УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА С ПРОДОЛЬНОЙ НАКАЧКОЙ
DEVICE FOR STABILISING LASER RADIATION PARAMETRES OF LONGITUDINALLY PUMPED SOLID-STATE LASER

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в машиностроении, оптической связи и медицине.
Из уровня техники известен твердотельный лазер с продольной накачкой (Патент на изобретение RU №2172544, опубл. 2001.08.20, МПК Н01S 3/02), обеспечивающий угловую стабилизацию лазерного излучения в широком температурном диапазоне. Твердотельный лазер включает последовательно соединенные оптический модуль накачки и резонатор лазера с выходным зеркалом и активным элементом, вклеенным теплопроводящим компаундом в калиброванный ложемент. Ложемент выполнен со стороны оптического модуля накачки в цилиндрической оправе резонатора, закрепленной в корпусе лазера соосно с оптической осью модуля накачки.
К недостаткам данного твердотельного лазера с продольной накачкой можно отнести недостаточную стабилизацию углового положения лазерного пучка и падение мощности лазерного излучения при переходе температуры окружающей среды в отрицательную область.
Известно устройство (А.А.Каминский. Лазерные кристаллы - М., Наука, 1975 г., стр.199-207), отражающее изменение генерационных характеристик в широком интервале температур. Для устранения возбуждения «побочной» генерации на длине волны 1061 нм в активном элементе последний должен находится при температуре +30°.
Известно устройство стабилизации расходимости лазерного излучения за счет уменьшения термических искажений активного элемента путем использования специальных стекол (Ю.А.Ананьев. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. - М., Наука, Физматлит, 1979 г., стр.268-285). Недостатком данного устройства является сложность конструкции лазера.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является твердотельный лазер с продольной накачкой (Патент на изобретение RU №2266594, опубл. 2005.12.20, МПК: H01S 3/02). Данный лазер содержит корпус с последовательно установленными и оптически сопряженными оптическим модулем накачки и резонатором лазера, состоящим из цилиндрической оправы с выходным зеркалом и активным элементом, выполненным со стороны оптического модуля накачки. На торце корпуса резонатора со стороны калиброванного ложемента с активным элементом установлен термоэлектрический модуль. При этом лазер снабжен контроллером температуры и термодатчиком, входы управления контроллера температуры соединены с выходами термодатчика, а выходы - с входами термоэлектрического модуля. Данное решение позволяет снизить влияние температуры окружающей среды на температуру резонатора лазера и тем самым обеспечить стабилизацию мощности лазерного излучения в широком температурном диапазоне.
Недостатком данного устройства, как и других выше изложенных, является то, что они позволяют осуществлять стабилизацию только одного из параметров твердотельного лазера с продольной накачкой.
Технический результат предлагаемого технического решения заключается в расширении функциональных возможностей, а именно в обеспечении единовременной стабилизации нескольких параметров лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой.
Технический результат достигается тем, что устройство стабилизации лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой содержит оптический модуль накачки, активный элемент, термоэлектрический модуль, драйвер термоэлектрического модуля, управляющий микроконтроллер, первый термодатчик. При этом оно отличается от прототипа тем, что в него введены второй термодатчик, фотодатчик, усилитель сигнала фотодатчика. Причем оптический выход оптического модуля накачки связан с оптическим входом активного элемента и оптическим входом фотодатчика, первый выход которого термически связан с входом второго термодатчика, а второй выход соединен с входом усилителя сигнала фотодатчика, выход которого соединен с первым входом управляющего микроконтроллера, второй вход которого соединен с выходом второго термодатчика, а третий вход соединен с выходом первого термодатчика, вход которого термически связан с выходом активного элемента. Выход управляющего микроконтроллера соединен с входом драйвера термоэлектрического модуля, выход которого соединен с входом термоэлектрического модуля, выход которого связан термически с входом активного элемента.
На Фиг.1 изображена структурная схема устройства стабилизации параметров лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой, где:
1 - оптический модуль накачки,
2 - активный элемент,
3 - термоэлектрический модуль,
4 - драйвер термоэлектрического модуля,
5 - управляющий микроконтроллер,
6 - первый термодатчик,
7 - второй термодатчик,
8 - фотодатчик,
9 - усилитель сигнала фотодатчика.
Устройство стабилизации параметров лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой содержит оптический модуль накачки 1, оптический выход которого связан с оптическим входом активного элемента 2 и оптическим входом фотодатчика 8. Первый выход фотодатчика 8 термически связан с входом второго термодатчика 7. Второй выход фотодатчика 8 соединен с входом усилителя сигнала фотодатчика, выход которого соединен с первым входом управляющего микроконтроллера 5. Выход второго термодатчика 7 соединен с вторым входом управляющего микроконтроллера 5, третий вход которого соединен с выходом первого термодатчика 6, вход которого термически соединен с выходом активного элемента 2. Выход управляющего микроконтроллера 5 соединен с входом драйвера термоэлектрического модуля 4, выход которого соединен с входом термоэлектрического модуля 3. Выход термоэлектрического модуля 3 связан термически с активным элементом 2.
