Устройство для управления добротностью лазерного резонатора Советский патент 1984 года по МПК H01S3/11 

1 Изобретение относится к лазерной технике, более конкретно, к устройству для управления добротностью резонатора, и может быть использовано в передвижных или малогабаритных лазерах, предназначенных для диагностики плазмы, лазерной локации, связи (в частности, тех, которые эксплуатируются в полевых условиях или на транспорте), для получения так на зываемого гигантского импульса лазер ного излучения регулируемой в наносекундном диапазоне длительности,точ .но синхронизируемого с запуском внеш них устройств, например регистратора характеристик оптического излучения. Известно устройство ij для управ ления добротностью лазерного резонатора, содержащее разрядник избыточного давления с системой кондиционир вания и прокачки газа, схему поджига разрядника, злектрооптический модулятор и стабилизированный источник . питания. Известное устройство позволяет уп равлять добротностью лазерного резонатора и получать в заданный момент времени с наносекундной точностью гигантский импульс лазерного излучения с регулируемой в наносекундном диапазоне длительностью. Недостатком указанного устройства являются значительные габариты, огра ничивающие область его применения стационарными лазерными установками, вследствие использования разрядника избыточного давления на элегазе (шестифтористая сера), разлагающемся при работе разрядника на токсичные и непригодные для нормальной работы разрядного промежутка компоненты, что делает необходимой систему кондиционирования и прокачки газа. В случае использования других газов

(например азота) система кондициони- модулятор.

рования и прокачки газа, несколько упрощается, но ухудшаются параметры разрядника.

А

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для управления добротностью лазерного резонатора, включающее установленный в резонатор электрооптический модулятор, схему поджига выход которой соединен с вакуумно-искровым реле, содержащим катод, и стабилизированный источник питания, выходы которого соединены с

К недостаткам следует также отнести необходимость располагать вакуумное искровое реле в непосредственной близости от электрооптического модулятора (не более 400 мм) из-за отсутствия согласования 3 линии подачи управляющего И1 1пульса.

Цель изобретения - расширение диапазона длительности импз/льса лазерного излучения. При этом повышается точность возникновения генерации и надежность устройства. 66 схемои поджига и и вакуумно-искровым реле JZJ . Недостатком известного устройства является отсутствие возможности регулирования длительности лазерного импульса без изменения параметров резонатора (потери в электрооптическом модуляторе уменьшаются и первоначальное состояние восстанавливается только через 300 мкс вследствие экспоненциальной формы управляющего импульса с большой постоянной времени), Кроме того, в известном устройстве невозможно осуществить точную син ронизацию лазерного импульса с внешними устройствами из-за наличия разброса во времени срабатывания схемы поджига и вакуумного искрового реле (20-40 не). Оно обладает низкой точностью поддержания добротности оптимальной в открытом состоянии электрооптического модулятора из-за экспоненциальной формы управляющего импульса, подаваемого на модулятор (скол вершины до 20%)5 и недостаточной надежностью, связанной с возможностью прохождения помехи, возникающей при срабатыванЕ- и вакуумного искрового реле, на схему поджига и внешние устройства, осуществляющие запуск этой схемы, а также с использованием электрооптического модулятора в полуволновом режиме, при котором необходимо применять высокие управляющие напряжения, что повышает вероятность пробоя изоляции и модулирующего кристалла. Применение полуволнового электрооптического модулятора закрытого при отсутствии на нем напряжения, затрудняет юстировку лазерного резонатора, делая необходимым условием ее выполнения подачу постоянного высокого напряжения на

3

Поставленная цель достигается reti, что в устройство для управлени добротностью лазерного резонатора, включающее установленный в резонатор электрооптический г одулятор, схему поджига, выход которой соединея с вакуумным искровым реле, содержащим катод, и стабилизированньй источник питания, выходы которого соединены с схемой поджига и вакуумным искровым реле, введены формирователь управляющего импульса линия задержки и безындуктивный резистор, причем злектрооптический модулятор выполнен четвертьволновым а между выходом вакуумного искрового реле и входом электрооптического модулятора последовательно включены формирователь управляющего импульса, вьтолненный в виде отрезк коаксиальной инии с центральным и периферийным проводниками длиной 2-100 м, и линия задержки, состоящая из второго отрезка коаксиальной линии с центральным и периферийнь проводниками длиной 10-20 А с таким же волновым сопротивлением согласованной нагрузки и разделительного конденсатора, при этом вход формирователя соединен одним концом центрального проводника отрезка коаксиальной линии с выходом вакуумного искрового реле, а периферийным проводником с того же конца отрезка - с центральным проводником на входе второго отрезка коаксиальной линии, выход формирователя разомкнут, выход центрального проводника второго отрезка коаксиальной линии соединен с согласованной нагрузкой и через разделительный конденсатор - с входом электрооптического модулятора, катод вакуумного искрового реле соединен с заземленным безындуктивным резистором, а третий выход стабилизированного источника питания соединен с входом электрооптического модулятора, при этом для повьшения помехоустойчивости, между : ыходом схемы поджига и входом вакуумного искрового реле включены кабельный трансформатор с обмотками и демпферный диод с анодом, при этом первичная обмотка кабельного трансформатора соединена с схемой поджига, один конец вторичной обмотки кабельного трансформатора соединен с анодом

0958664

демпферного днода, а другой - с катодом вакуумного искрового реле.

