ЧАСТОТНО-СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

Полезная модель относится к области технической физики и может быть использована при создании частотно-стабилизированныых газовых лазеров для научных исследований, в машиностроении, оптической промышленности и других отраслях науки и техники.
Известен частотно-стабилизированный газовый лазер с цифровой системой автоматической подстройкой частоты (АПЧ), включающий активный элемент со спиралью, высоковольтный источник питания (ИПВВ), устройство управления и схему АПЧ. Схема АПЧ содержит микроконтроллер (МК) с блоком управления начальным прогревом (БУНП). Прогрев осуществляется спиралью, на которую с МК подается сигнал в виде последовательности импульсов. МК при скважности сигнала 1:10 переводит систему АПЧ в режим захвата. (См.Академия инженерных наук им. А.М.Прохорова «Вестник СПбО АИН» вып.№3, 2007 г., Санкт-Петербург, Изд. Политехнического университета, А.А.Дягилев, М.Ю.Керносов, и др. «Двухчастотные стабилизированные лазеры с цифровой системой стабилизации частоты», стр.51)
Исходя из приведенного в этой работе алгоритма, время захвата АПЧ составит не более 5 с, что не достаточно. Лазер за это время не успевает прогреться, не устанавливается температурное равновесие с окружающей средой. В связи с этим у термоуправляемого лазера при использовании этой системы АПЧ можно ожидать выход лазера из режима стабилизации и снова захват, и так неоднократно.
Известен газовый лазер с цифровой системой стабилизации частоты, обеспечивающий надежную стабилизацию. Управление длиной резонатора осуществляется пьезокорректором. В системе используется комплекс цифровых устройств. Кроме того, используется реверсивный счетчик, который осуществляет цикл счета при колебаниях частоты лазера относительно центра спектральной линии.(См. СССР, авт.свид. №1202476, опубл. 23.09.1992 г.Бюл.№35)
Недостатком данного лазера является низкая кратковременная стабильность частоты лазера из-за пологой характеристики в центре контура усиления. Кроме того, устройство достаточно громоздко.
Наиболее близким по технической сущности является частотно-стабилизированный лазер, содержащий оптически связанные между собой активный элемент с нагревателем, двулучепреломляющий элемент и фотоприемник, выходы которого подключены к дифференциальному усилителю системы автоматической подстройки частоты (АПЧ), которая также содержит пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор(ПИД - регулятор), входом соединенный с дифференциальным усилителем, усилитель мощности, подключенный к нагревателю и блоку управления начальным прогревом (БУНП), высоковольтный источник питания. Блок управления начальным прогревом является аналоговым и выполнен из дискретных элементов (микросхемы, резисторы, конденсаторы, диоды).(См. Паспорт на «ЛАЗЕР ГАЗОВЫЙ ЛГН-303» стр.6,7 Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов «ПЛАЗМА»)-прототип
Недостатком данного лазера являются низкая надежность, периодические отказы, связанные с утечкой заряда электролитических конденсаторов, входящих в БУНП, а также трудоемкость настройки.К недостаткам следует отнести также неточность установки необходимого времени прогрева активного элемента.
Задача, на решение которой направлена данная полезная модель -повышение надежности переключения лазера из режима прогрева в режим захвата АПЧ.
Технический результат может быть получен за счет замены аналоговых элементов схемы АПЧ, с плавающими от внешних воздействий характеристиками на цифровые.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном частотно-стабилизированном газовом лазере, содержащем оптически связанные между собой активный элемент с нагревателем, двулучепреломляющий элемент и фотоприемник, выходы которого подключены к дифференциальному усилителю системы автоматической подстройки частоты (АПЧ), которая также содержит пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор(ПИД - регулятор), входом соединенный с дифференциальным усилителем, усилитель мощности, подключенный к нагревателю и блоку управления начальным прогревом (БУНП), высоковольтный источник питания, в систему АПЧ дополнительно введены преобразователь и инвертор, а БУНП выполнен в виде программируемого микроконтроллера, первый и второй входы которого через преобразователь соединены с выходом ПИД -регулятора, а первый и второй выходы БУНП через инвертор подключены ко второму входу ПИД - регулятора и ко входу усилителя мощности.
