ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЙ ЗАТВОР (МОДУЛЯТОР ДОБРОТНОСТИ) ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРОВ С ФУНКЦИЕЙ КОММУТАТОРА И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА (ОМЗ-КП)
OPTICAL-MECHANICAL SHUTTER (Q-SWITCH) FOR PULSED LASERS WITH SWITCH FUNCTION AND LASER RADIATION WAVELENGTH CONVERTER (OMZ-KP)

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к импульсным твердотельным лазерам, работающим в режиме модуляции добротности резонатора. В настоящее время применение твердотельных импульсных лазеров с различной длиной волны излучения связано с материалом стержня лазера. Для получения другой длины волны излучения с одного стержня задающего лазера применяется метод преобразования излучения с использованием прохождением начального генерируемого излучения через кристалл, например: калий титанат фосфата - КТР, который обеспечивает преобразование излучения на входе λ=1.064 мкм в излучение на выходе λ=0.53 мкм за счет нелинейного преобразования во вторую гармонику или излучение с длинной волны λ=1.57 мкм при параметрическом преобразовании света в параметрическом однорезонаторном генераторе, образованном зеркалом на кристалле преобразователя и выходным зеркалом лазера, снабженными специальными покрытиями.
2
3
В ОМ3-КП (Рис. 5) этот метод универсален для различных сочетаний: материал стержня лазера - материал кристалла преобразователя, при работе в оптическом диапазоне λ=0.2 мкм÷5.0 мкм (вся оптика ОМ3-КП из лейкосапфира - AlO).
В настоящее время применение импульсных твердотельных лазеров с длиной волны излучения безопасной для глаз человека используется во многих устройствах, но в то же время существуют устройства, где требуются лазеры, работающие на двух длинах волн, например: 1) с импульсной волной излучения λ=1.064 мкм и с импульсной волной излучения λ=1.57 мкм, 2) с импульсной волной излучения λ=1.064 мкм и с импульсной волной излучения λ=0.53 мкм.
Аналог такой возможности представлен в патенте RU №2453866 С2.
Предлагается устройство ОМ3-КП, которое позволяет компактно совместить все вышеуказанные функции. За прототип взят патент RU №2516615, в котором в быстро вращающемся роторе (Рис. 1, п. 10) добавлена еще одна конструктивная единица (Рис. 1, п. 6, Рис. 3, сечение А-А, Рис. 4, п. 6).
В показанной для примера на Рис. 1 конструкции на пути импульсного лазерного (Рис. 1, п. 22) излучения на λ=1.064 мкм установлен кристалл из КТР (калий титанит фосфата Рис. 2 п. 30), который в зависимости от ориентации кристалла к излучению лазера может генерировать длину волн λ=1.57 мкм или =0.53 мкм. По требованиям технического задания в предъявленном устройстве используется только одна из двух возможностей, указанных выше: λ=1.064 мкм +λ=1.57 мкм или λ=1.064 мкм +λ=0.53 мкм.
Момент высвечивания лазерного импульса на волне λ=1.064 мкм происходит при вращении ротора устройства (Рис. 1, п. 10) два раза за оборот: когда глухое зеркало лазерного блока (Рис. 1, п. 24) строго параллельно полупрозрачному зеркалу, нанесенному на катет грани призмы А90 (Рис. 1, п. 3, п. 2), излучение на выходе ОМ3-КП на длине волны λ=1.064 мкм, или когда глухое зеркало (Рис. 1, п. 24) строго параллельно полупрозрачному зеркалу сборки с КТР (Рис. 3, п. 11, п. 2), излучение на выходе ОМ3-КП на длине волы λ=1.57 мкм или λ- 0.53 мкм.
При работе ОМ3-КП в заданном диапазоне температур, которое оговаривается техническом заданием, возможно изменение коэффициента полезного действия (КПД) при преобразовании длины волны излучения.
Для подержания стабильного КПД в конструкции предусмотрен механизм регулировки угла поворота КТР по заданной оси относительно лазерного излучения (Рис. 3, сечение А-А, сборка Рис. 4, п. 6).
