ОДНОЧАСТОТНЫЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

Полезная модель относится к области квантовой электроники и может быть использована при создании стабилизированных He-Ne лазеров для интерферометрических измерений в нанотехнологии, машиностроении, оптической промышленности.
Известен лазер, стабилизирующий частоту и мощность лазерного излучения за счет измерения сигнала, пропорционального выходной мощности излучения. В лазере модулируют резонатор пробным сигналом, определяют знак текущего градиента резонанса мощности и формируют сигнал подстройки. (Патент 1533604 БССР пр. 27.11.1987 г.)
Недостатком данного устройства является модуляция лазерного излучения, что отрицательно сказывается на процессе измерения в лазерном интерферометре.
Известен частотно-стабилизированный газовый лазер с цифровой системой автоматической подстройки частоты (АПЧ), включающей 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. Пирогова «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 статье алгоритма, время захвата АПЧ составит не более 5 с. Лазер за это время не успевает прогреться, не устанавливается температурное равновесие с окружающей средой. В связи с этим у термоуправляемого лазера при использование этой схемы АПЧ можно ожидать выход лазера из системы стабилизации, вновь захват и так неоднократно.
Наиболее близким по технической сущности является частотно-стабилизированный газовый 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), выходом соединенный с дифференциальным усилителем, усилитель мощности, подключенный к нагревателю, и блок управления начальным прогревом (БУНП), высоковольтный источник питания, отличающийся тем, что 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 (Патент РФ №112521 опубл. 10.01.2012 бюл. №1) - прототип.
Недостатком такого устройства является низкий уровень мощность излучения.
Целью настоящего изобретения является повышение мощности лазерного излучения на единицу длины активного элемента в стабилизированном лазере.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем активный элемент с терморегулятором в виде спирали, помещенным в корпус, содержащим магнитную систему, создающую поперечное магнитное поле, в корпус введен вентилятор для стабилизации температуры, а система стабилизации содержит цифровую систему автоматической стабилизации амплитуды (АСА), которая включает в себя три режима:
- режим прогрева;
- режим определения уровня опоры мощности излучения;
- режим стабилизации мощности излучения в заданной поляризации вблизи максимума на уровне 93-95% от максимальной мощности.
Структурная блок-схема устройства с цифровой системы АСА приведена на фиг. 1.
При включении лазера система АСА переходит в режим прогрева:
- с микроконтроллера (8) соответствующий сигнал управления подается на регулятор мощности (7), который на нагревательный элемент (2) подает значение напряжения, обеспечивающее быстрый прогрев оболочки активного элемента (1) до рабочей температуры (для данной конструкции около 65°С).
Рабочая температура определяется как разность температур между температурой оболочки активного элемента и температурой окружающей среды, которые измеряются термодатчиками: RT1, установленным на корпусе лазера для фиксации температуры оболочки, и RT2, установленным на плате, для фиксации температуры окружающей среды, сигналы с которых через АСА считываются микроконтроллером (8).
Использование вентилятора (5) позволяет повысить устойчивость системы АСА при изменении температуры окружающей среды в процессе работы, уменьшить время прогрева.
По мере того как температура оболочки активного элемента (1) достигает рабочего значения (около 65°С), система АСА переходит в режим определения уровня опоры мощности излучения в заданной поляризации.
Излучение, пройдя через поляроид (3) измеряется фотодиодом (4), фототок которого преобразуется в напряжения и считывается АЦП микроконтроллера.
В этом режиме напряжения на нагревательном элементе снижаются до определенного уровня и температура оболочки активного элемента, плавно переходит к рабочему значению. В этот момент определяется максимальное значение мощности излучения в заданной поляризации и вычисляется уровень опоры для стабилизации мощности излучения, соответствующий одночастотному режиму.
После определения уровня опоры система АСА плавно переходит к режиму стабилизации уровня мощности в заданной поляризации, сигнал с фотодиода через АЦП обрабатывается в микроконтроллере с применением алгоритма цифрового ПИД регулятора, далее соответствующие сигналы с микроконтроллера поступают на регулятор мощности нагревателя (7) и регулятор скорости вращения вентилятора (6). Таким образом, цифровая система АСА поддерживает стабильное значение мощности излучения в заданной поляризации вблизи максимума на уровне 93-95% от максимальной мощности, который обеспечивает одночастотный режим работы лазера.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило 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.
В конкретном исполнении получены следующие характеристики лазера:
- выходная мощность лазерного излучения 1 мВт при длине активного элемента 135 мм, (выходная мощность лазерного излучения прототипа ЛГН-303 1 мВт при длине активного элемента 245 мм);
- стабильность мощности 5%;
- длина когерентности около 3 м.
Приведенные примеры показывают, что заявленная полезная модель соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.