БУНП, выполненный на микроконтроллере, за счет уменьшения количества элементов, используемых в схеме, повышает надежность АПЧ и лазера в целом. Кроме того, алгоритм поведения АПЧ, т.е. момент захвата определяется программой заложенной в микроконтроллере, а не элементами АПЧ, параметры которых зависят от температуры и других внешних факторов.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из перечня аналогов прототипа, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
На фиг.1 показана блок схема предлагаемого лазера. Частотно-стабилизированный газовый лазер, содержит оптически связанные между собой активный элемент 1 с нагревателем 2, двулучепреломляющий элемент 3 и фотоприемник 4, выходы которого подключены к дифференциальному усилителю 5 системы автоматической подстройки частоты (АПЧ), которая также содержит пропорционально - интегрально -дифференциальный регулятор(ПИД - регулятор) 6, входом соединенный с дифференциальным усилителем 5 и усилитель мощности 7, подключенный к нагревателю 2, высоковольтный источник питания 8. В систему АПЧ дополнительно введены преобразователь 9 и инвертор 10, а БУНП выполнен в виде программируемого микроконтроллера 11, первый и второй входы которого через преобразователь9 соединены с выходом ПИД -регулятора 6, а первый и второй выходы БУНП через инвертор 10 подключены ко второму входу ПИД - регулятора 6 и ко входу усилителя мощности 7.
Частотно-стабилизированный газовый лазер работает следующим образом:
При возбуждении разряда в активном элементе 1 возникает генерация на 2-х ортогонально поляризованных модах излучения, частотное расстояние между ними 640МГц (лазер ЛГН-303), либо 1100МГц (лазер ЛГН-212-1). Расстояние имеет величину меньше ширины контура усиления, но достаточное чтобы в контуре излучения существовали две частоты. Лазерный луч выходящий со стороны глухого зеркала разделяется в двулучепреломляющем элементе 3 на два ортогонально поляризованных луча, которые поступают на две секции фотоприемника 4. Таким образом на выходе фотоприемника 4 имеются два сигнала поступающих в противофазе в схему АПЧ.
Рассмотрим прохождение сигнала в системе АПЧ: выходные сигналы с фотоприемника 4 поступают на дифференциальный усилитель 5, где производится вычитание сигналов. Разностный сигнал -это сигнал ошибки, он поступает на ПИД-регулятор. В зависимости от команды с БУНП, ПИД -регулятор либо усиливает сигнал и подает его через усилитель мощности на нагреватель для прогрева активного элемента, либо производит обработку сигнала ошибки. Отработка осуществляется путем подогрева, либо остывания (спирали), за счет отработки сигнала ошибки ПИД- регулятором по сигналу с БУНП за счет обратной связи.
В режиме прогрева ПИД - регулятор вырабатывает прямоугольные импульсы, которые поступают на преобразователь 9, где они преобразуются в логические сигналы «0» и «1». Далее сигнал поступает на микроконтроллер 11 на первый и второй входы. Сигнал ошибки в процессе прогрева изменяет длительность импульса увеличивая ее. Длительность импульса входного в микроконтроллер 11 сигнала сравнивается с заранее записанным в программируемое запоминающее устройство микроконтроллера 11 числом.
При равенстве этого числа и длительности импульса микроконтроллер формирует двух битный управляющий код, который в инверторе 10 преобразуется в аналоговый сигнал. Далее аналоговый сигнал запрещает прогрев, поступая на ПИД- регулятор. ПИД-регулятор переводится таким образом в интегратор с устройством обратной связи.
Эффект стабильности времени прогрева достигается за счет устранения аналоговых элементов с плавающими от внешних воздействий характеристиками и заменой их цифровым БУНП.
Приводим пример конкретного исполнения:
Лазер ЛГН-303, включает излучатель и систему АПЧ, в которой БУНП выполнен на микроконтроллере. В процессе испытаний этого лазера обнаружилось снижение трудоемкости настройки, повысилась стабильность захвата системой АПЧ и стабильность лазера в целом.
Приведенный пример показывает, что заявленная полезная модель соответствует требованию « промышленная применимость по действующему законодательству».