Такое выполнение устройства позволяет ocyDjecTBHTF регулирование 5 длительности лазерного мпульса (в сторону укорочения по сравнению с известньгм устроГгством) без изменения параметров резонатора варьированием продолжительности открыва10 ния электрооптического модулятора добротности, рав1гой длительности прямоугольного управляющего импульса, подаваемого на модулятор, которая, в свою очередь, определяется длиной отрезка коаксиальной линии, используемой в качества формирователя, и может быть легко изменена д необходимой величины. Введение в устройство линии задержки и безындуктивного резистора (в катодную цепь вакуумного искрового реле) повьшгает точность синхронизации внешних устройств с моментом лазерной генерации до долей наносекунды, поскольку сигнал с этого резистора может быть использован в качестве 1синхроимпульса, а тогда точность синхронизации не зависит от разброса момента срабатывания устройства (20 не), а определяется точностью измерения длины коаксиальной линии, задерживающей импульс управления модулятором; кроме того, наличие задержки в виде согласованной коаксиальной линии позволяет удалить устройство от лазерного резонатора на длину этой линии (практически 1020 м), увеличив его надежность вследствие уменьшения при удалении уровня помех от работы ламп накачки лазера.

Использование в данном устройстве четвертьволнового модулятора позволяет снизить в два раза величину управляющего напряжения, повысить надежность устройства и упростить процесс юстировки резонатора, поскольку четвертьволновый элерооптический модулятор открыт при осутствии напряжения на нем.

