МОЩНЫЙ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР С НЕУСТОЙЧИВЫМ РЕЗОНАТОРОМ Советский патент 2006 года по МПК H01S3/86 

Изобретение относится к области квантовой электроники, а конкретно - к лазерной технике, и может быть использовано при создании мощных импульсно-периодических лазеров с неустойчивыми резонаторами.

Система автоматической подъюстировки содержит два дистанционных электромеханических привода регулировки рабочей плоскости заднего резонатора (зеркала) по горизонтали и вертикали, два болометрических датчика, установленных по ходу излучения лазера на подвижные каретки, обеспечивающие их возвратно-поступательное движение (перемещение) поперек апертуры излучения в направлении, одноименном с направлением поворота заднего резонатора (зеркала), а выход каждого датчика последовательно соединен с вычислительным устройством и приводами заднего резонатора (зеркала).

Для импульсно-периодического лазера такая система автоматической подъюстировки непригодна, поскольку в течение длительности импульса излучения каретки с болометрами не успевают просканировать апертуру излучения и выдать информацию о разъюстировке лазера на вычислительное устройство, к тому же электромеханические приводы за такие малые интервалы времени не в состоянии отработать управляющий сигнал.

Отметим также, что, если разъюстировка в момент пуска лазера будет велика, то генерация вообще не возникнет и система автоюстировки не будет действовать. Кроме того, введение в пучок излучения болометров уменьшает мощность излучения, а при высоких плотностях энергии излучения (порядка 2·10⁷ Вт/см²) на болометрах образуется плазма, которая ухудшает пространственную структуру пучка излучения, снижает его мощность и вносит большие погрешности в измерение распределения энергии по сечению пучка излучения, уменьшая точность сигнала о разъюстировке.

Известен также лазер с устройством юстировки, содержащим юстировочный лазер, установленный за глухим зеркалом соосно центральному отверстию, выполненному в глухом зеркале; приводы для угловых перемещений глухого зеркала; фокусирующее зеркало, установленное по ходу излучения лазера и оптически сопряженное с ним. Юстировка лазера осуществляется с помощью излучения вспомогательного лазера, вводимого через центральное отверстие в глухом зеркале резонатора вдоль его оптической оси. Юстировка проводится в период подготовки лазера к работе или в паузах между импульсами (сериями импульсов) основного излучения. Последнее оправдано тем, что процессы, приводящие к падению мощности лазера вследствие разъюстировки, в основном развиваются после прохождения импульса (серии импульсов) основного излучения. Такими процессами являются деформации конструкции при работе лазера, деформации поверхности зеркал вследствие их неравномерного нагрева, неоднородности активной среды, появляющейся при ее неравномерном нагреве и расслоении из-за наличия компонентов, составляющих активную среду и т.д.

Однако в этом устройстве несмотря на высокую точность начальной юстировки резонатора не предусмотрена автоматическая подъюстировка перед каждым импульсом (серией импульсов), а ручная подъюстировка невозможна из-за ограниченности длительности пауз между импульсами и значительной трудоемкости этой операции. Следовательно, в лазере не обеспечено получение стабильной максимальной выходной мощности излучения.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение стабильной максимальной выходной мощности излучения импульсно-периодического лазера за счет автоматической подъюстировки его резонатора.

Эта цель достигается тем, что в систему юстировки лазера, содержащую: юстировочный лазер, установленный за глухим зеркалом соосно центральному отверстию, выполненному в нем; электромеханические приводы для угловых перемещений глухого зеркала; фокусирующее зеркало, оптически сопряженное с лазером, установленное по ходу его излучения, введены датчик разъюстировки, установленный в фокусе фокусирующего зеркала, и блок формирования управляющего сигнала, электрически связанный с датчиком разъюстировки и электромеханическими приводами, при этом система юстировки снабжена устройством защиты юстировочного лазера и фокусирующего зеркала.

