Схема управления лазерным лучом Советский патент 1982 года по МПК G02F1/33 

(5) СХЕМА.УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ

Изобретение относится к системац управления лазерным лучон, в частности к акустико-оптическим модуляторам, и может найти применение для получения нескольких выходных лучей лазера с постоянными и регулируемыми углами отклоне1 1Я, Известно устройство для получения нескольких световых лучей, основанное на поляризационных электро-оптических переключателях , Недостатками электро-оптических перекхточателей подобного устройства являются необходимость высоких управляющих напряжений, необходимость работать; в поляризованном свете, малая разрешающая способность Наиболее близкой потехнической сущности к изобретению является схема управления лазерного знакогенератора, основывающаяся на законе дифракции Брэгга, содержащая акустико-опти чёский элемент/ по меньшей мере, оди ультразвуковой преобразователь, высо кочастотные осцилляторы в полосе ультразвуковых частот, соединенные через соответствующие задающие каскады, по меньшей мере, одним ультразвуковым преобразователям, причем частоты всех ВЧ-осцилляторов определяют углы выходаоптических лучей, а их амплитуды оказывают влияние на интенсивность выходных лучей, и при этом кауйдый задающий кас- , имеет управляющий вход, состоянием которого задается амплитуда сигнала соответствующего осциллятора 2. В известном лазерном знакогенераторе образующие знаки лучи лазера выходят из одного-единственного акустикооптического модулятора с постоянным . во времени углом выхода. В этомакустико-оптическом модуляторе применяются осцилляторы очень высокой частоты, и каждый осциллятор через задакнций кас-. кад присоединен к ультразвуковому преобразователю акустикбгоптического. элемента. Частота каждого осциллятора определяет направление относящегося сюд выходного луча лазера, а его ампли39туда определяет интенсивность выходного луча лазера. Недостатком известной схемы является невозможность регулируемого отклоне ния одного или нескольких ВЫХОДНЬ1Хлучей. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей схе мы путем регулируемого отклонения части выходящих оптических лучей. Поставленная цель достигается тем что в схеме управления для образования нескольких выходных лучей лазера расположенных в одной плоскости, осно ванной на законе дифракции Брэгга, и включающей акустико-оптический элемент, содержащий, по меньшей мере, один ультразвуковой преобразователь, высокочастотные осцилляторы в полосе ультразвуковых частот, которые через соответствующие задающие каскады соединены с упомянутым, по меньшей мере, одним ультразвуковым преобразователем причем частоты всех ВЧ-осцилляторов определяют углы выхода оптических лучей, и их амплитуды оказывают влияние на интенсивность этого выходного луча, среди высокочастотных осцилляторов находится по меньшей мере один осциллятор регулируемой частоты, который снабжен определяющим частоту входом, Акустико-ептический элемент оснащен несколькими электрически разделенными ультразвуковыми преобразователями, к которым присоединено, по меньшей мере, по одному задающему каскаду. Для совместного перемещения выхода каждого выходящего из акустмко-оптического элемента луча лазера между задающими каскадами и относящимися сюда ультразвуковыми преобразователями предусмотрено по одному смесительному каскаду, и вторые входы смесительных каскадов присоединены к общему вспомогательному осциллятору управляемой частоты. На фиг. 1 приведена-блок-схема первой формы исполнения предлагаемой схемыJ на фиг. 2 - блок-схема второй формы исполнения схемы, на фиг.З блок-схема третьей формы исполнения схемы; Hia фиг, 4 - диаграмма временной зависимости угла выхода лучей лазера из акустико-оптического элемента при указанном управлении осцилляторов, поясняющая работу первых 8.4 трех форм схемы; на фиг. 5 - блоксхема молифицированной третьей формы исполнения схемы, в которой углы выхода всех выходных лучей лазера могут регулироваться сообща; на фиг.