ИСТОЧНИК ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
SOURCE OF PULSED LASER RADIATION

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к сумматорам оптического излучения, и может быть использовано для увеличения интенсивности импульсного лазерного излучения в волоконно-оптических линиях связи, сетях, информационно-измерительных системах, технологическом оборудовании, в бытовых приборах, медицине, системах опознавания и наведения, для охраны объектов от посторонних и пожара, лазерном оружии и т.п.
Известен мощный волоконный лазер (Светцов В.И. Оптическая и квантовая электроника: уч. пособие. - Иваново: Ивановский гос. хим.-тех. ун-т, 2010 (рис.1.19 на стр.51), состоящий из нескольких одномодовых волоконных лазеров, излучение которых собирается в одном волокне. Суммированное излучение передается волокном на фокусирующую систему.
Недостатком данного устройства является низкий уровень выходной оптической интенсивности лазерного излучения при относительно высоких затратах мощности от источника питания.
7
Известны также источники излучения на основе лазерных диодов, излучение которых суммируется оптической системой, например, в виде набора призм (патент РФ №2172972, «Излучающий сумматор» МПК G02B 27/09, H01S 5/40; US Patent №5463534. Источник света большой мощности F21V 7/04) для образования общего пучка излучения. Такие системы позволяют достичь весьма высоких значений интенсивностей благодаря специальному расположению диодов и оптических элементов.
Так, например, известен источник света большой мощности (United States Patent №5463534. Источник света большой мощности. F21V 7/04), который содержит ряд излучающих источников. Для повышения излучаемой мощности, оптическая система коллимирует, фокусирует с помощью линз и суммирует с помощью призм лазерные пучки отдельных лазеров в объединенный выходной пучок оптического излучения.
Недостатком известных устройств является низкая выходная импульсная оптическая интенсивность излучения, которая определяется количеством подключенных излучающих источников.
7
Наиболее близким устройством по технической сущности к заявляемому техническому решению является источник импульсного лазерного излучения (патент на изобретение №2477553, МПК H01S 3/10, G02B 27/10. Опубл. 10.03.2013).
Устройство содержит задающий генератор, управляющий оптическим коммутатором, и оптически связанные между собой последовательно соединенные импульсный лазер, оптический коммутатор, блок согласования со средством оптической задержки, средство оптической задержки, имеющее дискретное время задержек оптического импульса, оптическое средство суммирования излучения и фокусирующую систему для формирования заданной диаграммы направленности пучка на выходе оптического средства суммирования излучения. Суть работы устройства заключается в следующем.
Импульсы лазерного излучения поступают на вход оптического коммутатора, который направляет их через блок согласования на элементы средства оптической задержки. Средство оптической задержки содержит N-1 элемент. N-й импульс лазерного излучения поступает на вход оптического средства суммирования излучения без задержки. Выходы средства оптической задержки соединены с N-1 входами оптического средства суммирования излучения. N-й импульс лазерного излучения поступает на N-й вход оптического средства суммирования излучения напрямую. При этом элементы средства оптической задержки выполнены таким образом, что все задержанные импульсы лазерного излучения поступают на входы оптического средства суммирования излучения одновременно с N-м импульсом. В результате на выходе оптического средства суммирования излучения формируется оптический импульс, равный сумме интенсивностей импульсов лазерного излучения, значительно превосходящий по интенсивности импульсы исходного лазерного излучения. Далее полученный лазерный пучок фокусируется фокусирующей системой.
Недостатком известного устройства является низкая выходная импульсная интенсивность оптического излучения, поскольку суммируются некогерентные импульсы.
Задачей изобретения является увеличение выходной импульсной интенсивности оптического излучения.
Технический результат заключается в увеличении выходной импульсной интенсивности оптического лазерного излучения за счет интерференции когерентных импульсов.