В свою очередь датчик разъюстировки может быть выполнен в следующем виде: две идентичные световодные матрицы размещаются на двух взаимно перпендикулярных осях и состоят из расположенных в один ряд с одинаковым шагом и нормально к поверхности несущей пластины световодов, свободные концы которых от каждой световодной матрицы соединены через светофильтры соответственно с одной из двух матриц фотоприемников, выходы каждой матрицы фотоприемников соединены со входами двух идентичных каналов, каждый из которых содержит: аналоговый коммутатор, усилитель, первый и второй компараторы, аналоговый ключ, разрядную цепь, первый и второй логические элементы "И", реверсивный счетчик, триггер, регистр, счетчик импульсов, генератор импульсов, дешифратор, причем выход аналогового коммутатора подключен ко входу усилителя, выход усилителя - ко входу первого компаратора, выход первого компаратора - ко второму входу аналогового ключа, первый вход которого соединен с источником питания, выход аналогового ключа связан со входом разрядной цепи, выход разрядной цепи - со входом второго компаратора, выход второго компаратора - с первым входом реверсивного счетчика и счетным входом триггера, выход реверсивного счетчика подключен к первому входу регистра, первый выход генератора импульсов связан с первыми входами первого и второго логических элементов "И", выходы которых подключены соответственно ко второму и третьему входам реверсивного счетчика, вход счетчика импульсов связан со вторым выходом генератора импульсов, первый выход счетчика импульсов соединен со входом дешифратора, второй выход - с четвертым входом реверсивного счетчика, третий выход - со вторым входом регистра, выход дешифратора связан со входом управления аналогового коммутатора, инверсный выход триггера подключен ко второму входу первого логического элемента "И", а неинверсный выход - ко второму входу второго логического элемента "И".

При этом устройство зашиты юстировочного лазера и фокусирующего зеркала содержит: шторку с электромеханическим приводом, расположенную между юстировочным лазером и глухим зеркалом; электрический привод фокусирующего зеркала, шарнирно соединенный с ним; блок синхронизации, выход которого связан со входами электроприводов шторки и фокусирующего зеркала.

На фиг.1 схематически изображена структурная схема мощного импульсно-периодического лазера с неустойчивым резонатором, в котором предусмотрено поддержание максимальной выходной мощности излучения; на фиг.2 показан вариант структурной схемы датчика разъюстировки по двум координатам (каналам); на фиг.3 схематично изображены две идентичные световодные матрицы; на фиг.4 приведены временные диаграммы работы датчика разъюстировки.

Мощный импульсно-периодический лазер с неустойчивым резонатором (см. фиг.1), образованным глухим 1 и полупрозрачным 2 зеркалами, содержит: систему автоматической юстировки, включающую в себя юстировочный лазер 3, датчик разъюстировки 4, блок формирования управляющего сигнала 5, электромеханические приводы 6, фокусирующее зеркало 7, блок синхронизации 8, шторку с электромеханическим приводом 9, привод фокусирующего зеркала 10. Причем юстировочный лазер 3 расположен за глухим зеркалом 1, имеющим центральное отверстие, через которое излучение юстировочного лазера 3 вводится вдоль оптической оси в резонатор, фокусирующее зеркало 7 оптически сопряжено с лазером и установлено по ходу его излучения, датчик разъюстировки 4 расположен в фокусе фокусирующего зеркала 7. Первый и второй выходы датчика разъюстировки 4, соответствующие двум каналам управления, соединены с первым и вторым входами блока формирования управляющего сигнала 5, первый выход которого подключен к электромеханическому приводу 6 первого канала, а второй выход - к электромеханическому приводу 6 второго канала. Выход блока синхронизации 8 связан со входами электромеханического привода 9 шторки и привода фокусирующего зеркала 10.