бугловая диаграмма, где представлен принцип работы схемы, изображенной на фиг. 5. Предлагаемая схема включает луч 1 лазера, акустико-оптический элемент 2, ультразвуковые преобразователи 3 угол 4 отклонения, осцилляторы 5 постоянной частоты, задаю дие каскады 6, усилители 7, луч 8 лазера, выходящий из преобразователя при из частот, управляющие входы 9 электрических управляющих напряжений, задающие каскады 10, луч 11 лазера, выходящий из преобразователя при другой частоте, входы 12 управления задающих каскадов, входы 13 электрических напряжений, суммирующие каскады I, смесительные каскады 15, которые имеют первый вход 16 и второй вход 17, вспомогательный осциллятор 18 с управляющим входом 19 напряжения Акустико-оптический элемент 2 модулятора на фиг. 1 образован из оптически прозрачной среды в форме прямоугольной призмы. Назначение акустикооптического элемента 2 - из падающего луча 1 лазера образовать согласно определенной программы управления несколько самостоятельных выходных лучей 8 и 11 лазера. Луч 1 лазера поступает на меньшую . торцовую поверхность призмообразного акустико-оптического модулятора 2 и обр;ззует с его осью параллельно плоскости фронта волны ультразвука угол отклонения, так называемый угол Брэгга. На нижней боковой плоскости акустико-оптического эле-мента 2 вдоль направления распространения падающего луча 1 лазера помещены несколько электрически отделенных друг от друга ультразвуковых преобразователей 3, которые в направлении луча лазера достаточно длинны для того, чтобы в акустикооптическом модуляторе 2, как в среде, любой ультразвуковой преобразователь создавал ультразвуковое поле, которое осуществляет акустико-оптическую дифракцию света Брэгга, Если для акустико-оптическЬй среды выбирается такой материал. как,например вода иди Те02 монокристалл типа парателлурит (в кри таллографическом направлении индек Миллера ПО), или монокрис талл типа каломель (в кристаллографическом направлении индекс Миллера 110), где скорость распространения ультразвука мала, то длина ультразвукового преобразователя 3 может выбираться небольшой, предпоч тительно в диапазоне 1-3 мм. Установленный описанным образом акустико-оптический элемент 2 отличается те, что если его ультразвуковые преобразователи 3 управляются сигналами осцилляторов соответствущей полосы по высокой частоте, то вследствие наступающих в акустико-оптической среде дифракций из входного луча 1 лазера образуются такие выходные лучи, угол выхода которых отклоняется ог направления выхода падающего луча 1 лазера. Раз мер этого отклонения зависит от ча,стот подведенного или подведенных IK ультразвуковому преобразователю высокочастотных сигнала или сигналов управления. При управлении с указанной частотой интенсивность вы ходных лучей 8 и 11 лазера с соответствующим этой частоте углом вых да зависит от амплитуды управляющего сигнала указанной частоты. Это определение действительно для любог ультразвукового преобразователя 3, т.е. каждый ультразвуковой .преобразователь может управляться одним или несколькими высокочастотными ос циллятооами, в то время как управля щие частоты в отношении выходных лу чей 8 и 11 лазера внутри определенно области действуют независимо друг о друга. Возможен также вариант, когда не сколько ультразвуковых преобразователей 3 управляются одинаковой часто той, причем каждый из них вызывает в акустико-оптической среде такую :дифракцию, при которой углы выхода соответствующих выходных лучей 8 и 11 лазера совпадают с углом выхода выходного луча лазера, образованноге управляемым той же частотой другим ультразвуковым преобразователем, откуда следует, что интенсивность соот ветствующего конкретной частоте выходного луча 8 и 11 определяется -совместной амплитудой присоединенных к отдельным ультразвуковым преобраl86зователям 3, согласованных с одина- ковой частотой осцилляторов. Так как в отношении производства выходных лучей 8 и 11 лазера ультразвуковые преобразователи 3, в основном , могут рассматриваться как однородно выполненные, то акустико-оптический элемент 2 может предварительно устанавливаться как имеющий один-единственный ультразвуковой преобразователь повышенной мощности, и соединенные с ним высокочастотные осцилляторы осуществляют свое влияние линейно, независимо друг от друга. Ультразвуковые преобразова- тели 3 могут быть отделены друг от друга, так как к одному ультразвуковому преобразователю - вследствие несовершенства электрических модулей (возникновения продуктов взаимной модуляции и демпфирования суммирующих схем) - не могут быть присоединены высокочастотные осцилляторы с возможно большим числом и мощностью. Описанные свойства проявляются не только в акуст.