СКАНИРУЮЩИЙ ЛАЗЕР
SCANNING LASER

Изобретение относится к области квантовой электроники и лазерно-оптических систем. Сканирующий лазер на базе самосопряженного резонатора может быть использован в составе лазерных технологических комплексов, предназначенных для обработки различных материалов, применен для решения задач оптической локации, а также в медицине и приборостроении.
Известен сканирующий лазер на базе самосопряженного резонатора, который содержит два плоских зеркала, между которыми располагаются две положительные линзы, цилиндрический активный элемент, поляризатор и пространственный модулятор света (ПМС), выполненный в виде двух пластин. Цилиндрический активный элемент располагается симметрично между линзами, которые установлены софокусно. Поляризатор установлен между одним из зеркал и линзой. ПМС выполнен в виде двух пластин, каждая из которых установлена в непосредственной близости от отражающих поверхностей одного и второго плоских зеркал [Патент US №3519953 от 07.07.1970 г.].
Недостатками этого лазера являются цилиндрическая форма активного элемента, лимитирующая величину угла наклона лазерного луча относительно оптической оси лазера, и разделение ПМС на две части, что усложняет конструкцию.
Известен сканирующий лазер на базе самосопряженного резонатора, который содержит два плоских зеркала, между которыми располагаются две положительные линзы, цилиндрический активный элемент, поляризатор и пространственный модулятор света. Самосопряженный резонатор лазера образован двумя плоскими зеркалами, отражающие поверхности которых пространственно совмещены с фокальными плоскостями линз, установленных софокусно. Одно из зеркал резонатора полностью отражает, а другое частично пропускает лазерное излучение. Поляризатор и цилиндрический активный элемент расположены между линзами. Около одного из зеркал резонатора располагается пространственный модулятор света [Патент US №3980818 от 14.09.1976 г.]. Недостатком сканирующего лазера является малый угол сканирования.
В качестве прототипа выбран сканирующий лазер на базе самосопряженного резонатора [Патент US №3980818 от 14.09.1976 г.].
Лазер содержит два плоских зеркала, между которыми расположены две положительные линзы, цилиндрический активный элемент, поляризатор и пространственный модулятор света. Самосопряженный резонатор лазера образован двумя плоскими зеркалами, отражающие поверхности которых пространственно совмещены с фокальными плоскостями линз, установленных софокусно. Одно из зеркал резонатора полностью отражает, а другое частично пропускает лазерное излучение. Поляризатор и цилиндрический активный элемент расположены между линзами. Около одного из зеркал резонатора параллельно отражающей поверхности зеркала расположен пространственный модулятор света.
Недостатком сканирующего лазера является малый угол сканирования (угол поля зрения), что не позволяет эффективно применять его, например, для решения задач лазерной локации и технологии.
Задачей является увеличение угла поля зрения и размеров зоны обработки при применении сканирующего лазера в системах локации пространства и промышленных технологических установках соответственно, а также повышение их быстродействия и производительности.
Предложен сканирующий лазер, включающий два плоских зеркала, одно из которых полностью отражает, а другое частично пропускает лазерное излучение, две положительные линзы, установленные софокусно между зеркалами, поляризатор, пространственный модулятор света, активный элемент и теплообменник. Активный элемент выполнен в виде тонкой пластины или диска, у которого на внешнюю сторону нанесено просветляющее покрытие, а на внутреннюю - полностью отражающее покрытие на длине волны лазерного излучения. Внутренней стороной активный элемент установлен на теплообменник.
Значительное увеличение угла сканирования лазера достигается за счет применения тонкого дискового активного элемента диаметром d и толщиной h, для которого характерно значение отношения d/h>>1 и его установка определенным образом внутри резонатора лазера. В этом случае угол сканирования может достигать величины ~50°, что на порядок больше по сравнению с лазером, имеющим цилиндрический активный элемент. Это означает, что система локации, построенная на базе сканирующего лазера с дисковым активным элементом, будет иметь соответственный угол поля зрения и, следовательно, обеспечит обзор значительно большего участка пространства по сравнению с прототипом.
Дисковый или пластинчатый активный элемент на теплообменнике установлен в лазере симметрично относительно линз. Отражающее покрытие на внутренней стороне активного элемента позволяет изменить траекторию распространения световых лазерных лучей и установить активный элемент на теплообменник. Теплообменник предназначен для эффективного охлаждения активного элемента в процессе работы лазера. Только наличие указанных отличительных признаков позволит решить поставленную задачу.
Схема сканирующего лазера представлена на чертеже. Сканирующий лазер содержит заднее зеркало резонатора 1, пространственный модулятор света (ПМС) 2, линзы 3 и 4, поляризатор 5, активный элемент 6, теплообменник 7, переднее зеркало резонатора 8.
Были проведены испытания макета лазера, собранного в соответствии со схемой, приведенной на чертеже. Оптические элементы лазера располагались в специальных оправах на установочном рельсе. Самосопряженный резонатор был образован двумя задним 1 и передним 8 плоскими зеркалами с расположенными между ними двумя одинаковыми плосковыпуклыми линзами 3, 4, установленными софокусно. Отражающие поверхности резонаторных зеркал были совмещены с фокальными плоскостями линз. Фокусное расстояние обеих линз равнялось f=70 мм. Коэффициенты отражения заднего и переднего резонаторных зеркал на длине волны лазерного излучения имели значение 99.9% и 85% соответственно. В данном примере выбран дисковый активный элемент: диаметр - ⌀4×1 мм, выполнен, например, из алюмоиттриевого граната, активированного ионами неодима, концентрация активатора ~1,0%. На одну сторону диска было нанесено просветляющее покрытие, а на другую - полностью отражающее для двух длин волн 1064 и 808 нм. Элемент был расположен симметрично между линзами и установлен на теплообменнике. Накачка элемента осуществлялась светом диодной линейки с длиной волны 808 нм. В качестве пространственного модулятора света применялся диск Нипкова: диаметром 200 мм, на поверхности которого по витку спирали располагались сквозные отверстия диаметром 1.5 мм общим количеством 20 штук. Диск вращался с помощью электродвигателя ДПМ-30-Н1. Скорость вращения составляла 50 оборотов/сек. Диск ПМС располагается в непосредственной близости к поверхности зеркала 1.
При вращении диска Нипкова происходит сканирование прямоугольного поля с вертикальным размером, равным расстоянию между центрами соседних отверстий, в нашем случае l=30 мм. Протяженность поля в горизонтальном направлении определяется произведением диаметра единичного отверстия на их количество и также равно 30 мм. Диск вращается при помощи электродвигателя, на оси которого он установлен.
В условиях достаточной накачки активного элемента светом диодной линейки и вращения диска ПМС лазер генерирует пучки излучения, направленные под меняющимся углом относительно оптической оси лазера. В каждый конкретный момент времени угол наклона определяется расстоянием от центра отверстия, которое в данный момент времени находится в пределах резонатора, до оси лазера. В рассматриваемом случае максимальный угол сканирования: α=arctg(l/2f)~12.5°. В результате пучок излучения, вышедший из лазера, осуществляет растровое сканирование участка пространства в телесном угле 2α~25° - угол поля зрения для системы локации, что в несколько раз больше, чем в случае прототипа, где применен цилиндрический активный элемент.
Предлагаемый сканирующий лазер позволяет обеспечивать увеличение угла поля зрения и размеров зоны обработки, что повышает быстродействие систем локации и производительность технологических установок при применении лазера. Применительно к задачам локации это означает возможность сбора большего количества информации без изменения пространственной ориентации системы и, как следствие, увеличение быстродействия системы в целом.