связи на основе фотодиода и электронного устройства управления добротностью резонатора посредством формирования заданного временного профиля высоковольтного напряжения на электрооптическом затворе, что позволяет внести задержку необходимой длительности во время усиления лазерного импульса от шумов до насыщения (максимума интенсивности импульса излучения), тем самым скомпенсировать разброс начального момента его зарождения, имеющего случайный характер. При этом резонатор лазера образован двумя глухими зеркалами с выходом пучка излучения через внутрирезонаторный поляризатор.

Существенными недостатками известных способов в вариантах 1 и 2 изобретения являются:

- сложность схемотехнических решений, а также увеличение габаритов и массы лазера из-за необходимости использования в его блоке управления двух источников напряжения для ячейки Поккельса (четвертьволнового и промежуточного напряжения), а также инвертора сигнала (в схеме варианта 1), либо использования в рабочем объеме резонатора дополнительной ячейки Поккельса и четвертьволновой фазовой пластинки (в схеме варианта 2),

- затягивание и искажение временного профиля генерируемого импульса излучения, а именно его переднего фронта, что в ряде практических применений является нежелательным или недопустимым,

- неопределенность в сохранении стабилизации параметров выходных импульсов излучения при эксплуатации лазера в широких диапазонах температур оптических элементов лазера (блока накачки, четвертьволновой пластины) или окружающей среды.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является способ термостабилизации элементов накачки, известный из п. РФ №2614084, МПК Н01S 3/042, опубл. 2017 г. Способ заключается в том, что измеряют температуру элементов накачки и формируют управляющие сигналы на термоэлектрические модули и нагреватели, тем самым обеспечивается термостабилизация элементов диодной накачки и, соответственно, работоспособность лазера со стабилизацией энергии в импульсе выходного излучения в широком диапазоне температур окружающей среды.

Управляющий микроконтроллер получает информацию с термодатчиков элементов накачки, термически связанных с элементами накачки, первого термодатчика, термически связанного с контурной тепловой трубой (КТТ) и второго термодатчика, термически связанного с теплоотводящей поверхностью внешнего устройства. Далее, в зависимости от поступающих данных с датчиков системы диагностики (термодатчиков элементов накачки и двух термодатчиков), управляющий микроконтроллер формирует сигнал на систему термостабилизации, а, именно, на нагреватели и термоэлектрические модули, КТТ через драйвера термоэлектрических модулей, нагревателей и контурной тепловой трубы, а также на электрооптический затвор через драйвер электрооптического затвора. Таким образом, осуществляется термостабилизация элементов накачки. При возникновении внештатной ситуации, например, повышении температуры теплоотводящей поверхности выше установленной режимами лазера, по показаниям второго термодатчика микроконтроллер прерывает работу лазера.

Обеспечение выхода на температурный рабочий режим элементов накачки происходит следующим образом. Нагреватели и термоэлектрические модули, работающие в реверсном режиме, повышают температуру элементов накачки от исходной до рабочей температуры. Термоэлектрические модули обеспечивают охлаждение элементов накачки от исходной повышенной температуры, образованной внешними климатическими условиями эксплуатации, а также в процессе работы элементов накачки, до рабочей температуры через КТТ. Теплообмен между испарителем КТТ и конденсатором происходит за счет разности температур.

Данный способ позволяет контролировать процесс и точность термостабилизации элементов диодной накачки, обеспечить необходимый уровень энергии в импульсе выходного излучения при стабилизированной температуре и фиксированной частоте следования импульсов излучения элементов диодной накачки, а также производить диагностику состояния лазера во всех режимах его эксплуатации, контролировать температуру теплоотводящей поверхности и по результатам диагностики реагировать на изменения внешних условий.

Однако данное техническое решение не позволяет обеспечить работоспособность лазера со стабилизацией энергии в импульсе выходного излучения при изменении в широких диапазонах температур элементов диодной накачки и частот повторения импульсов излучения накачки.