Поставленная задача достигается тем, что источник импульсного лазерного излучения содержит последовательно оптически связанные между собой лазер с непрерывным излучением, оптический коммутатор, блок согласования, средство оптической задержки, оптическое средство суммирования излучения, фокусирующую систему. Дополнительно введены оптический ключ, управляемый задающий генератор импульсов и счетчик импульсов с устанавливаемым коэффициентом пересчета, причем информационный вход оптического ключа соединен с выходом лазера с непрерывным излучением, а выход соединен с информационным входом оптического коммутатора, первый выход управляемого задающего генератора импульсов электрически соединен с управляющим входом оптического ключа, второй выход электрически соединен с первым управляющим входом оптического коммутатора и, кроме того, второй выход управляемого задающего генератора импульсов через счетчик импульсов с устанавливаемым коэффициентом пересчета подключен ко второму управляющему входу оптического коммутатора.
<mrow><msub><mi>τ</mi><mi>c</mi></msub></mrow>
Устройство источника импульсного лазерного излучения показано на структурной схеме (фигура 1). На фигуре 2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу источника импульсного лазерного излучения. На фигуре 3 приведена временная диаграмма сигнала на выходе оптического ключа 2, поясняющая определение количества импульсов N, укладывающихся на длительности когерентности
:
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>τ</mi><mi>и</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>е</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mtext>                          (1)</mtext></mrow>
и
где τ - длительность импульсов;
пер
τ - длительность паузы между импульсами (время переключения оптического коммутатора с канала на канал).
Период следования импульсов T определяется по формуле:
<mrow><mi>T</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>τ</mi><mi>и</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>е</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                        (2)</mtext></mrow>
Источник импульсного лазерного излучения содержит последовательно оптически связанные между собой лазер с непрерывным излучением 1, оптический ключ 2, оптический коммутатор 3, блок согласования 4, средство оптической задержки 5, оптическое средство суммирования излучения 6, фокусирующую систему 7, а также управляемый задающий генератор импульсов 8 и счетчик импульсов с устанавливаемым коэффициентом пересчета 9. Информационный вход оптического ключа 2 соединен с выходом лазера с непрерывным излучением 1, а выход оптического ключа соединен с информационным входом оптического коммутатора 3. Первый выход управляемого задающего генератора импульсов 8 электрически соединен с управляющим входом оптического ключа 2. Второй выход управляемого задающего генератора электрически соединен с первым управляющим входом оптического коммутатора 3, а также через счетчик импульсов с устанавливаемым коэффициентом пересчета 9 подключен ко второму управляющему входу оптического коммутатора 3.
Информационные выходы оптического коммутатора 3 через блок согласования 4 соединены со средством оптической задержки 5. Выходы средства оптической задержки соединены с входами оптического средства суммирования излучения 6.
Фокусирующая система 7 служит для формирования заданной диаграммы направленности пучка на выходе источника импульсного лазерного излучения.
Сигналы, формируемые на выходах блоков схемы (фигура 1):
0
J - излучение лазера с непрерывным излучением 1;
0K
J - импульсы лазерного излучения на выходе оптического ключа 2 (k=1, 2, …, N);
1
2
N
J, J…J - импульсы лазерного излучения на выходе оптического коммутатора 3;
1S
2S
NS
J, J…J - импульсы лазерного излучения на выходе блока согласования 4;
1
2
N
J′, J′…J′ - импульсы лазерного излучения на выходе средства оптической задержки 5;
S
J′ - импульс лазерного излучения на выходе оптического средства суммирования излучения 6 (суммарный импульс);
вых
J - импульс лазерного излучения на выходе фокусирующей системы (выходное излучение устройства).
На фигуре 2 приведены следующие временные диаграммы: (по оси ординат отложены интенсивности J лазерного излучения, по оси абсцисс - время t), где:
0
J - интенсивность лазерного излучения на выходе лазера с непрерывным излучением;
0K
J - интенсивности импульсов лазерного излучения на выходе оптического ключа 2 (k=1, 2, …, N), (N - количество импульсов, создаваемых оптическим ключом за полный цикл работы коммутатора 3). Импульсы «следуют» по одному каналу, но разнесены во времени;
1
2
N
J, J…J - импульсы лазерного излучения на выходе оптического коммутатора 3 (импульсы следуют по разным каналам и «разнесены» во времени);
1S
2S
NS
J, J…J - импульсы лазерного излучения на выходе блока согласования 4 (не показаны на фигуре 1);
1
2
N-1
N
J′, J′…J′ - импульсы лазерного излучения на выходе средства оптической задержки 5 (импульсы «выходят» одновременно, но по разным каналам). J′ проходит без задержки;
S
J′ - импульс лазерного излучения на выходе оптического средства, суммирования излучения 6 (суммарный импульс);
вых
J - импульс лазерного излучения на выходе фокусирующей системы (выходное излучение устройства).
