ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЛАЗЕРНАЯ УСТАНОВКА
SOLID-STATE LASER INSTALLATION

Изобретение относится к квантовой электронике, а конкретно к твердотельной лазерной установке с системой компенсации термооптических искажений в активном элементе.
Известна наиболее близкая по существу к предлагаемому устройству твердотельная лазерная установка (патент US 5121405 А, опубликован 09.06.1992), содержащая активный элемент, непрозрачное и полупрозрачное зеркала, расположенные с противоположных торцов активного элемента, исполнительное средство перемещения непрозрачного зеркала с блоком управления, светоделитель, расположенный с противоположной от активного элемента стороны полупрозрачного зеркала, выполненный с возможностью перенаправления одной части лазерного излучения и пропуска другой части на последовательно расположенный далее за светоделителем приемник излучения, а также устройство обработки данных, связанное для получения данных с приемником излучения и с блоком управления исполнительного средства перемещения непрозрачного зеркала.
Процессом компенсации термооптических искажений в активном элементе управляет исполнительное средство перемещения, выполненное в виде пары пьезоактюаторов, на блок управления которого подаются команды с устройства обработки данных.
Одна из особенностей работы лазерной установки заключается в наличии термооптических эффектов. Их появление связанно с тем, что значительная часть энергии накачки выделяется внутри активного элемента в виде тепла, что приводит к его нагреву. Особенно это проявляется у твердотельных лазеров из-за невысокой теплопроводности активного элемента. Распределение тепла внутри активного элемента твердотельного лазера, как правило, неравномерно, что приводит к значительному искажению оптической оси лазерного резонатора. При высокой однородности материала активного элемента эти искажения являются основным источником аберраций резонатора и оказывают наибольшее влияние на характеристики генерируемого излучения. В связи с этим необходимо обеспечивать компенсацию термооптических искажений в активном элементе твердотельного лазера. Борьба с термооптическими искажениями ведется на стадии разработки твердотельного лазера и заключается в подборе оптимальных параметров активного элемента, способов и схем накачки, расчете системы охлаждения. Несмотря на это, задача компенсации термооптических искажений в процессе генерации остается актуальной.
Описанная выше известная система управления компенсацией термооптических искажений в активном элементе предусматривает, что исполнительное средство перемещения выполнено в виде пары пьезоактюаторов, что влечет за собой ряд трудностей, а именно необходимость использования сложного и дорогостоящего блока управления движением пьезоактюаторов и наличие переходных режимов работы пьезоактюаторов, что является существенным недостатком.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в снижении стоимости и повышении точности позиционирования зеркала. Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении надежности функционирования устройства и обеспечении компенсации термооптических искажений.
Достижение этого технического результата обеспечивается тем, что твердотельная лазерная установка, содержащая активный элемент, непрозрачное и полупрозрачное зеркала, расположенные с противоположных торцов активного элемента, исполнительное средство перемещения, имеющее блок управления, светоделитель, расположенный с противоположной от активного элемента стороны полупрозрачного зеркала, выполненный с возможностью перенаправления одной части лазерного излучения и пропуска другой части на последовательно расположенный далее за светоделителем приемник излучения, отличается тем, что исполнительное средство перемещения состоит из устройства управления положением непрозрачного зеркала и электродвигателя. Устройство управления положением непрозрачного зеркала содержит балку длиной L, закрепленную на шарнирных опорах с одного конца и на расстоянии L/3 от второго конца, на котором жестко закреплено непрозрачное зеркало; дифференциальный винтовой механизм линейного перемещения, винт которого выполнен с возможностью вращения электродвигателем и сопряжен первой ступенью резьбы с неподвижным резьбовым кронштейном, а второй ступенью резьбы с гайкой, которая выполнена в виде ползуна, шарнирно связанного с балкой между ее шарнирными закреплениями с возможностью ее упругого изгиба. Винт устройства управления положением непрозрачного зеркала в наилучшем варианте осуществления изобретения расположен перпендикулярно оси активного элемента, а балка деформируется в плоскости наименьшей жесткости.