Важными характеристиками лазерных источников на основе твердотельных лазеров, востребованных в дальнометрии и локации, системах оптической связи и научных исследованиях, являются высокая кратковременная (от импульса к импульсу) и долговременная (в течение рабочей серии импульсов излучения) стабильность выходных параметров лазерного излучения. При эксплуатации твердотельных лазеров с диодной накачкой в широких диапазонах температур окружающей среды и/или частот следования импульсов излучения накачки без термостабилизации элементов диодной накачки изменяется собственная температура элементов накачки, что приводит к рассогласованию спектра излучения накачки со спектральными линиями поглощения ионов кристаллических активных сред с характерным температурным сдвигом ≈0,25 нм/°С и, соответственно, к нестабильности энергетических, временных и пространственных параметров выходного излучения.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения, - стабилизация энергии в импульсе излучения твердотельного лазера с диодной накачкой и активной модуляцией добротности при его эксплуатации в условиях широких диапазонов температур и частот следования импульсов излучения элементов накачки.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе стабилизации энергии в импульсе излучения твердотельного лазера с диодной накачкой и активной модуляцией добротности определяют температуру элементов накачки, формируют управляющие сигналы на термоэлектрические модули или нагреватели, а также на формирователь импульсов тока накачки. При значении температуры элементов накачки выше максимальной формируют управляющий сигнал на термоэлектрические модули, при значении температуры элементов накачки ниже минимальной формируют управляющий сигнал на нагреватели, при значениях температур элементов накачки, находящихся между максимальной и минимальной температурами, устанавливают взаимосвязь между длительностью импульса тока накачки и температурой элементов накачки, а также частотой следования импульсов тока накачки, временем работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения, временем перерыва между рабочими сериями импульсов излучения и определяют относительно переднего фронта внешнего управляющего синхроимпульса накачки время задержки формирования импульса тока накачки на элементах накачки с заданной амплитудой, частотой следования импульсов тока накачки и управляемой длительностью по следующей функциональной зависимости:

t_г - время генерационного перехода ионов активной среды, t_н0(T_{н_ср}) -целевая длительность импульса тока накачки в импульсном (при частоте cледования <1 Гц) режиме работы лазера с заданной энергией в импульсе выходного излучения, зависящая от температуры элементов накачки - компенсационная функция энергетических потерь, связанных с деполяризацией в активном элементе, и зависящая от f_н - частоты следования импульсов тока накачки, t_reн - времени работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения, f(t_п) - функция, характеризующая распад крайнего значения длительности импульса тока накачки, вычисленного управляющим микроконтроллером лазера в режиме генерации серии импульсов излучения, и зависящая от времени перерыва между сериями импульсов излучения t_п, при этом температуру элементов накачки, частоту следования импульсов тока накачки, время работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения и время перерыва между рабочими сериями импульсов излучения определяют циклически.

Всей совокупностью существенных признаков достигается стабилизация энергии в импульсе излучения твердотельного лазера с диодной накачкой и активной модуляцией добротности в широких диапазонах температур и частот следования импульсов излучения элементов накачки. Это стало возможным за счет того, что обеспечили адаптивное управление временными параметрами импульса тока накачки на элементах накачки, зависящее от эксплуатационных условий (в первую очередь климатических) и режимов работы (импульсный или импульсно-периодический) лазера, когда учитываются текущие значения температур элементов накачки и частот следования внешних управляющих синхроимпульсов накачки, которые диагностируют постоянно (циклами) и, в зависимости от их значений, формируют управляющие сигналы либо на формирование импульсов тока с требуемой для стабилизации энергетических характеристик лазера длительностью, либо для возврата текущей температуры элементов накачки в их рабочий диапазон. При этом также циклически определяют время работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения и время перерыва между рабочими сериями импульсов излучения.