Датчик разъюстировки 4 (см. фиг.2) содержит: две идентичные световодные матрицы 11 (см. фиг.3), размещенные на двух взаимно перпендикулярных осях и состоящие из расположенных в один ряд с одинаковым шагом световодов 12; два идентичных канала обработки сигнала разъюстировки, каждый из которых включает в себя светофильтр 13, матрицу фотоприемников 14, аналоговый коммутатор 15, усилитель 16, первый компаратор 17, аналоговый ключ 18, разрядную цепь 19, второй компаратор 20, первый логический элемент "И" 21, второй логический элемент "И" 22, реверсивный счетчик 23, триггер 24, регистр 25, генератор импульсов 26, счетчик импульсов 27, дешифратор 28. Причем свободные концы световодов 12 от каждой световодной матрицы 11 соединены через светофильтр 13 с матрицей фотоприемников 14 соответствующего канала обработки сигнала разъюстировки (первого или второго). Выходы матрицы фотоприемников 14 с первого по n-ный подключены к соответствующим входам аналогового коммутатора 15, выход которого связан со входом усилителя 16. Выход усилителя 16 соединен со входом первого компаратора 17, подключенного выходом ко второму входу аналогового ключа 18, первый вход которого связан с источником питания Е_n, а выход - со входом разрядной цепи 19. Вход второго компаратора 20 подключен к выходу разрядной цепи 19, а выход - к первому "разрешающему" входу реверсивного счетчика 23 и первому счетному входу триггера 24, второй вход которого подключен к клемме "установка 0". Первый вход генератора импульсов 26 связан с первыми входами логических элементов "И" 21 и 22, второй выход - со входом счетчика импульсов 27, первый выход которого подключен ко входу дешифратора 28, а третий выход соединен со вторым входом "разрешения" записи регистра 25. Выход дешифратора 28 подключен ко входу управления аналогового коммутатора 15, Первый инверсный выход триггера 24 связан со вторым входом первого логического элемента "И" 21, а второй неинверсный выход - со вторым входом второго логического элемента "И" 22, Выход первого логического элемента "И" 21 подключен ко второму суммирующему входу реверсивного счетчика 23, а выход второго логического элемента "И" 22 - к третьему вычитающему входу реверсивного счетчика 23, выход которого соединен с первым входом регистра 25. Второй выход счетчика импульсов 27 соединен с четвертым входом реверсивного счетчика 23.

Работа мощного импульсно-периодического лазера с неустойчивым резонатором при поддержании стабильной максимальной выходной мощности осуществляется следующим образом.

На время длительности импульса (серии импульсов) основного излучения система автоматической юстировки отключается, при этом блок синхронизации 8 вырабатывает управляющий сигнал, поступающий на электромеханический привод 9 шторки защиты, которая перекрывает апертуру юстировочного лазера 3, защищая его от воздействия основного излучения, и на привод фокусирующего зеркала 10, выводящий фокусирующее зеркало 7 из тракта излучения лазера.

Во время паузы между импульсами (сериями импульсов) фокусирующее зеркало 7 вводится в тракт излучения, а шторка с электромеханическим приводом 9 открывает апертуру юстировочного лазера 3, излучение которого вводится через центральное отверстие в глухом зеркале 1 вдоль оптической оси в резонатор. По вспомогательному излучению юстировочного лазера 3, совпадающему на выходе резонатора с основным и сфокусированному фокусирующим зеркалом 7 на датчик раэъюстировки 4, последний вырабатывает по двум каналам цифровые коды, пропорциональные разъюстировке резонатора лазера, которые поступают на блок формирования управляющего сигнала 5, преобразующий эти кода в сигналы управления электромеханическими приводами 6 для угловых перемещений глухого зеркала 1 по двум координатам. Электромеханические приводы 6 перемещают глухое зеркало 1 таким образом, чтобы уменьшить величину разъюстировки резонатора лазера и, следовательно, увеличить мощность излучения в последующем импульсе. При этом подъюстировка осуществляется непрерывно в паузах между импульсами (сериями импульсов) основного излучения.

Формирование сигнала разъюстировки по одному из каналов осуществляется следующим образом. Дифракционная картина в виде системы концентрических контуров фокусируется на световодную линейную матрицу 11, пересекая последнюю в двух зонах. Разница в ширине зон в местах пересечения пропорциональна величине разъюстировки (см. а.с. СССР №205110 МКИ Н 01 S 3/086). Ширина зон определяется между первым внешним и последним внутренним контурами дифракционной картины. Световой сигнал дифракционной картины поступает по световодам 12 через светофильтр 13 на оптические входы фотоприемной матрицы 14.