Сущность изобретения проиллюстрирована фигурами, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема твердотельной лазерной установки, на фиг. 2 представлена кинематическая схема устройства управления положением непрозрачного зеркала.
Твердотельная лазерная установка в соответствии с изобретением содержитактивный элемент 1 и соответствующую ему систему накачки (на схеме не показана); непрозрачное 2 и полупрозрачное 3 зеркала, расположенные с противоположных торцов активного элемента 1; исполнительное средство перемещения непрозрачного зеркала с блоком управления (на схеме не показано), состоящее из устройства управления 4 положением непрозрачного зеркала 2 для его углового и линейного перемещения и электродвигателя 5; светоделитель 6, расположенный с противоположной от активного элемента 1 стороны полупрозрачного зеркала 3, выполненный с возможностью пропуска основной части лазерного излучения и перенаправления оставшейся части на последовательно расположенный далее за светоделителем 6 приемник излучения 7; устройство обработки сигнала 8, связанное с приемником излучения 7 и с блоком управления исполнительного средства перемещения непрозрачного зеркала.
Устройство управления 4 положением непрозрачного зеркала 2 содержит упругую балку 9 и дифференциальный винтовой механизм линейного перемещения с винтом 10 (фиг. 2).
Упругая балка 9, имеющая длину L, закреплена на одном конце шарнирным закреплением 11 и на расстоянии L/3 от второго конца 12 с использованием шарнирного закрепления 13. На втором конце 12 упругой балки 9 жестко закреплено непрозрачное зеркало 2. Упругая балка 9 может быть изготовлена, например, из прецизионного сплава 36НХТЮ, либо из аналогичного материала с высокими упругими свойствами.
Винт 10 дифференциального винтового механизма линейного перемещения выполнен с возможностью вращения электродвигателем 5 и сопряжен первой ступенью 14 резьбы с неподвижным резьбовым кронштейном 15, а второй ступенью 16 резьбы с гайкой 17, которая выполнена в виде ползуна, шарнирно связанного с балкой 9 между ее шарнирными закреплениями 11, 13 с возможностью его упругого изгиба для управления положением непрозрачного зеркала 2.
Винт 10 расположен перпендикулярно оси активного элемента 1, а балка 9 выполнена с прямоугольным поперечным сечением, длинная сторона которого перпендикулярна оси винта 10.
Функция устройства управления 4 положением непрозрачного зеркала 2 заключается в устранении возмущений волнового фронта, вызванных клиновыми деформациями активного элемента 1. Вынужденное излучение активного элемента 1 усиливается за счет многократного прохождения оптического резонатора, при этом часть излучения выходит через полупрозрачное зеркало 3 в виде полезного сигнала.
При работе устройства появление термооптических искажений в активном элементе 1 приводит к спаду уровня энергии полезного излучения. Для анализа величины снижения уровня энергии часть полезного излучения отводится светоделителем 6 на приемник излучения 7, далее сигнал с приемника излучения 7 преобразует устройство обработки сигнала 8, которое передает команду блоку управления электродвигателем 5, приводящим в движение устройство управления 4 положением непрозрачного зеркала 2, корректируя его положение относительно активного элемента 1, что приводит к восстановлению заданного уровня энергии лазерного излучения.
Устройство управления 4 варьирует угловое положение непрозрачного зеркала 2, закрепленного на консоли балки 9. Траекторией движения непрозрачного зеркала 2 является дуга окружности. Главной отличительной особенностью устройства управления 4 является возможность одновременного углового и линейного перемещения непрозрачного зеркала 2 относительно начальной плоскости. Возможны иные траектории движения непрозрачного зеркала 2 при использовании иной конструктивной реализации устройства управления 4.
Твердотельная лазерная установка в соответствии с изобретением изготавливается из известных материалов, из известных деталей и элементов. Для изготовления твердотельной лазерной установки в соответствии с изобретением используются известные технологии. Приведенный пример осуществления твердотельной лазерной установки не является исчерпывающим. Возможны иные варианты практической реализации изобретения, которые будут соответствовать объему патентных прав.