Это позволяет стабилизировать энергию в импульсе выходного излучения лазера в широком диапазоне значений температур элементов накачки как в условиях их импульсно-периодического режима работы с высокой частотой следования импульсов тока накачки, так и в условиях изменения значений температур окружающей среды.

При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена структурно-функциональная схема лазера.

На фиг. 2 - оптическая схема лазера.

На фиг. 3 - график зависимости длительности импульса тока накачки от температуры элементов накачки при заданной энергии в импульсе выходного излучения и импульсном режиме генерации, где T_min, T_max - минимальное и максимальное значения температур на элементах накачки лазера, при котором длительность импульса тока накачки t_н__max≤t_г (например, для активной среды YAG:Nd t_г ≈ 230 мкс), a t_{н_mm} - минимальная длительность импульса тока накачки, соответствующая наиболее интенсивным спектральным линиям поглощения излучения накачки с длинами волн λ₁ и λ₂ активной среды при значениях температур элементов накачки T₁ и Т₂ (например для активной среды YAG:Nd λ₁≈796 нм, λ₂ ≈808,5 нм).

На фиг. 4 - график зависимости амплитуд внешних управляющих синхроимпульсов накачки СИН и излучения СИИ (а), импульса тока накачки (б) и высокого напряжения на ячейке Поккельса (в) от времени, где to - время поступления на входные цепи лазера внешнего управляющего синхроимпульса накачки (СИН) с амплитудой U_CH и длительностью t_син, t₁ - время поступления на входные цепи лазера внешнего управляющего синхроимпульса излучения (СИИ) с амплитудой U_си и длительностью t_син, t_г - длительность генерационного перехода ионов активной среды, t_н - длительность импульса тока накачки, - средняя температура элементов накачки, f_н - частота следования импульсов тока накачки, t₃ - время задержки формирования импульса тока накачки относительно переднего фронта синхроимпульса СИН, I_н - амплитуда тока накачки, U_λ/2- амплитуда полуволнового напряжения на ячейке Поккельса, t_п - время перерыва между рабочими сериями импульсов излучения.

На фиг. 5 - динамика длительности импульса тока накачки, вычисляемая управляющим микроконтроллером, в режимах «Работа» при частоте следования импульсов тока накачки f_н и «Ожидание» в течение времени генерации серии импульсов излучения t_гeн и перерыва между рабочими сериями импульсов излучения t_п соответственно.

На фиг. 6 - представлены экспериментальные (маркеры) зависимости длительности импульса тока накачки t_н0 от средней температуры элементов накачки в импульсном режиме работы лазера с активной модуляцией добротности.

Твердотельный лазер с диодной накачкой и активной модуляцией добротности, реализующий заявляемый способ, содержит излучатель 1 с оптическим модулем накачки 2, формирователь импульсов 3 и блок электроники 4 (фиг. 1). Оптический модуль накачки 2 содержит элементы накачки 5, активный элемент 6, нагреватели 7 и термодатчики 8 элементов накачки. Оптический резонатор 9 излучателя 1 содержит активный элемент 6, глухое зеркало 10, поляризаторы 11, 12, ячейку Поккельса 13 (например, на основе сборки высокоомных кристаллов КТР по термокомпенсированной схеме), выходное зеркало 14 (фиг. ). Поляризаторы 11 и 12, а также ячейка Поккельса 13 образуют электрооптический затвор (ЭОЗ) 15 для активной модуляции добротности оптического резонатора 9, управление которым осуществляется с помощью подачи на ячейку Поккельса импульсного полуволнового напряжения с амплитудой U_λ/2.