Аналоговый коммутатор 15, управляемый дешифратором 28 по входу управления "W" осуществляет последовательный "опрос" фотоприемников матрицы 14 и, следовательно, соответствующих световодов 12, расположенных в один ряд с одинаковым шагом. Сигнал с выхода аналогового коммутатора 15 поступает на вход усилителя 16, осуществляющего усиление и интегрирование. Постоянная интегрирования усилителя 16 выбрана таким образом, чтобы исключить пичковую структуру входного сигнала, обусловленную коммутацией дискретных сигналов с матрицы фотоприемников 15. Сигнал с выхода усилителя 16 (см. фиг.4а) поступает на вход первого компаратора 17, который формирует на выходе импульсы управления (см. фиг.4б) при превышении входного сигнала над уровнем "порогового" напряжения U пор. При поступлении на второй вход аналогового ключа 18 импульса управления с выхода первого компаратора 17 напряжение источника питания E_n с первого, входа аналогового ключа 18 подключается ко входу разрядной цепи 19 и заряжает конденсатор С до напряжения Е_n. По окончании импульса управления аналоговый ключ 18 отключает разрядную цепь 19 от источника питания и конденсатор С начинает разряжаться через резистор R с постоянной времени τ_p=RC. При этом напряжение на входе второго компаратора 20, подключенного к выходу разрядной цепи 19, уменьшается по экспоненциальному закону (см. фиг.4в). Скорость "опроса" матрицы фотоприемников 14 аналоговым коммутатором 15 выбирается таким образом, чтобы до прихода следующего импульса управления (см. фиг.4б) на второй вход аналогового ключа 18 напряжение на выходе разрядной цепи 19 не уменьшилось до величины порогового напряжения (U пор) второго компаратора 20 (см. фиг.4в). В момент прихода следующего импульса управления на второй вход аналогового ключа 18 напряжение на выходе разрядной цепи 19 достигает величины E_n. По окончании последнего импульса управления, соответствующего последнему контуру дифракционной картины в первой зоне пересечения, напряжение на выходе разрядной цепи 19 уменьшается за время τ₁ (см. фиг.4в) до уровня U пор. При этом на выходе второго компаратора 20 формируется импульс с длительностью, пропорциональной ширине первой зоны пересечения, поступающий на первый вход "разрешения счета" реверсивного счетчика 23, и первый счетный вход триггера 24. Аналогично формируется импульс с длительностью, пропорциональной ширине второй зоны пересечения (см. фиг.4г). По заднему фронту импульсов с выхода второго компаратора 20 триггер 24 переключается (см. фиг.4д). Второй вход триггера 24 "Уст. 0" служит для согласования направления перемещения электромеханического привода 6 с направлением сканирования аналогового коммутатора 15. Триггер 24 осуществляет чередование подключения первого выхода генератора импульсов 26 ко второму суммирующему и третьему вычитающему входам реверсивного счетчика 23 через логические элементы "И" 21 и 22 по их первым входам. Реверсивный счетчик 23, таким образом, суммирует количество импульсов, поступивших на его второй вход (см. фиг.4е), и вычитает из этой суммы количество импульсов, поступивших на его третий вход (см. фиг.4ж). На выходе реверсивного счетчика 23 к концу периода "опроса" матрицы фотоприемников появляется цифровой код, пропорциональный разъюстировке, который записывается в регистр 25 по его первому входу при поступлении на его второй вход импульса с третьего выхода счетчика импульсов 27. По окончании записи цифрового кода в регистр 25 осуществляется "обнуление" цифрового кода реверсивного счетчика 23 импульсом, поступающим на четвертый вход реверсивного счетчика 23 со второго выхода счетчика импульсов 27. Счетчик импульсов 27 осуществляет счет импульсов, поступающих со второго выхода генератора импульсов 26, а также управляет по первому выходу дешифратором 28. По окончании импульса "обнуления" со второго выхода счетчика импульсов 27 начинается следующий цикл работы датчика разъюстировки 4.

Предлагаемое техническое решение обладает рядом преимуществ по сравнению с прототипом:

- обеспечивается поддержание стабильной выходной мощности импульсно-периодического лазера за счет подъюстировки его резонатора между импульсами (сериями импульсов) основного излучения по вспомогательному излучению с помощью системы автоматической юстировки;

- облегчается процесс и сокращается время подготовки импульсно-периодического лазера к работе за счет автоматизации юстировки его резонатора;

- обеспечивается защита юстировочного лазера и фокусирующего зеркала за счет введения шторки с электромеханическим приводом, расположенной между юстировочным лазером и глухим зеркалом, и электрического привода фокусирующего зеркала, обеспечивающего вывод последнего из тракта излучения лазера на время длительности импульса основного излучения, а также предусмотрена синхронизация работы этих электроприводов с частотой следования импульсов основного излучения;