Устройство стабилизации параметров лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой работает следующим образом. Лазерное излучение с оптического модуля накачки 1 подают на фотодатчик 8, где оно преобразуется в электрический сигнал и поступает на вход усилителя фотодатчика 9, а затем сигнал фотодатчика усиливается и поступает на вход управляющего микроконтроллера 5. На основании полученных данных управляющий микроконтроллер 5 вычисляет требуемую температуру термоэлектрического модуля 3. При этом температуру активного элемента 2 измеряют первым термодатчиком 6. Далее сигнал с первого термодатчика 6 поступает на вход АЦП управляющего микроконтроллера 5, где происходит сравнение с требуемой температурой, и, в зависимости от результата, управляющий микроконтроллер 5 выдает сигнал управляющего воздействия на схему драйвера термоэлектрического модуля 4. Драйвер термоэлектрического модуля 4, в зависимости от управляющего воздействия, изменяет уровень и полярность напряжения на термоэлектрическом модуле 3, поддерживая тем самым температуру активного элемента 2 на заданном уровне в широком температурном диапазоне. Для компенсации температурного дрейфа сигнала фотодатчика 8 используют сигнал со второго термодатчика 7, который измеряет температуру фотодатчика 8, коррекция которой производится программным методом.
Особенность стабилизация параметров лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой заключается в том, что производят непрерывное измерение оптической мощности накачки и синхронное управление теплообменом активного элемента резонатора с окружающей средой. При этом управление теплообменом осуществляют посредством введения ветви обратной связи между оптическим модулем накачки и активным элементом, за счет чего разница между поглощаемой активным элементом световой энергией (преобразованной в объеме активной среды в тепловую) и энергией, отводимой от активного элемента, поддерживается на заданном уровне, вне зависимости от температуры окружающей среды.
Примером практического применения может служить устройство стабилизации параметров лазерного излучения твердотельного лазера с накачкой лазерными диодами с активным элементом из иттро-алюминиевого граната с неодимом
3+
3+
(YAG: Nd). Оно включает оптический модуль накачки лазерными диодами 1, оптический выход которого связан с оптическим входом активного элемента 2 (YAG: Nd) и оптическим входом фотодатчика 8, выполненного на фотодиоде типа ФД19КК. Первый выход фотодатчика 8 термически связан с входом второго термодатчика 7, выполненного на терморезисторе ТР2 15 кОм. Второй выход фотодатчика 8 соединен с входом усилителя сигнала фотодатчика 9 типа ОР291, выход которого соединен с первым входом управляющего микроконтроллера 5 типа Atmega6-16P1. Выход второго термодатчика 7 соединен со вторым входом управляющего микроконтроллера 5, третий вход которого соединен с выходом первого термодатчика 6 (терморезистор ТР2 15 кОм), вход которого термически соединен с выходом активного элемента 2. Выход управляющего микроконтроллера 5 соединен с входом драйвера термоэлектрического модуля 4 (мост из двух n-канальных и двух р-канальных транзисторов), выход которого соединен с входом термоэлектрического модуля 3 типа ТВ-38-1,0-1,5-CHR. Выход термоэлектрического модуля 3 связан термически с активным элементом 2.
Экспериментальные данные приведены на чертежах (Фиг. 2 - Фиг. 6), где:
1 - параметры лазерного излучения без подогрева активного элемента;
2 - параметры лазерного излучения твердотельного лазера прототипа;
3 - параметры лазерного излучения с использованием предлагаемого устройства.
На Фиг.2 показана зависимость мощности лазерного излучения от температуры окружающей среды. Видно, что падение мощности с использованием предлагаемого устройства составляет значение не более 10% от значения мощности в нормальных климатических условиях, в прототипе - 30%, без подогрева активного элемента - 60%.
Изменение расходимости лазерного излучения от температуры окружающей среды относительно значения расходимости в нормальных климатических условиях показано на Фиг.3. Такой разброс значения расходимости с использованием предлагаемого устройства составляет не более 20%, в прототипе - 30%, без подогрева активного элемента - 45%.
Возникновение «побочной» генерации на длине волны 1061 нм показано на Фиг.4. Значения по оси ординат представлены в процентном соотношении интенсивности лазерного излучения на длине волны 1061 нм к интенсивности лазерного излучения на длине волны 1064 нм. С использованием предлагаемого устройства значение  составляет 0%, что говорит об отсутствии «побочной» генерации с изменением окружающей температуры, в прототипе - значение  составляет (20±3)%, без подогрева активного элемента - значение  изменяется от 5% до 50% с понижением температуры окружающей среды.
На чертежах (Фиг.5 - Фиг.6) показана угловая стабильность лазерного излучения в пространстве в вертикальном и горизонтальном направлениях. Фиг.5 - угловая стабильность в вертикальном направлении, Фиг.6 - угловая стабильность в горизонтальном направлении. Измерение угловой стабильности проводилось в течение пяти минут. Использование предлагаемого устройства позволяет получить угловую стабильность порядка 20 угловых секунд как в горизонтальном направлении, так и вертикальном. Прототип позволяет получить угловую стабильность порядка 80 и 40 угловых секунд в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно. Без подогрева активного элемента - 120 и 60 угловых секунд в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно.
Таким образом, учет параметров накачки при компенсации термооптических искажений в активном элементе позволяет производить единовременную стабилизацию параметров лазерного излучения в широком температурном диапазоне.