Излучатель 1 содержит теплообменник 16, первый 17 и второй 18 термодатчики и термоэлектрические модули 19. Блок электроники 4 содержит управляющий микроконтроллер 20 и драйверы нагревателей 21, термоэлектрических модулей 22 и электрооптического затвора 23. Управляющий микроконтроллер 20 соединен с формирователем импульсов 3, который соединен с элементами накачки 5, оптически связанными с активным элементом 6. Термоэлектрические модули 19 через медную пластину из состава теплообменника 16 имеют тепловой контакт с теплоотводящей поверхностью внешнего устройства. Под внешним устройством понимается оптико-электронная аппаратура, в которой лазер применяется в качестве источника лазерного излучения. Первый 17 и второй 18 термодатчики расположены в объеме теплообменника 16 со стороны холодной и горячей поверхностей термоэлектрических модулей 19 соответственно.

Система управления (СУ) лазера содержит термоэлектрические модули 19, управляющий микроконтроллер 20, первый 17 и второй 18 термодатчики, формирователь импульсов 3, термодатчики элементов накачки 8, нагреватели 7, драйверы нагревателей 21, термоэлектрических модулей 22 и электрооптического затвора 23.

Выходы термодатчиков 17, 18 соединены с входами управляющего микроконтроллера 20, выход которого соединен с входом драйвера 22 термоэлектрических модулей, выход которого соединен с входом термоэлектрических модулей 19. Входы термодатчиков элементов накачки 8 термически связаны с выходом элементов накачки 5.

Выход управляющего микроконтроллера 20 соединен с входами драйвера нагревателей 21 и драйвера электрооптического затвора 23. Выход нагревателей 7 термически связан с входом элементов накачки 5, а вход - с выходом драйвера нагревателей 21. Теплообменник 16 термически связан с элементами накачки 5, активным элементом 6, первым термодатчиком 17, вторым термодатчиком 18 и термоэлектрическими модулями 19.

Выходы термодатчиков 8 элементов накачки соединены с входом управляющего микроконтроллера 20, вход ячейки Поккельса 13 связан с выходом драйвера электрооптического затвора 23, ячейка Поккельса 13, поляризаторы 11 и 12, а также зеркала 14 и 10, оптически связаны с активным элементом 6. Выход управляющего микроконтроллера 20 соединен с входом формирователя импульсов 3, выход которого соединен с входом элементов накачки 5.

Способ осуществляют следующим образом.

При подаче на входные цепи лазера внешнего питающего напряжения от системы управления внешнего устройства 24 лазер переходит в режим работы «Подготовка» и СУ лазера посредством блока электроники 4 формирует выходной ШИМ сигнал с частотой следования импульсов 1±0,05 Гц и коэффициентом заполнения γ=t_ф/t_пр, где t_ф - время функционирования лазера в режиме «Подготовка» после подачи на его входные цепи внешнего электропитания, t_np - прогнозируемое СУ лазера в зависимости от текущих эксплуатационных условий время его выхода в режим «Ожидание» с формированием непрерывного сигнала «Готов».

При этом, если температура элементов накачки 5 ниже значения T_min (фиг. 3), то СУ лазера подает сигнал нагревателям 7 для повышения температуры элементов накачки 5 от исходной до рабочей температуры T_min. Если температура элементов накачки 5 выше температуры Т₂ и меньше Т_mах, то СУ лазера подает сигнал на включение термоэлектрических модулей 21, которые обеспечивают охлаждение элементов накачки 5 до значения температуры (фиг. 4). Тепло, выделяемое термоэлектрическими модулями 19 при охлаждении элементов накачки 5, отводится либо кондуктивно через теплоотводящую поверхность внешнего устройства, либо за счет конвективного теплообмена.

При достижении температуры элементов накачки 5 Т_{н_ср}>Tmin СУ лазера через блок электроники 4 сообщает системе управления внешнего устройства 24 посредством формирования непрерывного (γ=1) выходного сигнала о готовности лазера к работе, что означает переход лазера в режим «Ожидание».

Если при подаче на входные цепи лазера внешнего питающего напряжения текущая температура элементов накачки 5 находится в диапазоне то лазер в течение не более 3 секунд переходит в режим работы «Ожидание» с формированием непрерывного (γ=1) выходного сигнала «Готов».

