ЛАЗЕР С МОДУЛЯЦИЕЙ ДОБРОТНОСТИ
LASER WITH Q-FACTOR MODULATION

Изобретение относится к технике лазеров, а именно к лазерам с модуляцией добротности лазерного резонатора изменением положения одного из его зеркал.
Известны лазеры для формирования гигантских лазерных импульсов [1] путем включения добротности лазерного резонатора с помощью модуляторов добротности (затворов). Все они имеют те или иные недостатки - большую себестоимость, высокие управляющие напряжения, недостаточную надежность и эксплуатационную стойкость.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является лазер с резонатором, состоящим из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно, а второе снабжено приводом и имеет возможность вращения таким образом, чтобы в одном из положений вращающееся и неподвижное зеркала резонатора становились параллельными [2]. В этом положении зеркал обеспечивается высокая добротность резонатора, достаточная для развития лазерной генерации. Скорость вращения зеркала в момент высокой добротности резонатора должна быть достаточной для возникновения лавинообразной генерации гигантского импульса. Оптимальная скорость вращения зеркала для разных типов лазеров составляет 10-20 тысяч об/мин. В качестве вращающегося зеркала обычно используют призму полного внутреннего отражения, обладающую высокими отражательными характеристиками и некритичную к наклонам оси вращения. В известном устройстве [2] приводом призмы является высокооборотный электродвигатель. Недостатки этого решения - относительно высокие габариты и недостаточная надежность существующих двигателей, а также создаваемые ими электрические и магнитные помехи. Последнее особенно недопустимо при наличии в составе системы, включающей лазер, чувствительных к таким помехам устройств, например электронного компаса.
Задачей изобретения является повышение надежности и быстродействия и снижение электрических и магнитных помех и наводок при минимальных габаритах и минимальной себестоимости лазера.
Эта задача решается за счет того, что в известном лазере с модуляцией добротности, включающем корпус, активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно относительно корпуса, а второе имеет возможность вращения, соосно со вторым зеркалом введена токопроводящая пружина кручения, одним концом закрепленная на корпусе, а вторым концом связанная с осью второго зеркала, а также введены последовательно соединенные ключ и источник электропитания, подключенные к концам пружины, причем второе зеркало установлено в исходном положении под углом φ к рабочему положению, в котором зеркала параллельны, а угол
, где
0
W - заданная угловая скорость второго зеркала в его рабочем положении,
J - суммарный момент инерции вращения второго зеркала и пружины кручения,
M - вращающий момент, создаваемый на оси вращения второго зеркала пружиной кручения при ее тепловом расширении под действием тока, протекающего от источника электропитания.
На фиг. 1 представлена схема лазера. Фиг. 2 иллюстрирует принцип его работы.
Устройство (фиг. 1) состоит из резонатора, образованного неподвижным 1 и вращающимся 2 зеркалами, между которыми размещен активный элемент лазера 3. Вращающееся зеркало соосно связано с цилиндрической пружиной кручения 4, закрепленной на корпусе 5 и подключенной своими концами к источнику электропитания 6 через ключ 7.
Лазер работает следующим образом.
В исходном состоянии вращающееся зеркало 2 расположено под углом φ к неподвижному зеркалу 1 (фиг. 2). При этом добротность резонатора, образуемого зеркалами 1 и 2, недостаточна для возникновения лазерной генерации. При замыкании ключа 7 через пружину кручения 4 начинает протекать ток, вызывающий нагревание пружины. Вследствие температурного расширения пружины она создает вращающий момент М, который приводит во вращение зеркало 2. Когда вращающееся зеркало 2 становится параллельным неподвижному зеркалу 1, добротность резонатора возрастает до уровня, достаточного для возникновения генерации гигантского лазерного импульса. Скорость возрастания добротности резонатора должна быть соизмерима со скоростью развития лазерной генерации, известной для каждого типа лазеров. Это налагает соответствующие требования к угловой скорости W вращения зеркала 2, которая в положении высокой добротности должна быть порядка 500-2000 рад/сек.
Объем материала пружины должен быть минимальным для ее быстрого разогревания и снижения энергозатрат. С этой целью при заданной длине она должна иметь минимальное поперечное сечение, достаточное для обеспечения требуемого момента вращения и прочности устройства в процессе эксплуатации.
Удержание зеркала 2 в исходном положении и его возвращение в исходное положение при отключении тока от источника питания обеспечивается за счет упругости пружины 4.
Если вращающееся зеркало выполнено в виде призмы полного внутреннего отражения с равными сторонами ее гипотенузной грани, то справедливы следующие расчетные соотношения [3].
2
Момент инерции вращения призмы J~ma/10,
где a - сторона гипотенузной грани призмы;
3
m=ρ·a/4 - масса призмы;
ρ - плотность материала призмы.
Угловое ускорение E призмы под действием вращающего момента M:
E=M/J,
Угловая скорость призмы W=Eτ, где τ - время после начала ее вращения.
Температурное приращение длины L токопроводящей части пружины 4:
ΔL=αLΔT,
где α - коэффициент линейного расширения;
ΔT - перепад температуры.