- увеличивается безопасность обслуживающего персонала импульсно-периодического мощного лазера, поскольку юстировка лазера в процессе подготовки его к работе и в течение последней происходит автоматически;

- обеспечивается универсальность датчика разъюстировки к любой паре зеркал неустойчивого резонатора за счет применения световодных матриц, перекрывающих дифракционную картину зеркал.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для создания мощных импульсно-периодических лазеров с неустойчивыми резонаторами. Лазер образован глухим и полупрозрачным зеркалами. Система юстировки резонатора содержит юстировочный лазер. Котировочный лазер установлен за глухим зеркалом соосно его центральному отверстию. Фокусирующее зеркало оптически сопряжено с лазером и установлено по ходу его излучения. Датчик разъюстировки установлен в фокусе фокусирующего зеркала. Блок формирования управляющего сигнала электрически связан с датчикам разъюстировки. Система юстировки снабжена устройством защиты котировочного лазера и фокусирующего зеркала. Технический результат - получение стабильной максимальной выходной мощности лазера. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Мощный импульсно-периодический лазер с неустойчивым резонатором, образованным глухим и полупрозрачным зеркалами, включающий систему юстировки, резонатора, содержащую юстировочный лазер, установленный за глухим зеркалом соосно его центральному отверстию, электромеханические привода для угловых перемещений глухого зеркала, фокусирующее зеркало, оптически сопряженное с лазером и установленное по ходу его излучения, отличающийся тем, что, с целью получения стабильной максимальной выходной мощности лазера за счет автоматической юстировки резонатора, в систему юстировки введены датчик разъюстировки, установленный в фокусе фокусирующего зеркала, и блок формирования управляющего сигнала, электрически связанный с датчиком разъюстировки и электромеханическими приводами, при этом система юстировки снабжена устройством защиты юстировочного лазера и фокусирующего зеркала.2. Мощный импульсно-периодический лазер с неустойчивым резонатором по п.1, отличающийся тем, что датчик разъюстировки состоит из двух идентичных световодных матриц, размещенных на двух взаимно перпендикулярных осях и выполненных из расположенных в один ряд с одинаковым шагом и нормально к поверхности несущей пластины световодами, свободные концы которых от каждой световодной матрицы соединены через светофильтры соответственно с одной из двух матриц фотоприемников, выходы каждой матрицы фотоприемников соединены с входами двух идентичных каналов, каждый из которых содержит аналоговый коммутатор, усилитель, первый и второй компараторы, аналоговый ключ, разрядную цепь, первый и второй логические элементы И, реверсивный счетчик, триггер, регистр, счетчик импульсов, дешифратор, причем выход аналогового коммутатора подключен к входу усилителя, выход усилителя к входу первого компаратора, выход первого компаратора - к второму входу аналогового ключа, первый вход которого соединен с источником питания, выход аналогового ключа связан с входом разрядной цепи, выход разрядной цепи - с входом второго компаратора, выход второго компаратора - с первым входом реверсивного счетчика и счетным входом триггера, выход реверсивного счетчика подключен к первому входу регистра, первый выход генератора импульсов связан с первыми входами первого и второго логических элемента И, выходы которых подключены соответственно к второму и третьему входам реверсивного счетчика, вход счетчика импульсов связан с вторым выходом генератора импульсов, первый выход счетчика импульсов соединен с входом дешифратора, второй выход с четвертым входом реверсивого счетчика, третий выход - с вторым входом регистра, выход дешифратора связан с входом управления аналогового коммутатора, инверсный выход триггера подключен к второму входу первого логического элемента И, а неинверсный выход к второму входу второго логического элемента И.3. Мощный импульсно-периодический лазер с неустойчивым резонатором по п.1, отличающийся тем, что устройство защиты юстировочного лазера и фокусирующего зеркала содержит шторку с электромеханическим приводом, расположенную между юстировочным и глухим зеркалом, электрический привод фокусирующего зеркала, шарнирно соединенный с ним блок синхронизации, выход которого соединен с входами электроприводов шторки фокусирующего зеркала.