При нахождении лазера в режиме работы «Ожидание», т.е. выполняется условие СУ лазера при помощи термодатчиков 8 производит циклическое (например, с периодичностью не более 1 секунды) считывание данных о текущей температуре элементов накачки 5 и циклически (например, с периодичностью не более 1 секунды) вычисляет соответствующее текущей температурезначение целевой длительности импульса тока накачки (фиг. 3).

Система управления внешнего устройства 24 посылает на входные цепи СУ лазера синхроимпульсы СИН в момент времени t₀ и СИИ в момент времени ti с заданным временным интервалом t_г (фиг. 4а), тем самым запускается процесс перехода лазера из режима «Ожидание» в режим «Работа».

Внешние управляющие синхроимпульсы накачки (СИН) и излучения (СИИ) (фиг. 4а) поступают на управляющий микроконтроллер 20 СУ лазера, который циклически (например, с периодичностью не более 1 секунды) осуществляет контроль частоты следования f_си внешних управляющих синхроимпульсов СИН и СИИ.

Если f_си<1 Гц управляющий микроконтроллер 20 СУ лазера передает сигнал на формирователь импульсов 3, который формирует на элементах накачки 5 импульсы тока накачки с заданной амплитудой I_н (например, I_н=120 А), частотой следования f_н=f_cи<1 Гц и длительностью соответствующей текущей температуре (фиг. 3).

Если f_си>1 Гц управляющий микроконтроллер 20 СУ лазера передает сигнал на формирователь импульсов 3, который формирует на элементах накачки 5 импульсы тока накачки с заданной амплитудой I_п (например, I_н=120 А), частотой следования f_н=f_си≥1 Гц и длительностью cоответствующей текущей температуре элементов накачки 5 Т_н__ср, текущей частоте следования импульсов тока накачки f„ и времени работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения t_ieн (например, в течение Δt_ген=t_ген3-t_ген0=25 секунд (конкретное значение определяется максимально допустимой частотой следования импульсов излучения при импульсно-периодическом режиме работы лазера)) (фиг. 4, фиг. 5).

В случае если при функционировании лазера в режиме «Работа» с генерацией серии импульсов излучения на входные цепи СУ лазера прерывается поступление внешнего управляющего синхроимпульса СИН, лазер переходит в режим «Ожидание» с временем перерыва t_п между рабочими сериями импульсов излучения (т.е. режимами «Работа»). При этом, управляющий микроконтроллер 20 СУ лазера в течение времени перерыва t_п циклически (например, с периодичностью не более 1 секунды) определяет длительность импульса тока накачки в соответствии с функцией f(t_п), инвертированного относительно функции f(f_н, t_ген) вида, характеризующей распад крайнего значения длительности импульса тока накачки, вычисленного управляющим микроконтроллером лазера в режиме генерации серии импульсов излучения, и зависящей только от времени перерыва между сериями импульсов излучения t_n (например, в течении Δt_п=I_п3-t_п0=25 секунд (конкретное значение определяется максимально допустимой частотой следования импульсов излучения при импульсно-периодическом режиме работы лазера)) (фиг. 5).

В случае если на входные цепи СУ лазера от системы внешнего устройства 24 вновь поступают управляющие синхроимпульсы СИН и СИИ с частотой следования f_си для перехода лазера в режим «Работа» в момент времени t_пl≤t_п≤t_п3, то управляющий микроконтроллер 20 СУ лазера передает сигнал на формирователь импульсов 3, который формирует на элементах накачки 5 импульсы тока накачки с заданной амплитудой I_н (например, I_н=120 А), частотой следования f_н=f_си и длительностью t_н1≤t_н≤t_н2 в соответствии с функцией вида

Таким образом, СУ лазера циклически определяет температуру элементов накачки, частоту следования импульсов внешних управляющих синхроимпульсов, время работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения и время перерыва между рабочими сериями импульсов излучения и задерживает управляющий сигнал на формирование импульсов тока накачки на элементах накачки 5 с заданной амплитудой I_н и изменяемой длительностью относительно переднего фронта внешнего синхроимпульса СИН с временем задержки при f_н=f_си<1 Гц или при f_н=f_си>1 Гц (фиг. 3, фиг. 4б, фиг. 5), тем самым обеспечивается адаптивное управление временными параметрами импульса тока накачки на элементах накачки, зависящее от эксплуатационных условий (в первую очередь климатических) и режимов работы лазера (импульсный или импульсно-периодический).

