Устройство для управления добротностью резонатора лазера с формированием субнаносекундного фронта импульсов

Область техники
Полезная модель относится к области лазерной техники и может быть использована в импульсных лазерных установках для промышленного производства (машиностроения, приборостроения, металлургии, химических производств), лазерной медицинской технике, а также в лазерном оборудовании для научных исследований. Предшествующий уровень техники
Для формирования мощного импульсного лазерного излучения используется электрооптический модулятор добротности. Для управления добротностью, которая характеризует степень использования энергии, применяется электрооптический метод, основанный на использовании эффекта Поккельса. Он состоит в том, что под действием электрического поля прозрачность модулятора будет максимальна, а при отсутствии - полностью непрозрачна для лазерного излучения. В зависимости от времени переключения электрического поля модулятора лазера, будет меняться длительность воздействия и глубина проникновения лазерного излучения. Переключение состояний электрооптического модулятора добротности осуществляет модуль управления.
Электрооптические модуляторы добротности производят отдельно от модуля управления или в составе дорогостоящей лазерной установки. В первом случае возникает проблема появления паразитного реактивного сопротивления, чем длиннее проводники и больше емкость электрооптического модулятора, тем больше длительность фронта сигнала по времени. Даже используя модуль управления, формирующим наносекундный фронт, фронт нарастания импульса увеличивается более чем в два раза из-за использования нагрузки, имеющую высокое омическое сопротивление и емкость. Например, известен модуль для управления электрооптическим модулятором (ООО «Кристалл Т» [Электронный ресурс]. - URL: [https://drive.google.com/open?id=1AzbpZFbAcA-uC8jM0c8IQ-Evv1gpYUyw] (дата обращения 06.04.2021 г.).
Известно устройство для модуляции добротности резонатора лазера (патент RU №11630, опубл. 16.10.1999), которое содержит модулятор на нарушенном полном внутреннем отражении и отклоняющие элементы, выполненные в виде призм или зеркал, при этом отклоняющие элементы и модулятор на нарушенном полном внутреннем отражении расположены по схеме модифицированного интерферометра Саньяка, в котором промежуток между призмами модулятора используется в качестве светоделительного элемента.
Недостатком данного устройства для модуляции добротности резонатора лазера является использование модулятора на нарушенном полном внутреннем отражении, который имеет не более 10% пропускания в закрытом состоянии и временем переключения из закрытого в открытое состояние более 200 нс.
Известен электрооптический модулятор с поперечным приложением управляющего поля (патент RU №2225631, опубл. 10.03.2004), состоящий из двух последовательно расположенных и оптически сопряженных электрооптических кристаллов, ретроотражателем, установленным между электрооптическими кристаллами, и зеркалом, установленным за вторым электрооптическим кристаллом, оба электрооптических кристалла помещены в диэлектрический корпус.
Недостатком данного устройства является сложность получить фронты импульса излучения меньше 5 нс.
Техническая задача, решение которой обеспечено предложенной полезной моделью, заключается в создании электрооптического модулятора добротности резонатора лазера с интегрированным субнаносекундным модулем управления в едином компактном корпусе.
Техническим результатом, который достигается предложенным решением, является обеспечение фронта импульсов лазерного излучения менее 5 нс, а также расширение функциональных возможностей лазера.
Технический результат достигается тем, что устройство для управления добротностью резонатора лазера с формированием субнаносекундного фронта импульса, содержащее корпус, в котором установлен электрооптический модулятор, подключенный к модулю управления, соединенному с блоком согласования, расположенных на одной печатной плате, причем модуль управления содержит ключи на транзисторах, работающих в лавинном режиме и подключен к задающему генератору и преобразователю высокого напряжения, закрепленных с одной боковой стороны корпуса, а печатная плата, экранирующая печатная плата и плата умножителя напряжения закреплены на стойках, установленных в основании корпуса.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен общий вид электрооптического модулятора добротности резонатора лазера с интегрированным субнаносекундным модулем управления в разрезе, на фиг. 2 показана структурная схема печатной платы.
На фиг. 1 и 2 отображены следующие конструктивные элементы устройства:
1 - корпус;
2 - стойки для печатных плат;
3 -плата умножителя напряжения;
4 - экранирующая печатная плата;
5 - печатная плата;
6 - разъем постоянного напряжения;
7 - электрооптический модулятор;
8 - разъем задающего генератора;
9 - модуль управления;
10 - блок управления высоковольтными ключами;
11 -блок индуктивной развязки;
12 - высоковольтные ключи верхнего плеча;
13 - высоковольтные ключи нижнего плеча;
14 - блок согласования;
15 - преобразователь высокого напряжения.
Осуществление полезной модели
Электрооптический модулятор добротности резонатора лазера с интегрированным субнаносекундным модулем управления представляет собой металлический экранирующий корпус 1, в основании которого зафиксированы стойки 2 для печатных плат, на которых закреплены печатная плата умножителя напряжения 3, экранирующая печатная плата 4 и печатная плата 5, с расположенными на ней модулем управления 9 и блоком согласования 14, и электрооптический модулятор 7. Электрооптический модулятор 7 соединен с модулем управления 9 через блок согласования 14. Модуль управления 9 подключен к разъему 8 задающего генератора, плата умножителя напряжения 3 подключена к разъему 6 постоянного напряжения 24 В.
Модуль управления 9 состоит из блока управления высоковольтными ключами 10, двух блоков индуктивной развязки 11 и высоковольтных ключей 12, 13 верхнего и нижнего плеча. Высоковольтные ключи 12, 13 верхнего и нижнего плеча соединены с преобразователем высокого напряжения 15, и блоком согласования 14.
Работа устройства
Блок управления высоковольтными ключами 10 подает импульсы через индуктивную развязку 11 на высоковольтные ключи 12, 13 верхнего и нижнего плеча, чем обеспечивается фронт импульса менее 5 нс по переднему и заднему фронтам. При включении высоковольтных ключей 12 верхнего плеча, обеспечивается фронт импульса менее 5 нс по переднему фронту, а при включении высоковольтных ключей 13 нижнего плеча обеспечивается фронт импульса менее 5 нс по заднему фронту. Высоковольтные ключи 12, 13 верхнего и нижнего плеча выполнены из цепочки последовательно включенных лавинных транзисторов с высокими напряжением и током в импульсе с предельно малым временем включения. На базу транзисторов, через индуктивную развязку 11 подаются периодические управляющие импульсы и вводят транзистор в лавинный режим работы, что позволяет поддерживать открытое состояние ключей. Электрооптический модулятор 7 выполнен из высокоомных кристаллов КТР, имеющие повышенную лучевую стойкость с поперечным формированием электрического поля. Под действием электрического поля изменяется показатель преломления, основанный на эффекте Поккельса.
На электрооптический модулятор 7 через блок согласования 14 поступает импульс амплитудой в несколько киловольт и длительностью фронта менее 5 нс. Управление осуществляется внешним задающим генератором. Невысокие значения коэффициента электромеханической связи определяют низкий уровень «пьезозвона» при импульсном управлении, что позволяет использовать их для модуляции излучения в килогерцовом диапазоне частот.
В электрооптическом модуляторе 7 с поперечным формированием электрического поля, четвертьволновое приложенное напряжение не зависит от длины кристалла.
Таким образом, предложенная полезная модель, которая выполнена в компактном заземленном, экранированном от электромагнитных помех корпусе, обеспечивает фронт импульса лазерного излучения менее 5 нс.