T
T
Энергия, необходимая для нагрева пружины, E=βmΔT,
где β - теплоемкость;
T
T
T
m=ρ V - масса пружины;
T
ρ - плотность материала пружины;
T
V - объем материала пружины.
Номинальное усилие, создаваемое пружиной при ее расширении,
T
P=М/r, где r - эквивалентный радиус приложения крутящего момента пружины 4 к вращающемуся зеркалу 2 (фиг. 2).
Пример
3
-3
ρ=2550 кг/м; a=2·10 м.
3
-9
-6
m=ρ a/4=2550·8·10/4~5·10 кг.
2
-6
-6
-12
2
J~ma/10=5·10·4·10/10~2·10 кгм
-5
Пусть M=4·10 Нм;
-5
-12
7
2
Е=М/J=4·10/2·10=2·10 рад/с.
-4
При τ=10 с.
7
-4
3
W=Еτ=2·10·10=2·10 рад/с.
Эквивалентная частота вращения в момент максимальной добротности резонатора
w=W/2π~320 об/с~20000 об/мин.
-3
Линейное ускорение точки воздействия вращающего момента при радиусе r=2·10
7
-3
4
2
A=Er=2·10·2·10=4·10 м/с.
Удлинение токопроводящей нити между исходным и рабочим положениями
2
4
-8
-4
S=Аτ/2=4·10·10/2=2·10 м=0,2 мм.
T
-5
-2
При r=2 мм номинальное усилие, действующее на нить P=М/r=4·10/0,002=2·10 Н.
φ=arctg(S/r)=arctg(0,2/2)~5,7°.
-6
α=18·10 1/град (нить из нихрома); L=20 мм; S=0,2 мм.
-6
ΔT=S/αL=0,2/(18·10·20)=10000/18~555°.
Габариты токопроводящей части пружины 0,1×0,1×20 мм.
T
-1
3
-7
3
Объем V=2·10 мм=2·10 дм.
T
T
T
-7
-7
Масса нити из нихрома m=V ρ=2·10·7,94~16·10 кг.
Теплоемкость нихрома β=0,48 Дж/кгK при 25°C; 0,76 Дж/кгK при 800°C. В среднем для температуры 25+250=275°C теплоемкость β=0,57 Дж/кгK.
Энергия, необходимая для разогрева токопроводящей части пружины 4 до заданной температуры
T
T
-7
E=βmΔТ=0,57·16·10·555=0,5 мДж.
Характеристики источника питания.
Потребляемая токопроводящей частью пружины мощность
T
T
P=E/τ.
Для рассматриваемого примера
T
T
P=E/τ=0, 5 мДж/0,1 мс=5 Вт.
T
Мощность, выделяемая в проводнике сопротивлением R
T
T
T
2
P=I ·R
T
R
T
T
-6
-2
-6
Сопротивление R=ρL/S~10·2·10/(0,1·0,1)·10=2 Ом,
R
T
где ρ~1 мкОм·м - удельное сопротивление нихрома, L=0,02 м - длина
T
токопроводящей части пружины; S - поперечное сечение проводника.
Потребляемый ток
T
T
T
0,5
0,5
I=(P/R)=(2,5/2)=1,1 А.
Напряжение источника
T
T
T
U=P/I=2,5/1,1~2,3 В.
ср
Т
изл
изл
Средняя потребляемая мощность P=E-f, где f - частота излучений лазера.
изл
-1
При f - 1 с средняя потребляемая мощность составляет 5 мВт.
Согласно приведенным результатам, предлагаемый лазер с модуляцией добротности обладает минимальными габаритами механических составных частей и минимальной потребляемой мощностью при максимальном быстродействии: время разгона вращающегося зеркала составляет 0,1 мс и менее, тогда как ближайший аналог [2] имеет время разгона не менее 30 мс. Простота и низкое энергопотребление устройства обеспечивают его высокую надежность. По этим параметрам предлагаемый лазер превосходит ближайший и другие известные аналоги. Низкое напряжение питания и отсутствие трущихся контактов и магнитных элементов обеспечивают минимальный уровень паразитных электрических воздействий на другие элементы лазера и комплексной системы с ним. Спиральная форма нити позволяет обеспечить достаточную жесткость конструкции при малых габаритах устройства.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает решение поставленной задачи, а именно, повышение надежности и быстродействия и снижение электрических и магнитных помех и наводок при минимальных габаритах и минимальной себестоимости лазера.
Источники информации
1. В.А. Волохатюк и др. Вопросы оптической локации. Под ред. P.P. Красовского. Изд. «Советское радио», М., 1971 г., стр. 196.
2. «Справочник по лазерной технике». Под ред. Ю.В. Байбородина, Л.З. Криксунова, О.Н. Литвиненко. Изд. «Техника», Киев, 1978 г., стр. 152-154. - Прототип.
3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.1. Механика. 3-е изд. М.: Наука, 1989, § 53 (http://genphys.phys.msu.ru/rus/lab/mech/opis7/i2.htm).