о-оптических модуляторах, показанных на фиг. 1-3 и 5 когда ультразвуковые преобразователи 3 размещены в одной плоскости боковых поверхностей призматического элемента. Они могут быть с соответствующими размерами размещены на отличных, но параллельных друг другу плоскостях, или акустико-оптический элемент 2 может быть смонтирован также из нескольких, отделенных ДРУГ от друга, но оптически связанных независимых элементах. Может быть применен также акустико-оптический элемент ультразвуковые преобразователи которого выполнены для образования выходных лучей лазера для упомянутого линейного наложения. Мощность управляющих ультра- звуковыми преобразователями 3 высокочастотных осцилляторов должна выбираться настолько большей, чтобы ожно было пренебречь действием возожной повторной дифракции на прелом-, енные лучи которая возникает вследствие возбужденного другим предусмотенным внутри акустико-оптической сфеы элемента ультразвуковым преобраователем поля. Это условие выполяется, если вся интенсивность кажого :выходящего из акустико-оптиеского элемента преломленного луча азера менее 0,4-0,5-кратной интенсивности входного луча 1 лазера, В этом случае каждый преломленный вы ходной луч лазера получает энергию . из энергии входного луча Т лазера. АкуСтико-оптический элемент 2 может управляться различным образом. Одинаковые в отношении управления . функции элементы схемы на фиг. и Б ограничены штриховыми линиями. Эти элементы электрически независимы друг ю от друга и принимают участие в управлении раз; 1чных ультразвуковых преобразователей 3 Одинаковая фигура указывает на равенство функций Значения частот осцилляторов 5 постоянной частоты (фиг. 1) остаются неизменными в процессе работы и отличаются друг от друга. Частоты отдельных осцилляторов 5 обозначены , a.. Осцилляторы 10 регу.лируемой частоты, осцилляторов 5, выполнены таким образом, что их раб чие частотьь могут регулироваться в зависимости от соединенных с соответствующими определяющими частоту входами 13 электрических напряжений в пределах значений частот Полосы рабочих частот отдельных осцилляторов 10 регулируемой частоты целесообразно выбирать без перекрытий, так, чтобы, например, полоса частот первого осциллятораj1О определялась предельными значениями частот fa и fan, и соответственно полоса частот п-го осциллятора опре деляется fn и fn, К каждому высокочастотному осцил ,лятору 5 и 10 соответственно присое -динено по одному задающему каскаду 6, В простейшем случае задающие каскады 6 реализуются с электронным выключателем, который в зависимости от присоединенных к соответствующим управляющим входам 9 электрических управляющих напряжений направляет Дальше сигнал осциллятора или преграждает ему путь. Эти задающие каскады б могут быть смонтированы так, чтобы помимо разрешения и запрещен я поступат ьного движения изменялось бы поданное напряжение осцилляторов. Входы 12 управления задающих каскадов согласованы с осциллятррами 10 регулируемой частоты. Каждый задающий каскад 6 через ус литель 7 присоединен к ультразвуковому преобразователю 3 акустико-рптического элемента. Усилители 7 повышают выходное напряжение осциллято9ров до соответствующего уровня и от- ; деляют осцилляторы от ультразвуковых преобразователей 3. При включении схемы согласно 5 фиг. 1 каждый осциллятор 5 регулируемой частоты соответственно создает один выходной луч лазера, угол выхода сб которого зависит от заданной постоянной частоты соответствующих осцилляторов. Если полосы частот осцилляторов 10 регулируемой частоты не перекрывают друг друга и отличаются от значений частот осцилляторов 5 постоянной частоты, то каждый осциллятор 10 создает лУчи 11 лазера с регулируемыми углами выхода. Эти углы выхода лучей 8 и 11 лазера изменяются во время работы в пределах области угла, соответствующей полосам рабочих частот согласованных с ними осцилляторов 10.. При наличии приведенных условий углы выхода каждого выходного луча 8 и 11 лазера различны, . пути выходных лучей лазера не пересекаются. Влияющее на задак)|цие каскады 6 управление, а также управление определяющих частоту входов 13 могут воздействовать на ход выходных лучей лазера в зависимости от требуемой цели. Схема на фиг. 2 отличается от предыдущей тем, что между задающими каскадами 6 и усилителями 7 