Кроме того, управление модулятором добротности при помощи прямоугольного импульса позво.пяет поддерживать добротность мяксимальной в течение всего лазерной генерации и, следовательно, повысить выход светопой энергии, и тем Сгамым, коэффициент полезного дейс вия лазера. На чертеже представлена структу ная схема предлагаемого устройства для модуляции добротности лазерног резонатора. Устройство содержит схему 1 под жига, выход которой соединен через кабельный трансформатор 2 и демпферный высоковольтный диод 3 с вхо дом вакуумного искрового реле Д, к тод которого заземлен через безиндуктивный резистор 5, а выход соединен через формирователь 6 управляющего импульса и линию задержки, в состав которой входят отрезок ко аксиальной линии 7, согласованная нагрузка 8 и разделительный конден сатор 9 с злектрооптическим модулятором 10 добротности. В устройст ве имеется стабилизированный источ ник 11 питания. Устройство работает следующим образом. Импульс запуска усиливается схе мой 1 поджига до уровня 3 кВ, при этом формируется фронт импульса { 10 не), и поступает через кабельньв трансформатор 2 с коэффици ентом трансформации 1:3 и демпферный высоковольтный диод 3 на поджи гающий электрод вакуумного искрово го реле 4. При этом проходят положительные импульсы только в направлении к вакуумному искровому реле, что предотвращает попадание высоковольт ого положительного импульса, возникающего при пробое вак умного искрового реле на поджигающем электроде, в схему поджига и внешние устройства. После пробоя основного промежутка вакуумного ис крового реле 4 через него и безиндуктивный резистор 5, являющийся источником синхроимпульса (СИ), происходит разряд формирователя 6 управляющего импульса. Поскольку формирователь 6 выполнен в виде от резка коаксиальной линии, при его разряде генерируется прямоугольный импульс, длительность которого определяется длиной этого отрезка. Прямоугольный управляющий импульс поступает через линию задержки на электрооптический модулятор 10, причем продолжительность задержки определяется длиной коаксяальной линии 7. 6 На элсктрооптический модулятор 10 от стабилизированного источника 1 1 питания подан постоянный запирающий потенциал, равный четвертьволновому напряжению, его полярность противоположна полярности управляющего импульса. На время, равное длительности последнего, происходит компенсация запирающего потенциала и электрооптический модулятор открывается, его пропускание поддерживается при зтом с постоянной точностью, определяемой сколом вершины управляющего импульса (2-3%) . Стабилизированный источник питания осуществляет также зарядку формирователя и обеспечивает работу схемы поджига. Управляющий импульс имеет фронты 10 не, его длительность может варьироваться от единиц до нескольких наносекунд, разброс времени появления не превьпиает 10 не. Этот разброс не влияет на точность синхронизации с внешними устройствами для регистрации параметров лазерного излучения или других измерений, поскольку они могут быть запущены заранее от синхроимпульса, при этом точность связана только с точностью измерения длины коаксиальной линии, входящей в состав линии задержки, и оптического пути лазерного излучения от электроопт ческого модулятора до регистратора излучения. Таким образом, наличие синхроимпульса, опережающего управляющий модулятором импульс, позволяет осуществить точную синхронизацию момента лазерной генерации с запуском внешних устройств с учетом необходимого для их запуска времени. Разброс времени срабатывания вакуумного искрового реле не оказывает при этом влияния на точность указанной синхрО(1Изации. Это обеспечивает указанную вьште точность управления добротностью лазерного резонатора в пределах долей и единиц не. Указанное вьшолнение устройства позволяет также расширить диапазон длительности лазерного импульса при управлении добротностью лазерного резонатора без изменения его параметров в сторону укорочения по сравнению с известным устройством (прототипом) с 20-150 не в зависимосги от его параметров до единии наносекунд с возможностью получения лазерных импульсов с любой промежуточной внутри указанного диапазона длительностью. Выполнение электрооптического модулятора в данном устройстве в четвертьволновом варианте позволяет уменьшить в 2 раза управляющее напряжение по сравнению с полуволновым модулятором в прототипе, уменьшив тем самым вероятность пробоев, и повысить надежность устройства. При этом одновременно облегчается юстировка резонатора из-за того, что четвертьволновой модулятор открыт в отсутствие напряжения на нем. Надежность повьшается также и за счет введения защитного каскада, который предотвращает попадание высоковольтного импульса помехи из цепи управляющего электрода при пробое вакуумного искрового реле, способного вызвать сбои в работе схемы подяотга и внешних устройств, что проявляется в виде ложных срабатываний. Кроме того 10 668 наличие кабельной линии задержки позволяет удалить устройство от резонатора на длину кабеля, уменьшить тем самым наводки от ламп накачки лазера. Помимо сказанного, указанное выполнение устройства позволяет сохранить малые габариты, экономичность и мобильность устройства, изменять лазерный импульс простым изменением длины формирователя, например подключением дополнительных секций кабельной линии. При этом,прямоугольная управляющая импульса обеспечивает поддержание добротности максимальной с точностью 2% в течение всей его длительности и обрывание генерации ранее полного снятия инверсной населенности в активной среде. Выполнение устройства таким образом практически обеспечивает достижение лазерного импульса по длительности от единиц до сотен наносекунд для длинных резонаторов.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДОБРОТНОСТЬЮ ЛАЗЕРНОГО РЕЗОНАТОРА, включающее установленный в резонатор электрооптический модулятор, схему поджига, выход которой соединен с вакуумным искровым реле, содержащим катод, и стабилизированный источник питания, выходы которого соединены с схемой поджига и вакуумным искровым реле, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона длительности импульса лазерного излучения, в устройство введены формирователь упразляннцего импульса, линия задержки и безындуктивный резистор, причем электрооптический модулятор вьтолнен четвертьволновым, а между выходом вакуумного искрового реле и входом электрооптического модулятора последовательно включены формирователь управляющего импульса, выполненный в виде отрезка коаксиальной линии с центральным и периферийным проводниками длиной 2-100 м, и линия задержки, состоящая из второго отрезка коаксиальной линии с центральным и периферийным проводниками длиной 10-20 м с таким же волновым сопротивлением согласованной нагрузки и разделительного конденсатора, при этом вход формирователя соединен одним концом центрального проводника отрезка коаксиальной линии с выходом вакуумного искрового реле, а периферийным проводником с того же конца отрезка с центральным проводником на входе второго отрезка коаксиальной линии, g выход формирователя разомкнут, выход центрального проводника второго отО) резка коаксиальной линии соединен с с согласованной нагрузкой и через разделительный конденсатор - с входом S электрооптического модулятора, кас тод вакуумного искрового реле соединен с заземленным безындуктивным резистором, а третий выход стабилизированного источника питания соединен с входом электрооптического мосо 1:л дулятора . 2. Устройство по п. 1, отлиэо 65 чающееся тем, что, с целью повьшения помехоустойчивости, между О) выходом схемы поджига и входом вакуумного и искрового реле включены кабельный трансформатор с обмотками и демпферный диод с анодом, при этом первичная обмотка кабельного трансформатора соединена с схемой поджига, один конец вторичной обмотки кабельного трансформатора соединен с анодом демпферного диода, а другой - с катодом вакуумного игкрового реле.