Источник импульсного лазерного излучения работает следующим образом.
c
Перед использованием устройства в счетчике импульсов с устанавливаемым коэффициентом пересчета 9 (фигура 1) устанавливают коэффициент пересчета, равный числу импульсов N, «укладывающихся» на длительности когерентности τ выбранного лазера с непрерывным излучением (фигура 3).
Импульсный сигнал с первого выхода управляемого задающего генератора импульсов 8 поступает на управляющий вход оптического ключа 2, в результате чего непрерывное лазерное излучение с лазера 1 преобразуется на выходе оптического ключа 2 в короткие импульсы оптического излучения, следующие с частотой f задающего генератора 8.
Когерентные импульсы оптического излучения поступают на вход оптического коммутатора 3. При поступлении первого управляющего импульса со второго выхода задающего генератора импульсов 8 на первый управляющий вход оптического коммутатора 3 коммутатор направляет импульс оптического излучения через блок согласования 4 на первый элемент блока оптической задержки 5 (первая линия задержки). При поступлении второго импульса со второго выхода задающего генератора 8 оптический коммутатор 3 направляет оптическое излучение на второй элемент средства оптической задержки 5 (вторая линия задержки) и т.д.
Для синхронизации работы оптического коммутатора 3 управляющие импульсы со второго выхода генератора 8 поступают на первый вход оптического коммутатора 3 с задержкой, определяемой временем прохождения лазерного излучения от оптического ключа 2 до входа оптического коммутатора 3. В случае использования лазера с другой длиной оптического излучения время задержки в управляемом генераторе 8 устанавливается другим на основании расчетов.
S
K
S
K
2
2
Средство оптической задержки 5 содержит N-1 элемент. N-й импульс, сформированный оптическим ключом 2, проходит на вход оптического средства суммирования излучения 6 без задержки. Выходы средства оптической задержки 5 соединены с N-1 входами оптического средства суммирования излучения 6. N-й импульс лазерного излучения поступает на N-й вход оптического средства суммирования излучения 6 напрямую. Элементы средства оптической задержки 5 выполнены таким образом, что все задержанные импульсы лазерного излучения поступают на входы оптического средства суммирования излучения 6 одновременно с N-м импульсом. Поскольку на вход оптического средства суммирования излучения 6 поступают когерентные импульсы, то на его выходе формируется импульс J′ лазерного излучения, имеющий интенсивность примерно в N раз большую, чем интенсивность J′ одиночного импульса лазерного излучения на входе коммутатора 3, то есть J′=N·J′.
вых.
Далее полученный импульс лазерного излучения преобразуется фокусирующей системой 7. В результате на выходе предложенного устройства образуется импульсное лазерное излучение J, значительно превосходящее по интенсивности исходное лазерное излучение лазера 1. При этом частота следования импульсов на выходе устройства будет в N раз ниже частоты f следования импульсов, генерируемых управляемым задающим генератором импульсов 8.
После прохождения N импульсов от генератора 8 с выхода счетчика 9 на второй управляющий вход оптического коммутатора 3 поступает сигнал, который подключает коммутатор 3 к первому входу блока согласования 4 и начинается новый цикл коммутации когерентных импульсов.
с
При выполнении условия: на длительности когерентности τ укладывается точно N импульсов, пачки из N импульсов будут поступать на входы блока согласования 4 и далее в оптический тракт без пауз. При настройке устройства для использования на длительности когерентности числа импульсов L меньшего N, коммутатор 3 после прохождения L-го импульса подключится к первому входу блока согласования 4. Эта настройка осуществляется выбором коэффициента пересчета k счетчика 9, равного числу L.
Таким образом, по сравнению с известным ближайшим аналогом в предлагаемом техническом решении выходная импульсная интенсивность лазерного излучения увеличивается примерно в N раз за счет интерференции когерентных импульсов.