предусмотрены суммирующие каскады , являющиеся линейными суммирующими схемами с несколькими входами, причем к каждому входу присоединен выход задающего каскада 6. Применение суммирующих каскадов позволяет увеличить число присоединяемых к ультразвуковому преобразователю 3 осцилляторов до количества входов суммирующих каскадов. В приведенном на фиг.2 случае каждый суммирующий каскад }Ц имеет m входов и из осцилляторов 5 постоянной частоты образовано п групп, откуда получают частоту последнего осциллятора для f, причем . Входы согласованного с последним ультразвуковым преобразователем S суммирующего каскада И соединены с задающим каскадом 6, с котррым согласован осциллятор 10 регулируемой частоты. Если суммирующие каскады lA являются линейными элементарен, и кажрхй ультразвуковой преобразо атель 3 эквивалентен акустико-оптическому элементу 2 в отношении возбужденных выходных/лучей лазера, ра та схемы на фиг, 2 не отличается от работы схемы на фиг, 1, за исключением возможности присоединения нескольких осцилляторбв. Отличие схемы на фиг, от предыдущей в том, что осцилляторы 10 р гулируемой частоты не присоединены к одному-единственному сумматору Н и через него - к совместному уль тразвуковому преобразователю 3, а один из входов каждого сумматора I соединен с одним из осцилляторов 10, Число входов суммирующих каскадов 1 на фиг. 3 на единицу больше, чем на фиг, 2, Из описанного условия линейности вытекает возможность образования не скольких комбинаций, причем соответственно один сумматор может быть соединен с несколькими осцилляторами 10 и т,д, В простейшем случае число ультразвуковых преобразователей 3 одного акустико-оптического элемента 2 не более двух, причем один соединен с одним из осцилляторов 5 постоянной частоты, другой же с осциллятором 10 регулируемой частоты. Не сложнее и случай, когда акустико-оптическйй элемент 2 содержит лишь один ультразвуковой преобразователь 3, к которому присо динен один из суммирующих каскадов 11, так что один из входов соединен с осциллятором 5 постоянной частоты а другой - с осциллятором 10 регулируемой частоты. На практике наиболее целесообразно применение по меньшей мере осцилляторов постоянной частоты, В показанном на фиг, k примере управления представлено прохождение по времени выходящих из акустикооптического элемента 2 лучей лазера постоянного 8 и переменного 11 yi- лов. Управление согласно фиг, А может быть реализовано по какой-либо из схем фиг, 1-3 Согласно диаграмме управления одиннадцати лазерных лучей неизменного угла выхода и трех лазерных лучей переменного угла выхода фиг, левая вертикальная ось указывает угол выхода, а правая - соответству ющие частоты осциллятора. Частоты осцилляторов 5 постоянного значения частоты расчленяются на две группы: первая группа включает частоты -f I которые занимают полосу частот развертки 8Ь, вторая группачастоты f,,,,, f, которые приходятся на полосу 8а, В полосах 8а и 8Ь содержатся все выходные лучи лазера постоянных углов выхода. Согласованные с ними задающие каскады 6 могут при этом оказывать влияние лишь на стирание и соответственно возникновение, например, ин- тенсивности линии дорожки, Все выходные лучи П лазера регулируемого угла выхода {на фиг. k три выходных луча) соютветственно занимают диапазон углов На, lib и 11 с. Как видно из фиг, 4, к определяющим частоту входам 13 осцилляторов 10 регулируемой частоты присоединяются напряжения треугольной формы различных частот. Если все лучи лазера отклоняются параллельно оси времени по фиг, 4, то диаграмма указывает линии дорожки лучей лазера. Если частоты напряжений тр.еугольной формы достаточно велики, то лучи 11 лазера переменного угла освещают соответственно одну целую полосу, что является предпочтительным в указанных случаях применения (например, выделение расстояния между строками или выделение полосы). Разумеется, возможно и перекрывание отдельных полос друг с другом или возникновение между ними пустых зон. Схема на фиг. 5 базируется, в основном, на принципе коммутации согласно фиг, 3. Различие состоит в том, что между суммирующими каскадами Т и усилителями 7 включены смесительные каскады 15 каждый из которых имеет первый вход 16 и второй вход 17. Каждый первый вход 1б соединен с выходами согласованных со смесительными каскадами суммирующих каскадрв. Все вторые входы 17 