Сформированный формирователем импульсов 3 импульс тока накачки заданной амплитуды I_н с частотой следования f_сн=f_н<f_{н_max} и циклически изменяемой (с периодом не более 1 секунды) в процессе функционирования лазера в режиме «Работа» длительностью подается на элементы накачки 5 (фиг. 1), которые начинают генерировать излучение накачки с циклически (не более 1 секунды) изменяемой общей энергией в импульсе. При этом, независимо от температуры элементов накачки и, соответственно, спектра их излучения энергия в импульсе излучения накачки, поглощенная в объеме активного элемента 6, размещенного в оптическом резонаторе 9, остается постоянной в широком диапазоне температур элементов накачки (в пределах значений между максимальной и минимальной температурами). Доля энергии излучения накачки, не поглощенная в активном элементе, а также поглощенная в его объеме идет на тепловые потери. Тепло, выделяемое в квантроне лазера, элементами накачки 5 и в активном элементе 6 в режиме генерации излучения, транспортируется до термоэлектрических модулей 19 при помощи теплообменника 16. Таким образом, возбуждается активная среда между глухим 10 и выходным 14 зеркалами оптического резонатора 9.

Внешний управляющий синхроимпульс излучения (СИИ) (фиг. 3а) в момент времени t₁ поступает на управляющий микроконтроллер 20 СУ лазера. После чего СУ лазера посылает сигнал на запуск драйвера электрооптического затвора 23, формирующего высоковольтный импульс напряжения с амплитудой U_λ/2 на ячейке Поккельса 13 из состава электрооптического затвора (фиг. 3в), в результате чего возникает стабильная по энергии генерация наносекундного моноимпульса лазерного излучения с минимальным временным джиттером. Таким образом, в лазере осуществляется электрооптическая (активная) модуляция добротности. Конфигурация оптического резонатора в совокупности позволяет сформировать пучок выходного излучения с заданными пространственными характеристиками, а именно диаметром и расходимостью. Направление выходного излучения показано на фиг. 2.

В результате, обеспечивается стабилизация энергии в импульсе выходного излучения лазера в широком диапазоне температур элементов накачки как в условиях их импульсно-периодического режима работы с высокой частотой следования импульсов тока накачки, так и в условиях изменения значений температур окружающей среды, минимальный временной джиттер генерируемого моноимпульса излучения, снижение тепловыделения в лазере и общего энергопотребления в целом, сокращение времени выхода лазера на рабочий температурный режим элементов накачки при предельных пониженных и повышенных рабочих температурах окружающей среды, а также мгновенная готовность лазера к функционированию по предназначению в широком диапазоне рабочих температур окружающей среды.

В процессе функционирования лазера его СУ обеспечивает защиту всей лазерной системы от внештатных эксплуатационных режимов работы. При возникновении внештатной ситуации, например, повышении температуры теплоотводящей поверхности внешнего устройства выше заданной, по показаниям второго термодатчика 18 микроконтроллер 20 прерывает работу лазера. Если значение температуры элементов накачки 5 то СУ лазера блокирует формирование импульсов тока накачки, а также отключает термоэлектрические модули 19. Если частота следования импульсов внешних управляющих синхроимпульсов СИН и СИИ (например, Гц), то СУ лазера ограничивает частоту следования формируемых на элементах накачки импульсов тока накачки, так что f_н<f_{н max}.

Управляющий микроконтроллер 20 получает информацию с термодатчиков 8, элементов накачки 5, первого 17 и второго 18 термодатчиков, хранит в энергонезависимой памяти данные о суммарном количестве сформированных на элементах накачки 5 импульсов тока накачки и общей продолжительности наработки лазера во всех режимах его функционирования («Подготовка», «Ожидание» и «Работа») в течение жизненного цикла, обрабатывает их и формирует на выходе лазера информацию для обмена с системой управления внешнего устройства 24.

Таким образом, в твердотельном лазере с диодной накачкой и активной модуляцией добротности осуществляется контроль и диагностика текущей температуры на элементах накачки, частоты следования импульсов внешних управляющих сигналов, времени работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения и времени перерыва между рабочими сериями импульсов излучения, а адаптивное управление длительностью импульса тока накачки заданной амплитуды на элементах накачки, позволяет обеспечить:

- высокую кратковременную (от импульса к импульсу) и долговременную стабильность энергии в импульсе выходного излучения в широком диапазоне рабочих температур и частот следования импульсов излучения элементов накачки без их термостабилизации;

- минимальный временной джиттер генерируемого импульса излучения;

- сокращение времени выхода лазера на рабочий режим при предельных пониженных и повышенных рабочих температурах окружающей среды;

- мгновенную готовность лазера к функционированию по предназначению в широком диапазоне рабочих температур окружающей среды;

- минимальное тепловыделение в лазере и его общее энергопотребление.

Примером практического применения заявленного способа может служить созданный импульсно-периодический (до 30 Гц) YAG:Nd-лазер с поперечной диодной накачкой (максимальная суммарная энергия в импульсе излучения накачки ≤1,5 Дж при максимальной длительности импульса накачки t_н≤230 мкс и ширине спектра излучения накачки<5 нм) и электрооптической модуляцией добротности с активным элементом в виде стержня цилиндрической геометрии из алюмоиттриевого граната с неодимом YAG:Nd³⁺ (∅ × 65) мм с концентрацией активатора 1,1 ат. %. В качестве электрооптического модулятора добротности была применена сборка из высокоомных кристаллов КТР (8 × 8 × 25) мм. В качестве элементов накачки применены матрицы лазерных диодов производства ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ, патент РФ №2544875, в количестве 3 штук. На фиг. 6 представлены экспериментальные (маркеры) зависимости вышеуказанного лазера с активной модуляцией добротности при стабилизации уровня энергии в импульсе выходного излучения 100 мДж, 120 мДж, 140 мДж и 160 мДж со среднеквадратическим отклонением не более 5% и длиной волны ≈ 1064 нм.

За счет наличия спектральных линий поглощения излучения в активной среде лазера (например, для YAG:Nd в спектральном диапазоне от 792 нм до 812 нм) и характерного температурного сдвига центральной длины волны излучения элементов накачки, составляющего ≈ 0,25 нм/°С, а также циклического диагностического контроля значений температур элементов накачки, частоты следования импульсов внешних управляющих сигналов и внедрения в систему электропитания и управления лазера алгоритма адаптивного управления длительностью импульса тока накачки (фиг. 4, фиг. 5) удалось обеспечить высокую (среднеквадратическое отклонение не хуже 8,5%) стабилизацию энергии в импульсе излучения лазера в широком диапазоне температур элементов накачки (≤100°С) без термостабилизации при частоте следования импульсов излучения до 30 Гц.

Основные характеристики созданного твердотельного лазера с диодной накачкой и электрооптической модуляцией добротности: длина волны излучения - ≈ 1064 нм, энергия в импульсе выходного излучения - (120±10) мДж, расходимость лазерного пучка излучения по уровню интенсивности 1/с² - не более 2,5 мрад, частота следования импульсов излучения - до 30 Гц, диаметр пучка излучения - не более 5 мм, длительность импульса излучения на полувысоте ≈ 5 нс, временной джиттер - не более 10 нс, время выхода лазера в режим работы «Ожидание» не более 5 мин при температуре окружающей среды минус 50°С и не более 3 секунд при температуре элементов накачки от 0°С до плюс 85°С, диапазон рабочих температур окружающей среды, в условиях которого допускается эксплуатация лазера - от минус 50°С до плюс 65°С.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании способа по заявляемому изобретению следующей совокупности условий:

- процесс, воплощающий заявленный способ при его осуществлении, предназначен для использования в общепромышленных оптических измерительных системах (машиностроение, авиастроение, ядерная промышленность);

- для заявляемого способа в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.

Следовательно, заявляемый способ соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к области управления параметрами лазерного излучения. В способе стабилизации энергии в импульсе излучения твердотельного лазера с диодной накачкой и активной модуляцией добротности определяют температуру элементов накачки, формируют управляющие сигналы на термоэлектрические модули или нагреватели, а также на формирователь импульсов тока накачки. При температуре элементов выше максимальной формируют сигнал на термоэлектрические модули, при температуре элементов ниже минимальной - на нагреватели, при температуре элементов, между макс. и мин., устанавливают взаимосвязь между длительностью импульса тока накачки и температурой, а также частотой следования импульсов тока накачки, временем работы лазера в режиме генерации излучения, временем перерыва между сериями импульсов и определяют относительно переднего фронта внешнего управляющего синхроимпульса накачки время задержки формирования импульса тока накачки на элементах накачки с заданной амплитудой и управляемой длительностью импульса тока накачки. Температуру, частоту следования импульсов тока, время работы лазера и время перерыва определяют циклически. Технический результат - стабилизация энергии в импульсе излучения твердотельного лазера. 6 ил.

Способ стабилизации энергии в импульсе излучения твердотельного лазера с диодной накачкой и активной модуляцией добротности, заключающийся в том, что определяют температуру элементов накачки, формируют управляющие сигналы на термоэлектрические модули или нагреватели, а также на формирователь импульсов тока накачки, отличающийся тем, что при значении температуры элементов накачки выше максимальной формируют управляющий сигнал на термоэлектрические модули, при значении температуры элементов накачки ниже минимальной формируют управляющий сигнал на нагреватели, при значениях температур элементов накачки, находящихся между максимальной и минимальной температурами, устанавливают взаимосвязь между длительностью импульса тока накачки и температурой элементов накачки, а также частотой следования импульсов тока накачки, временем работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения, временем перерыва между рабочими сериями импульсов излучения и определяют относительно переднего фронта внешнего управляющего синхроимпульса накачки время задержки формирования импульса тока накачки на элементах накачки с заданной амплитудой и управляемой длительностью импульса тока накачки t_н=f(T_{н_ср}, f_н, t_ген, t_п) по следующей функциональной зависимости:

t_з=t_г-t_н=t_г-t_н0(T_{н_ср})⋅f(f_н, t_ген)⋅f(t_п),

где t_г - время генерационного перехода ионов активной среды;

t_н0(T_{н_ср}) - целевая длительность импульса тока накачки в импульсном (при частоте следования < 1 Гц) режиме работы лазера с заданной энергией в импульсе выходного излучения, зависящая от средней температуры элементов накачки T_{н_ср};

f(f_н, t_ген) - компенсационная функция энергетических потерь, связанных с деполяризацией в активном элементе, и зависящая от f_н - частоты следования импульсов тока накачки и t_ген - времени работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения;

f(t_п) - функция, характеризующая распад крайнего значения длительности импульса тока накачки, вычисленного управляющим микроконтроллером лазера в режиме генерации серии импульсов излучения, и зависящая от времени перерыва между рабочими сериями импульсов излучения t_п;

при этом температуру элементов накачки, частоту следования импульсов тока накачки, время работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения и время перерыва между рабочими сериями импульсов излучения определяют циклически.