Такая регулировка позволяет поддерживать стабильность КПД преобразования излучения в заданном диапазоне температур (±t°C). Устройство угла поворота КТР в зависимости от температуры состоит из двух пластин, одна из которых биметаллическая пластина, состоящая из металлов с различными коэффициентами теплового расширения (Рис. 3, п. 34), а вторая из однородного металла (сечение А-А, Рис. 4, п. 36). Пластины скреплены на одном конце (Рис. 3, п. 35). На незакрепленном конце биметаллической пластины крепится шток с зубчатой рейкой (Рис. 3, п. 31) перпендикулярно плоскости пластины (сечение А-А, Рис. 4, п. 31).
Вся сборка (сечение А-А, Рис. 4, п. 6) устанавливается и закрепляется на поверхности вращающегося ротора (Рис. 3) так, чтобы шток с зубчатой рейкой (сечение А-А, Рис. 4, п. 31) сопрягался с сектором шестеренки (сечение А-А, Рис. 4, п. 32), закрепленной на вращающейся сборке с КТР (сечение Рис. 4).
Вращающая сборка с КТР вмонтирована в сборку, которая крепится во вращающемся роторе (Рис. 3) соосно по оптической оси сборной призмы (Рис. 3, п. 1, п. 3, п. 5).
Работа устройства ОМ3-КП обеспечивает два разных лазерных излучения за один оборот ротора (Рис. 1): положение 1 - с преобразованием длины волны излучения задающего лазера, положение 2 - без преобразования длины волны задающего лазера.
Работа ОМ3-КП при вращении обеспечивает стабильность КПД преобразованной длины волны излучения на выходе устройства в заданном температурном диапазоне (поворот вращающейся сборки с кристаллом КТР (сечение А-А, Рис. 4, п. 6)). Поворот вращающейся сборки происходит при температурном прогибе биметаллической пластины (сечение А-А, Рис. 4, п. 34) вместе с закрепленном на ее конце штоком с зубчатой рейкой (сечение А-А, Рис. 4, п. 31), которая сопряжена с сектором шестеренки (сечение А-А, Рис. 4, п. 32), закрепленной на этой сборке (сечение А-А, Рис. 4, п. 6).
Движение закрепленного одним концом на биметаллической пластине штока происходит при разогреве биметаллической пластины на определенный угол. Зависимость угла поворота вращающейся сборки (Рис. 1 п. 6) для подержания стабильности КПД в заданном диапазоне температур должно обеспечиваться величиной температурного отклонения конца биметаллической пластины (Рис. 3, п. 34) с закрепленным на ее свободном конце штоком с зубчатой рейкой (Рис. 3, п. 31), а также с учетом коэффициента передачи движения штока с зубчатой рейкой на поворот сектора шестеренки (сечение А-А, Рис. 4, п. 32), которая закреплена на вращающейся сборке с кристаллом КТР (Рис. 1, п. 6).
Условные обозначения
1 - Ромб-призма
2 - Полупрозрачное покрытие на λ1
3 - Призма Ар 90 с полупрозрачным покрытием катета
4; 5; 7 - Призма Ар 90
6 - Преобразователь длины волны излучения с KTR
8 - Обтюратор
9 - Полупрозрачное зеркало на λ2
10 - Вращающийся ротор
11 - Полупрозрачное зеркало на λ1 и отражающее λ2
12 - Датчик углового положения ротора
13 - Датчик углового положения на вращающемся роторе конструкции
14 - Неподвижная часть корпуса устройства
15; 17; 19 - Объективы на λ2
16 - Полевая диафрагма
18 - Оптический фильтр на λ2
20 - Сенсор на λ2
21 - Электродвигатель (не показан)
22 - Лазер
23 - Блок накачки лазера
24 - Глухое зеркало
25; 26; 28 - Объективы на λ1
27 - Оптический фильтр на λ1
29 - Сенсор на λ1
30 - Кристалл КТР
31 - Шток с зубчатой рейкой
32 - Сектор шестеренки
33 - Беличье колесо
34 - Биметаллическая пластина
35 - Крепления пластин
36 - Металлическая пластина
37 - Процессор
38 - Блок питания.