соединены друг с другом и присоединены к выходу вспомогательного осциллятора 18 управляемой частоты. Частоту вспомогательного осциллятора 18 управляемой частоты можно изменять в пр€ делах полосы между значениями частот F а F с помощью присоединенного к управляющему входу 19 напряжения. Смесительные каскады 15 создают разностную или суммарную частоту поданных к их первому входу 16 и второму входу 17 высокочастотных сигналов. Результат этого смешивания управляет ультразву новыми преобразователями 3 акустико-оптического элемента. Целесообразно, чтобы усилители 7 были согласованными полосовыми усилителями, KOTopiiie остаапяют ультразвуковы преобразователям 3 лишь продукты частот J приходящиеся на желаемую полосу, так как ультразвуковые пре образоаатели так или иначе обладает свойствами запирания полосы. Предпочтительно такой выбор частот, чтобы разностные частоты приходились на полезную полосу ультразвуковых преобразователей 3. На фиг. и на фиг, 4, показана временная зависимость выходных лучей лазера, но для схемы согласно фиг. 5) причем к управляющему вх ду 19 вспомогательного осциллятора приложено управляющее напряжение с характерным прохождением во времени и частота следует за этим напряжени ем. Из фиг,6 видно, что показанная на фиг, k форма линии имитирует изм йения управляющего напряжения вспомогательного осциллятора, так что все выходные лучи лазера одновремен но смещаются в одинаковой мере. Это смещение целесообразно применять для общей коррекции и соответственно точной регулировки гголожения выходных лучей лазера, В случае применения акустико-оптического модуля тора в лазерном знакогенераторе выходные лучи лазера определяют, на пример, верти,кальные точки одной формы или одного знака, а вертикаль ная относительно направления распро странения развертка лучей образует запись последовательности знаков. Путем управления вспомогательным осциллятором 18 можно точно регулировать положение знаков (например, вертикальное положение). Вариант осуществления схемы согласно фиг. j и 6 делает возможным возникновение наряду с выходящими с постоянным углом Выхода из аку.стико-оптического элемента 2 лучами лазера, выходных лучей лаЗера с гтёременным: положением угла (т.е. линия дорожки) в той же выходной плоскости и регулирование положения угла всех выходных лучей лазера при сохранении выходной плоскости (т.е. в пределах ее),Обе возможности могут быть многократно использованы в большинстве обычных случаев применения акустико-оптических модуляторов, в особенности в лазерных, знакогенераторах, оптических записывающих устройствах или лазерном факсимиле. Формула изобретения 1, Схема управления лазерным лучом, ос эвывающаяся на дифракции Брэгга, которая содержит акустикооптический элемент, по меньшей мере, один ультразвуковой преобразователь, высокочастотные осцилляторы в полосе ультразвуков&х частот, соединенные через соответствующие задающие каскады По меньшей мере одним ультразвуковым преобразователем, и при этом каждый задающий каскад имеет управляющий вход, состоянием которого задается амплитуда сигнала соответствующего осциллятора, отличающаяся тем , что, с целью расширения функциональных возможностей путем перестройки угла выхода лазерного луча, по меньшей мере одиносциллятор выполнен с регулируемой частотой и содержит определяющий частоту вход. 2,Схема управления по п, 1, отличающаяся тем, что к каждому ультразвуковому преобразователю через совместные суммирующие каскады присоединены несколько задающих каскадов, 3.Схема управления по п, 2, отличающаяся тем, что к каждому совместному суммирующему каскаду присоединен по меньшей мере один согласованный с оциллятором регулируе ой частоты задающий каскад. k. Схема управления по пп. 1-3, отличающаяся тек, что ультразвуковые преобразователи присоединены к выходам задающих каскадов через усилители, 5, Схема управления по пп, 1-4, отличающаяся тем, что в нее Е1веден один вспомогательный осциллятор, а входы всех усилителей соответственно Через смесительный каскад присоединены к вспомогательному осциллятору управляемой частоты. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Ребрин Ю,Е, Управление оптическим лучом в пространстве, М,, Советское радио, 1977, с, 138, 2,Заявка ФРГ tf 2755575, кл. G 02 F 1/33, 1979 (прототип). / / к%йз E% ;%%йЯ 1%й;;й1 tiagj fi 13 9

«v

: