Система стабилизации мощности лазерного излучения и способ ее применения Российский патент 2024 года по МПК H01S3/131 

Область техники

[1] Заявленное изобретение относится к оптоволоконной лазерной технике с резонатором, и может быть использовано в генераторах лазерного излучения для стабилизации мощности излучения, которые, в свою очередь, могут применяться для лазерной обработки материалов, лазерной сварки, в контрольной и измерительной аппаратуре и других областях.

Уровень техники

[2] Система стабилизации мощности лазерного излучения представляет из себя совокупность элементов и механизмов, обеспечивающих воздействие на генератор оптического излучения и на само сфокусированное оптическое излучение с целью поддержания мощности выходного излучения около одного уровня на протяжении длительного времени.

[3] Обратная связь в технике используется для регулирования различных процессов на основе получаемых данных. В зависимости от их величины система автоматически корректирует свою работу, например, для сохранения заданного значения выбранного параметра. В качестве примера может послужить система круиз-контроля в автомобиле: система автоматически прибавляет газ при падении скорости относительно целевой и наоборот.

[4] В настоящее время разрабатывается множество систем стабилизации лазерного излучения, использующих резонаторы. В различных областях применения лазерных установок могут быть необходимы определенные параметры лазерного излучения для достижения результата. К примеру, в навигации и метрологии необходимо стабильное по частоте лазерное излучение, а при лазерной обработке материалов необходимо стабильное по мощности лазерное излучение.

[5] Во внешнем резонаторе расстояния между зеркалами и их кривизна, размеры, температура и другие свойства нелинейных кристаллов, а также многие другие факторы рассчитываются и подбираются специально под параметры излучения, которое попадает в резонатор, для получения в нем резонанса. Однако, тепловое расширение зеркал, линз, кристаллов и иных деталей лазерной установки, изменение коэффициентов преломления под действием температуры, шум или иные внешние механические воздействия, заставляющие колебаться или сдвигаться элементы лазерной установки в целом или элементы резонатора, и другие факторы, могут изменять тщательно подобранные параметры лазерной установки, что приводит к нарушению резонанса, а как следствие к изменению мощности выходящего излучения.

[6] На данный момент, для уменьшения изменений мощности генерируемого излучения используются устройства и системы, которые на основе данных о состоянии излучения внутри резонатора корректируют каки-либо параметры резонатора или генератора излучения для максимального приближения к максимальной мощности или для ее достижения, и удержания этого состояния в нужных пределах на длительный период времени. Как правило, для достижения резонансного состояния внутри резонатора, при изменении его параметров, регулируют длину пути путем перемещения одного из зеркал резонатора. Для этого часто используют пьезокерамику, на которую устанавливают перемещаемое зеркало, и регулируют ее толщину путем подачи на нее напряжения, на основе принципов обратной связи по параметрам излучения. Однако пьезоактуаторы имеют ряд параметров, влияющих на скорость изменения их размеров, и на максимальное возможное изменение их размеров. На первое влияет ширина полосы отработки частот пьезоактуаторов, а на второе - их ширина диапазона подстройки. При использовании одного пьезоактуатора трудно добиться одновременно широкой полосы отработки частот и диапазона подстройки. К тому же при постоянной подаче напряжения на пьезоактуатор, его размеры могут достигнуть максимального значения, после чего происходит срыв захвата в резонаторе. Также используются лазерные системы с волоконными брэгговскими решетками с терморегуляцией для изменения выходной мощности. Известны несколько устройств и способов, использующих принципы обратной связи, позволяющих стабилизировать мощность излучения лазера.

[7] Известно изобретение (US 9667025 B2; опубл. 06.10.2016 г.; МПК: H01S 3/06, H01S 3/067), раскрывающее волоконную лазерную систему, включающую диод накачки, питаемый от мощного генератора, легированное волокно, первую волоконную брэгговскую решетку (ВБР), имеющую первую выходную мощность, при этом усовершенствование включает в себя: терморегулятор подключенный к первому ВБР, повышающий первую выходную мощность до второй выходной мощности, по меньшей мере, в два раза превышающей первую выходную мощность, без увеличения входной мощности генератора.

[8] К недостаткам данного изобретения можно отнести отсутствие возможности использования такого волоконного лазера с внешним резонатором, к примеру для генерации других гармоник. При изменении параметров волоконной брэгговской решетки, меняется длина волны генерируемого излучения, за счет чего излучение в резонаторе может выйти из резонансного состояния, что также будет приводить к уменьшению мощности излучения.

[9] Известно другое изобретение (US 7254153 B2; опубл. 17.05.2017 г.; МПК: H01S 3/083) раскрывающее полупроводниковый лазер с оптической накачкой, включающий в себя активный кольцевой резонатор, имеющий две или более полупроводниковые структуры с оптической накачкой (OPS), каждая из которых включает зеркальную структуру и многослойную структуру усиления. Зеркальные конструкции служат складчатыми зеркалами для оси резонатора. В состав кольцевого резонатора может быть включен оптически нелинейный кристалл для генерации излучения второй гармоники из основного излучения, генерируемого в резонаторе. Может быть предусмотрен другой оптически нелинейный кристалл для генерации излучения третьей гармоники или четвертой гармоники из излучения второй гармоники. В одном примере, включающем кристалл, генерирующий третью гармонику, предусмотрен пассивный кольцевой резонатор, частично соосный с активным кольцевым резонатором, для циркуляции излучения второй гармоники, чтобы обеспечить резонансное усиление излучения второй гармоники для улучшения преобразования третьей гармоники. Раскрыто устройство для автоматического поддержания пассивного кольцевого резонатора в резонансном состоянии по излучению второй гармоники.

[10] Недостатки данного изобретения состоят в том, что для изменения оптической длины пути используется только один пьезоэлектрик, или же пьезоактуатор, так как при использовании одного пьезоактуатора диапазон подстройки и полоса отработки частот будут достаточно узкими, а при достижении края диапазона подстройки будет происходить срыв резонанса из-за перенапряжения пьезокерамики. В следствии чего, резонанс, а следовательно, и мощность, не будут достаточно стабилизированы на протяжении длительного времени, и при внешнем воздействии также возможен срыв резонанса.

[11] Известно также изобретение (US 7130321 B2; опубл. 28.07.2005 г.; МПК: H01S 3/083, H01S 3/10), раскрывающее кольцевой резонатор лазера бегущей волны, включающий в себя один или несколько элементов усиления для генерации фундаментального излучения и три оптически нелинейных кристалла. Часть основного излучения преобразуется в излучение второй гармоники в первом из кристаллов. Оставшееся фундаментальное излучение и излучение второй гармоники пересекают второй из оптически нелинейных кристаллов, где часть каждого преобразуется в излучение третьей гармоники. Основное излучение и излучение второй гармоники проходят через третий из оптически нелинейных кристаллов, где большая часть излучения второй гармоники преобразуется обратно в основное излучение. Излучение третьей гармоники может выводиться из резонатора в виде выходного излучения или смешиваться с основным излучением в четвертом оптически нелинейном кристалле для генерации излучения четвертой гармоники. Также раскрыта конструкция оптического параметрического генератора.

[12] К недостаткам данного изобретения также можно отнести то, что для изменения оптической длины пути используется только один пьезоактуатор, так как при использовании одного пьезоактуатора диапазон подстройки и полоса отработки частот будут достаточно узкими, как было описано выше, а при достижении края диапазона подстройки будет происходить срыв. В следствии чего, резонанс, а следовательно, и мощность, не будут достаточно стабилизированы на протяжении длительного времени, и при внешнем воздействии также возможен срыв резонанса.