Излучение реальным источником света (лазером) не может быть полностью монохроматичным, поскольку лазер является макроскопическим источником излучения. Поэтому излучение от этого источника можно представить в виде совокупности сменяющих друг друга независимых цугов. Средняя продолжительность одного цуга определяется временем когерентности. Поэтому при делении цуга на несколько импульсов необходимо обеспечить временную задержку меньше продолжительности одного цуга. В этом случае импульсы будут интерферировать при сложении, так как они взаимно когерентны.
с
Известно (Трофимова Т.И. Курс физики. Оптика и атомная физика: Теория. Задачи и решения: Учебное пособие для втузов / Т.И. Трофимова. - 2-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2003 (стр.10-12)), что время когерентности τ и ширина спектрального интервала Δν излучения лазера связаны соотношением
<mrow><msub><mi>τ</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>Δ</mi><mi>ν</mi></mrow></mfrac><mtext>                                                      (3)</mtext></mrow>
c
c
Чем меньше спектральный интервал, тем ближе волна к монохроматической, тем больше время когерентности τ и длина когерентности Δ:
<mrow><msub><mi>Δ</mi><mi>c</mi></msub><mo>≤</mo><mi>c</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>τ</mi><mi>c</mi></msub><mtext>                                                   (4)</mtext></mrow>
где c - скорость света.
Так, например, для гелий-неонового лазера с шириной спектральной линии излучения Δν, равной 10 кГц (Лукин А.В. К вопросу о когерентных свойствах лазерных источников в интерферометрии и голографии // Оптический журнал. 2012. Т.79. №3. С.91-96; Федоров Б.Ф. Лазерные приборы и системы летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1979. (стр.34)), длительность когерентности согласно формуле (3) составит:
<mrow><msub><mi>τ</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>Δ</mi><mi>ν</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mtext>1</mtext><mrow><mtext>10</mtext><mo>⋅</mo><msup><mrow><mtext>10</mtext></mrow><mtext>3</mtext></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>4</mn></mrow></msup><mi>с</mi><mi>е</mi><mi>к</mi><mi>у</mi><mi>н</mi><mi>д</mi><mi>ы</mi><mo>.</mo></mrow>
пер
и
Тогда при скорости коммутации около τ=10 нс (Маккавеев В. Фотонные коммутаторы // Компоненты и технологии. - 2006, №2) и длительности импульсов τ=990 нс получается по формуле (1):
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>τ</mi><mi>и</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>е</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>4</mn></mrow></msup></mrow><mrow><mn>990</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>9</mn></mrow></msup><mo>+</mo><mn>10</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>9</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>100</mn><mtext> </mtext><mi>и</mi><mi>м</mi><mi>п</mi><mi>у</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mi>с</mi><mi>о</mi><mi>в</mi></mrow>
,
период следования импульсов составит (формула (2))
<mrow><mi>T</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>τ</mi><mi>и</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>е</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>1</mn><mtext> мкс</mtext></mrow>
,
а частота следования импульсов f будет:
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>T</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>6</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mtext>  МГц</mtext></mrow>
.
В результате «вырезанные» таким образом импульсы с помощью оптического ключа 2 (фигура 1) будут когерентны между собой, т.к. они «укладываются» на длительности когерентности.
2
В первую очередь, данные выводы касаются лазеров, где частицами излучения являются атомы и ионы. Необходимо также указать, что при интерференции возрастает в N раз интенсивность импульсного излучения, что приводит к изменению формы импульса от прямоугольной к дельтаобразной.
вых
С учетом потерь в оптических элементах устройства интенсивность оптического излучения J на выходе предложенного устройства можно записать в следующем виде:
<mrow><msub><mi>J</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mi>N</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>J</mi><mrow><mn>0</mn><mi>K</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msub><mi>δ</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow>
0К
где J - интенсивность импульсного излучения на входе коммутатора 3;
i
δ - потери интенсивности излучения для каждого импульса при прохождении его через оптическую систему устройства.
вых
Снижение J обусловлено коэффициентом затухания излучения в элементах средства оптической задержки.
Достоинством предложенного изобретения является то, что для получения импульсов большой интенсивности оптического излучения требуются маломощные лазер непрерывного излучения и источник питания.