[13] Известно другое изобретение (RU 2634368 C1; опубл. 26.10.2017 г.; МПК: H01S 3/139), раскрывающее стабилизированный по частоте излучения лазер, содержащий резонатор, образованный подвижным зеркалом, установленным на пьезокорректоре, и неподвижным зеркалом с установленным на нем пьезодатчиком, фотоприемник, сигнал с выхода которого подается на вход первого предварительного усилителя, пьезодатчик, сигнал с выхода которого подключен к входу второго предварительного усилителя, определитель знака градиента и амплитуды подстройки, выход которого подается на вход пьезокорректора через высоковольтный усилитель, кросс-коррелятор, причем выход первого предварительного усилителя подается на первые входы кросс-коррелятора и определителя знака градиента и амплитуды подстройки, выход второго предварительного усилителя подается на второй вход кросс-коррелятора, отличающийся тем, что он содержит определитель локальных, включая глобальный, максимумов взаимной корреляционной функции и набор полосовых фильтров, причем выход кросс-коррелятора подается на вход определителя локальных, включая глобальный, максимумов взаимной корреляционной функции, выходы определителя связаны с первыми входами соответствующих полосовых фильтров, все вторые входы которых связаны с выходом второго предварительного усилителя, выходы полосовых фильтров подаются на входы сумматора, выход которого связан со вторым входом определителя знака градиента и амплитуды подстройки.

[14] К недостаткам данного изобретения можно отнести то, что при стабилизации частоты, путем изменения длины хода луча, возможно изменение мощности выходного излучения, что может быть критично для лазеров, используемых в областях, где важна именно стабильная мощность. Также, при перенапряжении пьезоактуаторов возможен срыв резонанса, из-за чего возможно резкое изменение мощности излучения.

[15] Недостатками всех вышеупомянутых изобретений является недостаточно широкие диапазоны подстройки и полосы отработки частот пьезоактуаторов, для стабилизации лазерного излучения, а также отсутствие связи между генератором первоначального излучения и резонатором. Это приводит к тому, что при изменении длины волны, перенапряжении пьезоактуаторов, или при внешнем воздействии на лазерную установку возможен выход излучения из резонансного состояния, что приводит к сильному изменению мощности генерируемого излучения.

Сущность изобретения

[16] Задачей настоящего изобретения является создание системы стабилизации мощности оптического сфокусированного излучения, обладающей повышенной эффективностью, на основе принципов обратной связи.

[17] Данная задача решается за счет достижения заявляемым изобретением технического результата, заключающегося в расширении возможностей стабилизации мощности излучения лазерной установки. Расширение возможностей обеспечивается за счет применения одновременно двух актуаторов для перемещения зеркал в резонаторе, один из которых имеет высокую скорость и узкий диапазон подстройки, а второй наоборот - низкую скорость, но широкий диапазон подстройки, а также за счет изменения длины волны входящего в резонатор излучения в случае приближения второго актуатора к пороговым возможностям для перемещения зеркала.

[18] Система стабилизации мощности сфокусированного оптического излучения, включает источник сфокусированного оптического излучения и соединенный с ним модуль управления длиной волны источника, электрооптический фазовый модулятор, выполненный с возможностью преобразования оптического излучения, которое позволяет получить сигнал ошибки из излучения, которое содержит данные о максимальной мощности излучения, резонатор, образованный по крайней мере двумя подвижными зеркалами, установленными на актуаторах, имеющих разные скорости подстройки, систему автоподстройки частоты, выполненную с возможностью управления положениями подвижных зеркал, на основе сигнала ошибки, при помощи подачи сигналов на актуаторы, и с возможностью передавать данные о величине поданного на них напряжения модулю управления длиной волны, фотодатчик, размещенный внутри резонатора, считывающий сигнал ошибки и передающий его на систему автоподстройки частоты, причем система выполнена с обратной связью по длине волны источника излучения, при помощи модуля управления длиной волны на основании данных о поданных на актуаторы сигналах, и по положению подвижных зеркал, при помощи электрооптического фазового модулятора, фотодатчика и системы автоподстройки частоты, управляющей их положениями при помощи актуаторов.

[19] Источник сфокусированного оптического излучения представляет собой устройство, обычно имеющее в себе источник накачки, к примеру диод накачки, рабочее тело, которое может быть выполнено из различных веществ, дающих усиление излучения при накачке, резонатор и другие устройства. Он служит для генерации первоначального излучения, которое впоследствии можно преобразовывать, усиливать и так далее. В частном выполнении системы в качестве источника излучения с возможностью управления его длиной волны может быть использован волоконный лазер с брэгговской решеткой. При использовании актуаторов, их размеры могут дойти до пороговых при постоянном смещении резонанса. Термин «смещение резонанса» означает смещение пика резонансной кривой от предыдущего положения, в результате чего параметры резонатора или излучения необходимо корректировать для возвращения в значение его пика. Модуль управления длиной волны служит для изменения параметров источника, на основе поступающих в него данных, за счет чего изменяется длина волны генерируемого источником излучения для предотвращения достижения порогового размера актуатора, что напрямую влияет на достижение поставленного технического результата. Он работает на основе принципа обратной связи и влияет на источник в процессе его работы на основе данных, полученных от системы автоподстройки частоты о сигнале поданном на медленный актуатор. Для изменения длины волны волоконного лазера с брэгговской решеткой может использоваться терморегулятор, который может охлаждать или нагревать брэгговскую решетку, в результате чего будут изменяться ее параметры, которые влияют на длину волны генерируемого излучения. Влияние температуры на длину волны излучения волоконного лазера с брэгговской решеткой широко известна и очевидна для специалистов данной области техники. Терморегулятор волоконной брэгговской решетки может быть выполнен с использованием электрических нагревателей, водного охлаждения, холодильной камеры и других устройств для изменения температуры волоконной брэгговской решетки.

[20] Электрооптический фазовый модулятор осуществляет модуляцию излучения, проходящего через него, путем изменения его фазы. С помощью него можно передавать сигнал на несущее излучение, которое впоследствии используется для создания сигнала ошибки. Теория модуляции излучения, создания сигнала ошибки и получении данных о пике резонанса, для контроля положений зеркал резонатора, широко известна и очевидна для специалистов данной области техники, и основана на принципах обратной связи.

[21] Резонатор, включающий зеркала, может быть необходим для разных задач, к примеру для усиления излучения, или его фокусировки, если в нем находится активная среда или рабочее тело, или же он может быть частью генератора гармоники, отличной от гармоники источника, при наличии в нем нелинейного кристалла. Обычно в таком случае резонатор делают кольцевым, с большим количеством зеркал, чаще всего четыре, для движения луча только в одном направлении. Однако в ходе работы лазерной системы, параметры резонатора могут меняться, в том числе в результате нагрева, внешних воздействий и тому подобное. В следствии этого возможен срыв резонанса, а следовательно, и уменьшение мощности излучения. При осуществлении движения зеркал резонатора можно не дать системе выйти из резонанса, однако при использовании только одного актуатора для движения одного из зеркал, ширина диапазона подстройки и скорости подстройки недостаточны для длительной и эффективной стабилизации системы и возможности такой стабилизации ограничены. Для увеличения ширины диапазона подстройки актуатор могут делать больших размеров и на него также закрепляется оправа для зеркала, его называют медленным актуатором, однако у него будет узкая полоса отработки частот. Тогда для увеличения скорости подстройки актуатор делают меньших размеров, и зеркало к нему прикрепляют напрямую без оправы, а сам актуатор устанавливается на массивной детали, такой актуатор называют быстрым. Таким образом в системе можно объединить медленный актуатор, но с широким диапазоном подстройки, который в том числе реагирует на медленный дрейф резонанса, и быстрый актуатор, который за счет большой скорости подстройки успевает реагировать на быстрые скачки, флуктуации, внешнее воздействие и так далее. Использование по крайней мере двух актуаторов для перемещения двух зеркал в резонаторе, имеющих разные ширины диапазона и скорости подстройки, напрямую влияет на достижение технического результата, заключающегося в расширении возможностей стабилизации мощности излучения лазерной установки. Управление зеркалами также основано на принципах обратной связи за счет системы автоподстройки частоты, которая с помощью фотодатчика, расположенного в резонаторе, принимает сигнал ошибки, и на его основе подает сигналы на актуаторы для корректировки положений зеркал. В частном воплощении в системе стабилизации в качестве актуаторов используются пьезоактуаторы, меняющие свои размеры в зависимости от поданного на них напряжения. Такие актуаторы обладают широкими полосами отработки частот, по сравнению с некоторыми другими, и при этом они достаточно легки в управлении, они не требуют дополнительных сложных устройств, к примеру, как термические или оптические актуаторы, для их работы достаточны низкие напряжения до 100 В.

[22] Система автоподстройки частоты служит для управления параметрами системы стабилизации мощности излучения. Сигналы от фотодатчиков, полученные на основе модуляции излучения, поступают в режиме реального времени на систему автоподстройки, которая запрограммирована на осуществление операций над этим сигналом, к примеру фильтрует несущую составляющую, складывает боковые составляющие сигнала, и в результате этих операция определяет сигнал ошибки. На основе этого сигнала ошибки система автоподстройки подает сигналы на актуаторы для изменения их размеров или создания механического движения, а следовательно, и изменения положения подвижных зеркал внутри резонатора. За счет этого система автоподстройки частоты корректирует длину пути излучения внутри резонатора в реальном времени для достижения и удержания резонанса в нужных пределах, а следовательно, и мощности выходящего излучения. Также система автоподстройки частоты передает в режиме реального времени данные о поданных на актуаторы сигналах на модуль управления длиной волны источника. Это обеспечивает связь между контролем длины волны генерируемого источником излучения и контролем положений зеркал. За счет такого устройства системы автоподстройки частоты повышается эффективность стабилизации мощности, что напрямую влияет на достижение поставленного технического результата. Также, в частном воплощении система, в случае наличия нелинейного кристалла и модуля управления температурой кристалла, может поддерживать температуру кристалла для получения максимальной мощности излучения, что также повышает эффективность ее работы и расширяет ее возможности по стабилизации мощности.

[23] Фотодатчик, или же фотодетектор, это устройство чувствительное к оптическому излучению, способное преобразовывать попавшее на его чувствительные элементы оптическое излучение в сигнал, чаще всего в электрический. Сигнал может нести информацию о самом излучении, его параметрах и свойствах. В качестве фотодатчиков могут использоваться фотодиоды, фоторезисторы, вентильные фотоэлементы и другие устройства. Для работы системы необходим фотодатчик, выполненный с возможностью считывания сигнала ошибки, то есть нести информацию о частоте излучения, как было описано выше, или о других характеристиках излучения, которые будут нести сигнал ошибки. Устройства и способы работы различных фотодатчиков очевидны для специалистов данной области техники, и могут подбираться в зависимости от параметров излучения, к примеру, частота и интенсивность излучения должны быть не выше диапазона работы фотодатчиков. Фотодатчик в данной системе связан с системой автоподстройки частоты, и передает сигнал на нее.

[24] В другой технической реализации в кольцевом резонаторе находится нелинейный кристалл для генерации гармоники, отличной от гармоники излучения, генерируемого источником, и модуль управления температурой кристалла. Модуль управления температурой кристалла может быть выполнен с использованием электрических нагревателей, водного охлаждения или других устройств или систем. С помощью него можно поддерживать температуру кристалла, так как при изменении его температуры меняется параметр решетки, насыщенность влагой и другие свойства, что также влияет на мощность выходящего излучения. Использование модуля управления температурой расширяет возможности, функциональность и эффективность системы стабилизации мощности лазерного излучения.

[25] Еще одно частное воплощение содержит усилитель излучения, расположенный между модулятором и резонатором, который необходим если начальная мощность источника излучения достаточно низкая, и при использовании генераторов других гармоник мощность может сильно падать, по сравнению с начальным. В качестве усилителя излучения может использоваться полупроводниковый оптический усилитель, волоконный усилитель или другие.

[26] Также в данном изобретении заявляется способ применения системы стабилизации лазерного излучения для достижения технического результата, состоящего из последовательных этапов, на которых:

[27] Сначала генерируют сфокусированное оптическое излучение при помощи источника излучения.

[28] Далее преобразуют это излучение при помощи электрооптического фазового модулятора. Это необходимо для создания сигнала ошибки в излучении, которое необходимо для корректировки параметров резонатора, а следовательно, для достижения резонанса.

[29] Далее осуществляют подачу этого излучения внутрь резонатора.

[30] Потом считывают сигнал с преобразованного излучения при помощи фотодатчика.

[31] Затем осуществляют передачу сигнала на систему автоподстройки частоты.

[32] Далее определяют данные об отклонении от резонансного состояния при помощи системы автоподстройки частоты на основе сигнала ошибки.

[33] Далее подают необходимое для достижения максимальной мощности излучения сигналы на актуаторы при помощи системы автоподстройки частоты. В следствии этого изменяется положение зеркал до необходимого для достижения резонанса, а следовательно, и максимальной мощности.

[34] Потом передают данные о сигнале поданном на актуатор, имеющем более низкую скорость подстройки, с системы автоподстройки частоты на модуль управления длиной волны источника.

[35] Затем изменяют длину волны источника излучения, при приближении величины подстройки актуатора, с более низкой скоростью, к пороговой, при помощи модуля управления длиной волны источника излучения. Это необходимо для предотвращения срыва резонанса, который может произойти при постоянном смещении пика резонанса, в результате чего актуатор достигает своего предельной возможности перемещать зеркало, после чего резонанс может сдвигаться дальше, а актуатор не сможет дальше перемещать зеркало в этом направлении.

[36] Далее поддерживают мощность излучения на заданном уровне с помощью системы автоподстройки частоты и модуля управления длиной волны источника излучения. Это состояние поддерживается автоматически на основе предыдущих этапов.

[37] Также способ отличается тем, что в качестве источника сфокусированного оптического излучения используется волоконный лазер с брэгговской решеткой, а модуль управления температурой выполнен в виде терморегулятора волоконной брэгговской решетки.

[38] Также способ отличается тем, что дополнительно управляют температурой нелинейного кристалла внутри кольцевого резонатора при помощи модуля управления температуры кристалла.

Описание чертежей

[39] Объект притязаний по настоящей заявке описан по пунктам и четко заявлен в формуле изобретения. Упомянутые выше задачи, признаки и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания, в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых показано:

[40] На Фиг. 1 показана принципиальна схема системы стабилизации мощности лазера с самой лазерной установкой, содержащей источник излучения и линейный резонатор согласно настоящему изобретению.

[41] На Фиг. 2 показана принципиальна схема системы стабилизации мощности лазера с самой лазерной установкой, содержащей волоконный лазер с брэгговской решеткой и терморегулятором, и кольцевой резонатор с нелинейным кристаллом и модулем управления температуры кристалла, с двумя подвижными и двумя неподвижными зеркалами на пьезоактуаторах, а также с усилителем излучения согласно настоящему изобретению.

[42] На Фиг. 3 показана блок-схема, изображающая способ применения системы стабилизации мощности лазерного излучения согласно настоящему изобретению.

[43] Указанные чертежи поясняются следующими позициями: Источник излучения - 1; Модуль управления длиной волны источника - 2; Электрооптический фазовый модулятор - 3; Резонатор - 4; Подвижные зеркала - 5; Неподвижные зеркала - 6; Медленный актуатор - 7; Быстрый актуатор - 8; Фотодатчик - 9; Система автоподстройки частоты - 10; Луч направления распространения излучения - 11; Усилитель - 12; Нелинейный кристалл - 13; Волоконный лазер - 14; Волоконная брэгговская решетка - 15; Терморегулятор - 16; Модуль управления температурой кристалла - 17.

Подробное описание изобретения

[44] В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях, хорошо известные методы, процедуры и компоненты не описаны подробно, чтобы не затруднять излишнее понимание особенностей настоящего изобретения.

[45] Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.

[46] На Фиг. 1 показана структурная схема одного из вариантов выполнения системы стабилизации мощности лазерного излучения и самой лазерной установки. Система стабилизации мощности сфокусированного оптического излучения, включает источник сфокусированного оптического излучения 1 и соединенный с ним модуль управления длиной волны источника 2, электрооптический фазовый модулятор 3, выполненный с возможностью преобразования оптического излучения, которое позволяет получить сигнал ошибки из излучения, которое содержит данные о максимальной мощности излучения, резонатор 4, включающий зеркала 5 и 6, при этом по крайней мере два зеркала выполнены подвижными 5 с помощью актуаторов 7 и 8, имеющих разные скорости и диапазоны подстройки, систему автоподстройки частоты 10, выполненную с возможностью управления положениями подвижных зеркал, на основе сигнала ошибки, при помощи подачи сигналов на актуаторы 7 и 8, и с возможностью передавать данные о поданных на них сигналах модулю управления длиной волны источника 2, фотодатчик 9, размещенный внутри резонатора 4, выполненный с возможностью считывания сигнала ошибки и передачи его на систему автоподстройки частоты 10, причем система выполнена с обратной связью по контролю длины волны источника излучения, при помощи модуля управления длиной волны 2 на основании данных о поданных на актуаторы сигналах 7 и 8, и по контролю положения подвижных зеркал 5, при помощи электрооптического фазового модулятора 3, фотодатчика 9 и системы автоподстройки частоты 10, управляющей их положениями при помощи актуаторов 7 и 8.

[47] Источник сфокусированного оптического излучения 1 представляет из себя устройство, обычно имеющее в себе источник накачки, к примеру диод накачки, рабочее тело, которое может быть выполнено из различных веществ, дающих усиление излучения при накачке, к примеру такие как аргон, рубиновые кристаллы, полупроводники и так далее, собственный резонатор и другие устройства. Он может служить для генерации первоначального излучения, которое впоследствии можно преобразовывать, усиливать и так далее. Однако, сам по себе источник 1 можно использовать отдельно, не преобразовывая его излучение, но, если необходимо достичь каких-либо параметров излучения, которые сам источник 1, или другие источники, не могут достигнуть, используются другие элементы для достижения такого результата. К примеру, для генерации ультрафиолетового излучения высокой мощности на протяжении длительного времени можно использовать инфракрасные волоконные лазеры с диодной накачкой, с усилителем и генераторами второй и четвертой гармоник. Получаемое излучение имеет длину волны в ультрафиолетовом диапазоне с высокой мощностью. Также многие лазерные источники оснащены регуляторами длины волны генерируемого ими излучения, которые могут быть как автоматическими, так и управляемые вручную. В настоящем изобретении источник сфокусированного оптического излучения 1 соединен с модулем управления длиной волны 2, и генерирует непрерывное излучение.

[48] В данном изобретении модуль управления длиной волны 2 служит для изменения параметров источника 1, на основе поступающих в него данных, за счет чего изменяется длина волны генерируемого источником излучения, что напрямую влияет на достижение поставленного технического результата. Он работает на основе принципа обратной связи и влияет на источник в процессе его работы на основе данных, полученных от системы автоподстройки частоты 10 о поданном на медленный актуатор сигнале. Более конкретно результат достигается за счет того, что модуль управления длиной волны 2 программируется на принятие сигнала от системы автоподстройки частоты 10 и осуществляет подачу сигнала с определенными характеристиками на источник излучения 1 для изменения длины волны генерируемого им излучения. Для этого система автоподстройки частоты 10 постоянно передает данные о сигнале поданном на медленный актуатор 7 модулю управления длиной волны источника 2, и при приближении или достижении размера этого актуатора или его возможностей перемещения зеркала к пороговому по крайней мере для актуатора 7, которое определяется свойствами самого актуатора, модуль управления длиной волны 2 на основе этого сигнала изменяет параметры источника 1, к примеру ток, температуру или другие, за счет чего меняется длина волны излучения. В частном выполнении системы с использованием в качестве актуаторв пьезоактуаторов, изменяющих свои размеры за счет поданных на них напряжений, при изменении длины волны меняются и параметры необходимые для достижения резонанса в резонаторе 4, к примеру, длина пути луча, причем длина волны изменяется так, что система автоподстройки частоты 10 начинает уменьшать или увеличивать напряжение на пьезоактуаторе, отдаляясь от его порогового значения. К примеру, если напряжение на медленном пьезоактуаторе 7 приближается к верхнему порогу для этого пьезоактуатора, и он приближается к своему максимальному размеру, за счет чего длина пути луча в резонаторе, необходимая для достижения резонанса, уменьшается, система автоподстройки частоты 10 передает сигнал о величине этого напряжения на модуль управления длиной волны 2, а он в свою очередь изменяет параметры источника 1 так, чтобы для результирующей длины волны, испускаемой источником 1, резонансная длина пути луча в резонаторе 4 становилась больше, за счет чего, система автоподстройки частоты 2 начинает уменьшать подаваемое напряжение на пьезоактуатор. Этот процесс напрямую связан с процессом подстройки положения зеркал в резонаторе и повторяется каждый раз, когда напряжение на пьезоактуаторе приближается к пороговому, выполняется автоматически, что сильно уменьшает вероятность срыва резонанса и обеспечивает расширение возможностей и эффективную стабилизацию мощности генерируемого излучения. Приведенный пример является одним из возможных вариантов управления системой с пьезоактуаторами, однако в качестве актуаторов 7 и 8 возможно использовать другие элементы, к примеру оптические или магнитные актуаторы, в таких случаях, система автоподстройки будет передавать данные не о величине напряжения, поданного на актуатор, а о других параметрах сигналов и воздействий, поданных на актуатор 7 системой автоподстройки частоты 10, сигнализирующих о приближении размера актуатора 7 к пороговому. Также известно множество способов изменять параметры лазерных источников, включающих использование различных лазерных источников, устройств для регулирования длин волн этих источников и их расположение. Специалисту из области техники очевидны технические реализации возможных вариантов.

[49] В частном, но не единственном, выполнении системы в качестве источника излучения 1 с возможностью управления его длиной волны может быть использован волоконный лазер 14 с брэгговской решеткой 15, изображенные на Фиг. 2. Для изменения длины волны волоконного лазера 14 с брэгговской решеткой 15 может использоваться терморегулятор 16, который может охлаждать или нагревать брэгговскую решетку 15, в результате чего будут изменяться параметры решетки, которые влияют на длину волны генерируемого излучения. Влияние температуры на длину волны излучения волоконного лазера 14 с брогговской решеткой 15 широко известно и очевидно для специалистов данной области техники. Смещение брэгговской длины волны от изменения температуры ΔT брэгговской решетки может быть описано уравнением:

где - смещение брэгговской длины волны;

ΔT - изменения температуры брэгговской решетки;

α = (1/Λ)(δΛ/δT) - коэффициент термического расширения;

ξ = (1/n)(δn/δT) - термооптический коэффициент.

[50] Терморегулятор волоконной брэгговской решетки может быть выполнен с использованием электрических нагревателей, водного охлаждения, холодильной камеры и других устройств для изменения температуры волоконной брэгговской решетки. В остальном система работает таким же, как было описано выше. Использование волоконного лазера с брэгговской решеткой и терморегулятором позволяет быстро и точно менять длину волны излучения, что так может повысить эффективность системы и расширить ее возможности.

[51] Электрооптический фазовый модулятор 3 осуществляет модуляцию излучения, проходящего через него, путем изменения его фазы. С помощью него можно передавать сигнал на несущее излучение, которое впоследствии используется для создания сигнала ошибки. Процесс создания сигнала ошибки и управления на его основе положениями зеркал может быть описан следующим образом. Электрооптический фазовый модулятор 3 находится перед резонатором 4 и через него проходит сгенерированное источником излучение, которое модулируется и попадает в резонатор 4. К примеру, электрооптический фазовый модулятор 3 может работать на заданной частоте, например 20 мегагерц (МГц), так что спектр излучения, выходящего из модулятора 3, включает несущую составляющую, имеющую частоту излучения генерируемого источником 1, и две боковые частоты, одна на более высокой частоте и одна на более низкой, чем частота несущей составляющей, причем боковые частоты находятся в противофазе. Когда несущая и боковые частоты попадают на фотодатчик 9, он подает сигнал на систему автоподстройки частоты 10. Сигнал, подаваемый на систему автоподстройки частоты 10, включает компоненту частотой 40 МГц, созданную биением боковых частот друг с другом, и две составляющие по 20 МГц, имеющие противоположные фазы, созданные биением боковых частот с несущей. Система автоподстройки частоты 10 выполнена с возможностью электронной фильтрации сигнала с фотодатчика 9 для удаления из него составляющей 40 МГц. Сумма остальных компонентов частотой 20 МГц обеспечивает сигнал ошибки для управления актуаторами 7 и 8. Величина сигнала отражает разницу длины пути излучения в резонаторе 4 от длины пути, необходимой для резонансного состояния. Знак сигнала указывает на то, является ли длина пути слишком длинной или слишком короткой. Сигнал переходит от отрицательного к положительному, через ноль, который является значением сигнала, когда резонатор 4 находится в резонансном состоянии. На основе этого сигнала система автоподстройки частоты 10 подает необходимые сигналы на актуаторы 7 и 8, к примеру, для изменения их толщины, в следствии чего меняется длина пути излучения в резонаторе, за счет этого и достигается резонансное состояние. Такая схема получения сигнала ошибки с помощью фазовой модуляции и управления актуаторами широко известна и очевидна для специалистов данной области техники, и основана на принципах обратной связи. Однако это не единственный способ управления положениями зеркал 5 для поддержания резонанса. Известны и другие способы, которые очевидны для специалистов данной области техники. Этот процесс может выполняться автоматически на протяжении всей работы системы, что также сильно уменьшает вероятность срыва резонанса и обеспечивает эффективную стабилизацию мощности генерируемого излучения, что напрямую влияет на достижение технического результата.

[52] Резонатор 4 может быть необходим для разных задач, к примеру для усиления излучения, если в нем находится активная среда или рабочее тело, также он может быть частью генератора гармоники, отличной от гармоники источника, при наличии в нем нелинейного кристалла. Обычно в таком случае резонатор делают кольцевым, для движения луча только в одном направлении. Однако в ходе работы лазерной системы, параметры резонатора 4 или излучения могут меняться, в том числе в результате нагрева, внешних воздействий и тому подобное. В следствии этого возможен срыв резонанса, а следовательно, и уменьшение мощности излучения. Для удержания системы в резонансном состоянии в настоящем изобретении также регулируется положения зеркал при помощи актуаторов 7 и 8. Изменение параметров генерации приводит к тому, что меняются и условия для достижения резонанса, но изменение положений зеркал 5 меняет длину пути излучения в резонаторе 4, за счет чего может достигаться, или поддерживаться резонансное состояние. Для входа луча в резонатор 4 одно из зеркал делают с максимальной возможной пропускной способностью и минимально возможной отражающей со стороны входа луча в резонатор, и с минимально возможной пропускной способностью и максимально возможной отражающей со стороны, находящейся в резонаторе. Далее излучение двигается внутри резонатора 4, отражаясь от зеркал 5 и 6. Еще одно зеркало, имеет пропускную способность, для вывода излучения из резонатора 4. Его пропускная способность может выбираться исходя из необходимых условий, но, к примру, может составлять 50%, то есть половина мощности излучения, попадающее на это зеркало, отражается обратно, а вторая выходит из резонатора 4. Однако это не единственный вариант выполнения такого зеркала, и подбор оптимальной пропускной способности зеркала очевиден для специалистов данной области техники.

[53] Актуаторы 7 и 8 имеют ряд параметров, влияющих на качество работы системы стабилизации. У актуаторов есть такой параметр как скорость подстройки, которая представляет из себя максимальный диапазон частот с которой актуатор может менять свои размеры при подаче на него сигналов или напряжения. Также у актуаторов есть ширина диапазона подстройки, которая представляет собой максимальный диапазон изменения размеров актуатора. Эти параметры зависят в первую очередь от самого актуатора, а именно от его размеров. Также закрепление массивных объектов на актуаторе уменьшает скорость подстройки. Чем меньше актуатор и масса закрепленных объектов, тем выше его скорость подстройки, а следовательно, и шире полоса отработки частот, но уже диапазон подстройки. При использовании только одного актуатора, его ширина диапазона подстройки и скорость подстройки недостаточны для длительной и эффективной стабилизации системы, так как при увеличении ширины диапазона, будет уменьшаться скорость, а при попытке их усреднения, и ширина диапазона и скорость могут быть недостаточными для эффективной стабилизации, возможности у такой системы достаточно узкие. Способы регулирования положениями зеркал 5 при помощи актуаторов 7 и 8 на основе сигнала ошибки, для поддержания резонанса были описаны выше.

[54] В настоящем изобретении, для расширения возможностей системы стабилизации мощности лазерного излучения, используется по крайней мере два актуатора 7 и 8 для регулирования положений двух зеркал 5, посредством их линейного перемещения этими актуаторами, один из которых имеет широкий диапазон подстройки, но с низкой скоростью подстройки, а второй наоборот, имеет узкий диапазон подстройки, но высокую скорость. Актуаторы 7 и 8, используемые в настоящем изобретении, обеспечивают линейное перемещение зеркал 5 резонатора 4 посредством получения от системы автоподстройки частоты 10 сигналов или под ее воздействием, к примеру нагревом или передаваемым напряжением. Для увеличения ширины диапазона подстройки первый актуатор делают больших размеров и на него также закрепляется оправа для зеркала, он обозначен как медленный актуатор 7. А второй актуатор делают меньших размеров, и зеркало к нему прикрепляют напрямую без оправы, а сам актуатор устанавливается на массивной детали, такой актуатор обозначен как быстрый 8. Таким образом в системе есть медленный актуатор 7, но с широким диапазоном подстройки, и быстрый актуатор 8. Скорость и диапазон подстройки быстрого актуатора 8 в первую очередь выполнены с возможностью противодействовать внешним воздействиям на систему, так как они обычно изменяют условия резонанса быстро, но в небольшом диапазоне, а скорость и диапазон подстройки медленного актуатора 8 выполнены с возможностью противодействовать смещению резонанса, которое изменяется медленно и в широком диапазоне. Однако, это не единственные параметры, которые могут влиять на подбор резонансных частот актуаторов, к примеру это может быть изменение внешних условий генерации, режимов лазерной установки и так далее. Использование двух актуаторов 7 и 8 для перемещения двух зеркал 5 в резонаторе 4, обеспечивает систему возможностью быстро и в широком диапазоне подстраиваться под изменение условий генерации и расширяет ее возможности, что позволяет ей на протяжении длительного времени и с высокой эффективностью сохранять резонансное состояние, следовательно и стабильную высокую мощность излучения на выходе, что напрямую влияет на достижение технического результата, заключающегося в расширении возможностей стабилизации мощности лазерной установки. В качестве актуаторов могут использоваться электростатические актуаторы, у которых расстояния между пластинами конденсаторов зависят от величины поданного на них напряжений, термические актуаторы, которые изменяют свои размеры в зависимости от их температуры, пьезоактуаторы, которые состоят из материалов, меняющих свои размеры в зависимости от поданного на них напряжения и так далее. Наиболее эффективно для регулировки положениями в резонаторе будет использование наноактуаторов - актуаторов, способных менять свои размеры с высокой точностью в диапазоне до 1 мкм. Управление зеркалами 5 также основано на принципах обратной связи за счет системы автоподстройки частоты 10, которая с помощью фотодатчика 9, принимает сигнал ошибки, и на его основе подает сигналы или напряжения на актуаторы 7 и 8 для корректировки положений зеркал, как было описано выше.

[55] В одном из вариантов выполнения системы в качестве актуаторов 7 и 8 могут использоваться пьезоактуаторы, которые меняют свои размеры при подаче на них напряжения. За счет изменения своих размеров они перемещают закрепленные на них зеркала 5, в следствии чего и меняются параметры резонатора 4. Система автоподстройки частоты подает напряжения на пьезоактуаторы для изменения длины пути оптического излучения в резонаторе путем перемещения зеркал 5 по описанному выше механизму. Данный вариант является предпочтительным так как пьезоактуаторы износостойки, благодаря отсутствию трения в их элементах, у них практически неограниченное разрешение и их удобно использовать для нанопозиционирования, они работают при низких напряжениях и обладают низким энергопотреблением, также они могут обладать высокой скорость подстройки и точностью позиционирования. Также пьезоактуаторы обладают такой характеристикой как резонансная частота, которая определяет такие параметры как ширина полосы отработки частот и ширина диапазона подстройки. Ширина полосы отработки частот показывает с какой максимальной частотой пьезоактуатор способен менять свои размеры в зависимости от приложенного напряжения, что является аналогом скорости подстройки актуатора. А ширина диапазона подстройки показывает максимально возможные изменения размеров пьезоактуатора. Эти параметры также зависят от самих пьезоактуаторов, а именно их размеров, эффективной массы и так далее. К примеру, для стабилизации мощности излучения в резонаторе может использоваться быстрый пьезоактуатор 8 с резонансной частотой 60 kHz, и медленный пьезоактуатор 7 с резонансной частотой ниже чем у быстрого. Такие частоты пьезоактуаторов 7 и 8 обеспечивают широкий диапазон подстройки и высокую скорость отработки для стабилизации мощности оптического сфокусированного излучения в резонаторе 4, с высокой точностью подстройки параметров и крайне низким шансом срыва резонанса за счет использования системы автоподстройки частоты 10 соединенной с модулем управления длиной волны 2, которые позволяют избежать достижения предельных значений размеров пьезоактуатора 7 и напряжения подаваемого на него, что напрямую влияет на достижение технического результата.

[56] В одном из вариантов системы резонатор 4 может быть выполнен в виде кольцевого резонатора 4 с двумя подвижными 5 и двумя неподвижными зеркалами 6, как изображено на Фиг. 2. Такой тип резонатора используется для сохранения направления распространения излучения, то есть излучение находится в состоянии бегущей в одном направлении волны, в отличии от линейного резонатора, в котором образуется стоячая волна. Такой тип резонатора позволяет сохранить всю мощность преобразованного излучения, в случае использования нелинейного кристалла внутри резонатора, так как вся энергия излучения направлена в одну сторону, а в случае линейного резонатора половина излучения преобразовывается в одну сторону, а вторая в другую, после чего когерентно сложить их сложно, и выбирают только одну половину излучения. Более того, мощность второй гармоники после преобразования излучения нелинейным кристаллом уменьшается квадратично, и в результате мощность может уменьшиться в четыре раза, по сравнению с кольцевым резонатором. Поэтому, в случае использования нелинейных кристаллов в резонаторах чаще используют резонаторы кольцевого типа для максимизации выходной мощности.

[57] В другой технической реализации в кольцевом резонаторе 4 находится нелинейный кристалл 13 для генерации гармоники, отличной от гармоники излучения, генерируемого источником, с модулем управления температурой кристалла 17, которые также изображены на Фиг. 2. Модуль управления температурой кристалла 17 может быть выполнен с использованием электрических нагревателей, водного охлаждения, электрических термометров или других устройств или систем для измерения и контроля температуры. С помощью него можно поддерживать температуру кристалла 13, так как при изменении его температуры меняются параметры кристалла 13, например параметры решетки, насыщенность влагой и другие свойства, которые также влияют на мощность выходящего излучения. Использование модуля управления температурой 17 расширяет функциональность и эффективность системы стабилизации мощности лазерного излучения за счет уменьшения потерь в нелинейном кристалле 13. Модуль управления температурой кристалла 17 поддерживает температуру кристалла 13 и при отклонении будет возвращать её обратно до необходимой величины.

[58] Система автоподстройки частоты 10 служит для управления параметрами системы стабилизации мощности излучения. Сигналы от фотодатчиков 9, полученные на основе модуляции излучения, поступают в режиме реального времени на систему автоподстройки 10, которая запрограммирована на осуществление операций над этим сигналом с целью получения сигнала ошибки по описанному выше механизму. На основе этого сигнала ошибки система автоподстройки 10 подает сигналы, напряжения или подругому воздействует на актуаторы 7 и 8 для изменения их размеров, а следовательно, и изменения положения подвижных зеркал 5 внутри резонатора 4. За счет этого система автоподстройки частоты 10 корректирует длину пути излучения внутри резонатора 4 в реальном времени для достижения и удержания резонанса в нужных пределах, а следовательно, и мощности выходящего излучения. Эта корректировка также может обладать большей точностью с использованием пьезоактуаторов в качестве актуаторов 7 и 8, которые способны быстро и точно реагировать на сигналы от системы автоподстройки. Система автоподстройки частоты 10 может быть выполнена различными способами, очевидными для специалиста, например, в виде программируемого логического контроллера или иначе. Также система автоподстройки частоты 10 передает в режиме реального времени данные о поданных сигналах или воздействиях на актуатор 7 модулю управления длиной волны источника 2. Это обеспечивает связь между контролем длины волны генерируемого источником излучения и контролем положений подвижных зеркал 5. За счет такого устройства системы автоподстройки частоты 10 расширяются возможности стабилизации мощности, что напрямую влияет на достижение поставленного технического результата.

[59] Фотодатчик 9, или же фотодетектор, это устройство чувствительное к оптическому излучению, способное преобразовывать попавшее на его чувствительные элементы оптическое излучение в сигнал, чаще всего в электрический. Сигнал может нести информацию о самом излучении, его параметрах и свойствах. В качестве фотодатчиков могут использоваться фотодиоды, фоторезисторы, вентильные фотоэлементы и другие устройства. Для работы системы необходим фотодатчик 9, выполненный с возможностью считывания сигнала от излучения, то есть нести информацию о частоте или фазе излучения, как было описано выше, или о других характеристиках излучения, которые будут нести сигнал ошибки. Устройства и способы работы различных фотодатчиков очевидны для специалистов данной области техники, и могут подбираться в зависимости от их параметров и параметров излучения, к примеру, частота и интенсивность излучения должны быть не выше диапазона работы фотодатчиков. Фотодатчик в данной системе, может находиться внутри резонатора 4 или вне его, связан с системой автоподстройки частоты 10, и передает сигнал, полученный от излучения на нее. Существуют варианты расположения фотодатчиков, к примеру возможно использовать зеркало на пути оптического излучения для перенаправления части излучения на фотодетектор, расположенный на небольшом расстоянии от пути оптического излучения, или за одним из зеркал, если выполнить его не с полной отражающей способностью. Однако это не единственные варианты расположения фотодатчика, подбора оптимальной пропускной способности зеркала, другие варианты расположения и получения сигнала фотодатчиком, очевидны для специалистов данной области техники.

[60] Также система стабилизации мощности, в некоторых своих выполнениях, может содержать дополнительные элементы, расширяющие ее функционал. В частности система может содержать генераторы гармоник, отличных от гармоник, генерируемых источником 1, использующих, к примеру нелинейные кристаллы 13, которые могут находиться перед или в резонаторе 4. Также система может дополнительно включать усилитель излучения 12, расположенный между модулятором 3 и резонатором 4, который необходим если начальная мощность источника излучения 1 достаточно низкая, или если используются генераторы других гармоник, за счет которых мощность может сильно падать, по сравнению с начальным. В качестве усилителя излучения может использоваться полупроводниковый оптический усилитель, волоконный усилитель или другие.

[61] На Фиг. 3 показана блок-схема, изображающая один из способов использования системы стабилизации мощности излучения. Согласно нему, сначала осуществляют генерацию сфокусированного оптического излучения при помощи источника излучения 1. В качестве источника 1 может быть выбран лазер с возможностью управления длиной волны генерируемого им излучения с помощью модуля управления длиной волны 2, к примеру твердотельный лазер с диодной накачкой, волоконный лазер или другие. Также в одном из вариантов способа для генерации излучения используется волоконный лазер 14 с брэгговской решеткой 15, а в качестве модуля управления длиной волны 2 используется терморегулятор брэгговской решетки 16.

[62] Далее преобразуют это излучение при помощи электрооптического фазового модулятора 3. Это необходимо для создания сигнала ошибки в излучении, которое необходимо для корректировки параметров резонатора 4, а следовательно, для достижения резонанса, как было описано выше. Использование модуляции сигнала для получения сигнала ошибки позволяет эффективно управлять положениями зеркал 5 для достижения резонанса, а следовательно, и максимальной мощности. Причем модуляция происходит на протяжении всей работы системы в реальном времени, что позволяет ей удерживаться около резонансного состояния или в нем на протяжении длительного времени.

[63] Далее осуществляют подачу этого излучения внутрь резонатора 4. Причем излучение непрерывно. Луч направления движения излучения 11 изображен на Фиг. 1 и Фиг. 2.

[64] Потом считывают сигнал с преобразованного излучения при помощи фотодатчика 9.

[65] Затем осуществляют передачу сигнала на систему автоподстройки частоты 10.

[66] Далее определяют данные об отклонении от резонансного состояния при помощи системы автоподстройки частоты 10 на основе сигнала ошибки, по описанному выше механизму.

[67] Далее подают необходимые для достижения максимальной мощности излучения сигналы на актуаторы 7 и 8 при помощи системы автоподстройки частоты 10. В следствии этого изменяется положение зеркал 5, а следовательно длины пути излучения в резонаторе 4, до необходимого для достижения или приближения к резонансу, а следовательно, и максимальной мощности излучения.

[68] Потом передают данные о сигнале поданном на актуатор 7, имеющем более низкую скорость подстройки, с системы автоподстройки частоты 10 на модуль управления длиной волны источника 2.

[69] Затем изменяют длину волны источника излучения, при приближении величины подстройки актуатора 7, с более низкой скоростью подстройки, к пороговой, при помощи модуля управления длиной волны источника излучения 2. Это необходимо для предотвращения срыва резонанса, который может произойти при постоянном смещении пика резонанса, в результате чего актуатор 7 достигает своего предела по перемещению зеркала, после которого резонанс может сдвигаться дальше, а актуатор не сможет дальше перемещать зеркало в этом направлении..

[70] Далее поддерживают мощность излучения на заданном уровне с помощью системы автоподстройки частоты 10 и модуля управления длиной волны источника 2. Это состояние поддерживается автоматически на основе предыдущих этапов. Работа модуля управления длиной волны 2 напрямую связана с положениями зеркал 5 и системой автоподстройки частоты 10, так как именно на основе данных о сигнале или воздействии на актуатор 7 управляется и длина волны, что и обеспечивает высокую стабильность мощности на протяжении длительного времени.

[71] Также способ отличается тем, что дополнительно управляют температурой нелинейного кристалла 13 внутри резонатора 4 при помощи модуля управления температуры кристалла 17. Это также обеспечивает расширение возможностей стабилизации мощности излучения.

[72] В представленной наилучшей реализации система стабилизации мощности лазерного излучения работает следующим образом. Запускают источник сфокусированного оптического излучения, выполненного в виде волоконного лазера с брэгговской решеткой, и его излучения пропускают через электрооптический фазовый модулятор, который преобразует излучение. Далее излучение усиливается при помощи усилителя излучения и попадает в резонатор. Резонатор выполнен кольцевым с нелинейным кристаллом. Излучение начинает циркулировать в резонаторе отражаясь от зеркал, и часть излучения попадает на фотодетектор, который считывает сигнал с преобразованного излучения и направляет сигнал в виде электрических импульсов на систему автоподстройки частоты в режиме реального времени. В системе автоподстройки частоты вычитается сигнал несущей составляющей и складываются две боковые составляющие, за счет чего определяется сигнал ошибки, на основе величины и знака которого система автоподстройки частоты подает напряжения на пьезоактуаторы, чтобы вернуть систему в резонансное состояние. Сигнал, несущий информацию о величине поданного на пьезоактуатор, с более низкой резонансной частотой, напряжении, передается на модуль управления длиной волны источника, выполненного в виде терморегулятора. Если величина этого напряжения приближается к пороговому значению для данного пьезоактуатора, то терморегулятор начинает охлаждать или нагревать брэгговскую решетку, за счет чего меняется длина волны излучения источника, причем длина волны меняется так, чтобы системе автоподстройки частоты было необходимо подать напряжение на медленный пьезоактуатор меньшее или большее предыдущего, отдаляясь от порогового. Также во время этого модуль управления температурой кристалла получает информацию о температуре нелинейного кристалла в режиме реального времени. После этого модуль определяет отклонение температуры кристалла от наиболее эффективной и повышает или понижает его температуру до необходимой. После преобразования излучения в резонаторе, оно из него выводится. Система стабилизации продолжает работать и стабилизировать мощность выходящего излучения на протяжении всей генерации излучения автоматически, и способна работать без сильных изменений мощности на протяжении длительного времени. После преобразования излучения в резонаторе, оно из него выводится.

[73] Таким образом, упомянутые элементы напрямую влияют на технический результат, заключающийся в расширении возможностей стабилизации мощности излучения лазерной установки.

[74] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки запрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов соответствующей области техники.

Изобретение относится к оптоволоконной лазерной технике, и может быть использовано в генераторах лазерного излучения для стабилизации мощности излучения. Система стабилизации мощности сфокусированного оптического излучения, включает источник сфокусированного оптического излучения, модуль управления длиной волны источника, электрооптический фазовый модулятор, для преобразования оптического излучения, резонатор, образованный двумя подвижными зеркалами, установленными на актуаторах, имеющих разные скорости подстройки, систему автоподстройки частоты, управляющую положениями подвижных зеркал, на основе сигнала ошибки, при помощи актуаторов, фотодатчик внутри резонатора, считывающий сигнал ошибки и передающий его на систему автоподстройки частоты, система выполнена с обратной связью по длине волны источника излучения, при помощи модуля управления длиной волны на основании данных о поданных на актуаторы сигналах, и по положению подвижных зеркал, при помощи электрооптического фазового модулятора, фотодатчика и системы автоподстройки частоты, управляющей их положениями при помощи актуаторов. Технический результат - расширение возможностей стабилизации мощности излучения. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система стабилизации мощности сфокусированного оптического излучения, включающая:

- источник сфокусированного оптического излучения и соединенный с ним модуль управления длиной волны источника,

- электрооптический фазовый модулятор, выполненный с возможностью преобразования оптического излучения для получения сигнала ошибки,

- резонатор, включающий зеркала, при этом по крайней мере два зеркала выполнены подвижными с помощью актуаторов, имеющих разные скорости и диапазоны подстройки,

- систему автоподстройки частоты, выполненную с возможностью управления положениями подвижных зеркал и передачи данных модулю управления длиной волны источника,

- фотодатчик, размещенный внутри резонатора, выполненный с возможностью принятия сигнала от излучения и передачи его на систему автоподстройки частоты.

2. Система стабилизации мощности лазерного излучения по п.1, отличающаяся тем, что источник сфокусированного оптического излучения выполнен в виде волоконного лазера с брэгговской решеткой.

3. Система стабилизации мощности лазерного излучения по п.2, отличающаяся тем, что модуль управления длиной волны выполнен в виде терморегулятора волоконной брэгговской решетки.

4. Система стабилизации мощности лазерного излучения по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно включает генератор гармоники, отличной от гармоники, генерируемой источником.

5. Система стабилизации мощности лазерного излучения по п.4, отличающаяся тем, что дополнительный генератор гармоники включает в себя нелинейный кристалл.

6. Система стабилизации мощности лазерного излучения по п.1, отличающаяся тем, что резонатор выполнен кольцевым.

7. Система стабилизации мощности лазерного излучения по п.1, отличающаяся тем, что в качестве актуаторов используются пьезоактуаторы.

8. Система стабилизации мощности лазерного излучения по п.6, отличающаяся тем, что кольцевой резонатор дополнительно включает нелинейный кристалл, для генерации гармоники отличной от гармоники, генерируемой источником.

9. Система стабилизации мощности лазерного излучения по п.8, отличающаяся тем, что дополнительно включает модуль управления температурой кристалла.

10. Система стабилизации мощности лазерного излучения по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно включает усилитель излучения.

11. Система стабилизации мощности лазерного излучения по п.1, отличающаяся тем, что скорость и диапазон подстройки актуатора выполнены с возможностью противодействовать внешним воздействиям.

12. Система стабилизации мощности лазерного излучения по п.1, отличающаяся тем, что скорость и диапазон подстройки второго актуатора выполнены с возможностью противодействовать смещению резонанса.

13. Способ стабилизации мощности лазерного излучения, при котором:

- генерируют сфокусированное оптическое излучение при помощи источника излучения,

- преобразуют излучение при помощи электрооптического фазового модулятора,

- осуществляют подачу излучения внутрь резонатора,

- считывают сигнал ошибки с преобразованного излучения при помощи фотодатчика,

- осуществляют передачу сигнала на систему автоподстройки частоты,

- определяют данные об отклонении от резонансного состояния при помощи системы автоподстройки частоты на основе сигнала ошибки,

- подают необходимые для достижения максимальной мощности излучения сигналы на актуаторы при помощи системы автоподстройки частоты,

- передают данные о сигнале поданном на актуатор, имеющем более низкую скорость подстройки, на модуль управления длиной волны источника,

- изменяют длину волны источника излучения, при приближении величины подстройки актуатора, с более низкой скоростью, к пороговой, при помощи модуля управления длиной волны источника,

- поддерживают мощность излучения на заданном уровне с помощью системы автоподстройки частоты и модуля управления длиной волны источника.

14. Способ стабилизации лазерного излучения по п.13, отличающийся тем, что генерируют сфокусированное оптическое излучение при помощи волоконного лазера с брэгговской решеткой.

15. Способ стабилизации лазерного излучения по п.14, отличающийся тем, что модуль управления длиной волны источника выполнен в виде терморегулятора волоконной брэгговской решетки.

16. Способ стабилизации лазерного излучения по п.13, отличающийся тем, что актуаторы выполнены в виде пьезоактуаторов.

17. Способ стабилизации лазерного излучения по п.13, отличающийся тем, что резонатор выполнен кольцевым и содержит нелинейный кристалл температурой которого управляют при помощи модуля управления температуры кристалла.

18. Способ стабилизации лазерного излучения по п.17, отличающийся тем, что дополнительно усиливают излучение после его прохождения через электрооптический фазовый модулятор.

19. Способ стабилизации лазерного излучения по п.18, отличающийся тем, что преобразуют излучение после усиления в излучение второй гармоники.

20. Способ стабилизации лазерного излучения по п.19, отличающийся тем, что преобразуют излучение второй гармоники в кольцевом резонаторе в излучение четвертой гармоники.