ИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР С МОДУЛИРОВАННОЙ ДОБРОТНОСТЬЮ РЕЗОНАТОРА
PULSED LASER WITH MODULATED RESONATOR Q-FACTOR

Изобретение относится к технике лазеров, а именно к лазерам с модуляцией добротности лазерного резонатора изменением положения одного из его зеркал.
Известны лазеры для формирования гигантских лазерных импульсов [1] путем включения добротности лазерного резонатора с помощью модуляторов добротности (затворов). Все они имеют те или иные недостатки - большую себестоимость, высокие управляющие напряжения, недостаточную надежность и эксплуатационную стойкость.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является импульсный лазер с модулированной добротностью, включающий корпус, активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно относительно корпуса, а второе имеет возможность вращения таким образом, чтобы в рабочем положении зеркала были параллельны [2]. В этом положении зеркал обеспечивается высокая добротность резонатора, достаточная для развития лазерной генерации. Скорость вращения зеркала в момент высокой добротности резонатора должна быть достаточной для возникновения лавинообразной генерации гигантского импульса. Оптимальная скорость вращения зеркала для разных типов лазеров составляет 10-20 тыс. об/мин. В качестве вращающегося зеркала обычно используют призму полного внутреннего отражения, обладающую высокими отражательными характеристиками и не критичную к наклонам оси вращения. В известном устройстве [2] приводом призмы является высокооборотный электродвигатель. Недостатки этого решения - относительно высокие габариты и недостаточная надежность существующих двигателей, а также создаваемые ими электрические и магнитные помехи. Последнее особенно недопустимо при наличии в составе системы, включающей лазер, чувствительных к таким помехам устройств, например электронного компаса.
Задачей изобретения является повышение надежности и быстродействия и снижение электрических и магнитных помех и наводок при минимальных габаритах и минимальной себестоимости лазера.
Эта задача решается за счет того, что в известном импульсном лазере с модулированной добротностью, включающем корпус, активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно относительно корпуса, а второе имеет возможность вращения таким образом, чтобы в рабочем положении зеркала были параллельны, введены упругий элемент и две растяжки, первая из которых натянута между вторым зеркалом и корпусом, противодействуя упругому элементу, установленному между вторым зеркалом и корпусом, а вторая растяжка натянута между средней частью первой растяжки и корпусом так, чтобы в начальном положении второго зеркала выполнялось условие:
где φ - угол между начальным и рабочим положениями второго зеркала,
0
W - заданная угловая скорость второго зеркала в его рабочем положении,
J - суммарный момент инерции вращения второго зеркала и упругого элемента,
М - вращающий момент, создаваемый на втором зеркале упругим элементом, вторая растяжка выполнена из токопроводящего материала, а также введены последовательно соединенные ключ и источник электропитания, подключенные к концам второй растяжки, причем длина первой растяжки и второй растяжки при замкнутом ключе достаточна для свободного вращения второго зеркала в его рабочем положении.
Упругий элемент может быть совмещен с первой растяжкой.
На  фиг. 1 представлена схема лазера. Фиг. 2 поясняет принцип действия устройства. На фиг. 3 показано совмещение упругого элемента и первой растяжки.
Устройство (фиг. 1) состоит из резонатора, образованного неподвижным 1 и вращающимся 2 зеркалами, между которыми размещен активный элемент лазера 3. Вращающееся зеркало 2 в исходном положении зафиксировано относительно корпуса 4 упругим элементом и двумя растяжками, первая из которых провешена между вторым зеркалом и корпусом, а вторая натянута между серединой первой растяжки и корпусом так, чтобы совместно с первой растяжкой и упругим элементом удерживать зеркало 2 в исходном положении (фиг. 2). Упругий элемент и первая растяжка могут быть размещены по разные стороны от оси вращения зеркала 2 или по одну сторону (фиг. 1). При этом упругий элемент (пружина) 5 должен быть предварительно растянут в исходном положении или сжат в зависимости от его расположения относительно первой нити и оси вращения зеркала 2. Первая растяжка может быть выполнена упругой, например в виде пружины растяжения. Тогда она может выполнять функцию упругого элемента (фиг. 3).
Лазер работает следующим образом.
В исходном состоянии вращающееся зеркало 2 зафиксировано растяжкой 6, оттянутой второй растяжкой 7 таким образом, чтобы зеркало 2 было расположено под углом φ к своему рабочему положению. При этом на зеркало 2 действует сила упругого элемента F (фиг. 2). Добротность резонатора, образуемого этими зеркалами, недостаточна для возникновения лазерной генерации. При замыкании ключа 9 через токопроводящую растяжку 7 от источника электропитания 8 начинает протекать ток, вызывающий ее нагревание. Вследствие температурного расширения растяжки ее незакрепленный конец освобождает первую растяжку 6, которая выпрямляется под действием упругого элемента 5, вызывающего вращение зеркала 2 под действием силы F, создающей момент вращения М=Fr, где r - радиус приложения силы. Когда приводимое таким образом во вращение зеркало становится параллельным неподвижному зеркалу, добротность резонатора возрастает до уровня, достаточного для возникновения генерации гигантского лазерного импульса. Скорость возрастания добротности резонатора должна быть соизмерима со скоростью развития генерации, известной для каждого типа лазеров. Это налагает соответствующие требования к скорости W вращения зеркала 2, которая в положении высокой добротности должна быть порядка 500-2000 рад/сек.
Объем токопроводящей растяжки (нити) 7 должен быть минимальным для ее быстрого разогрева и снижения энергозатрат. С этой целью она должна иметь минимальное поперечное сечение и минимальную длину, необходимую для поворота зеркала 2 на угол φ при температурном расширении нити.
Если вращающееся зеркало выполнено в виде призмы полного внутреннего отражения с равными сторонами ее гипотенузной грани, то справедливы следующие расчетные соотношения [3].
x
2
Момент инерции вращения призмы J=J~ma/10,
где а - сторона гипотенузной грани призмы;
3
m=ρ·а/4 - масса призмы;
ρ - плотность материала призмы.
Угловое ускорение Е призмы под действием вращающего момента М=Fr,
где E=M/J,
где F - сила упругого элемента;
r - плечо приложения силы F (фиг. 2, 3).
Линейное ускорение точки приложения силы А=Er.
Угловая скорость W=Еτ призмы через время τ после начала воздействия силы F.
2
Линейное перемещение S=Аτ/2 точки приложения силы F.
Угловое перемещение φ=arctg(S/r) точки приложения силы F.
Температурное приращение длины L токопроводящей нити S=αLΔT,
где α - коэффициент линейного расширения;
ΔT - перепад температуры.
T
T
Энергия Е=βmΔТ, необходимая для нагрева токопроводящей нити,
где β - теплоемкость;
T
T
T
m=ρV - масса нити;
T
ρ - плотность материала нити;
T
V - объем нити.
Пример
3
-3
ρ=2550 кг/м; а=2·10 м.
3
-9
-6
m=ρа/4=2550·8·10/4~5·10 кг.
x
2
-6
-6
-12
2
J~ma/10=5·10·4·10/10~2·10 кгм.
-3
Пусть F=0,02 Н; r=2·10 м.
-5
Тогда М=4·10 Нм.
-5
-12
7
2
Е=4·10/2·10=2·10 рад/с.
7
-3
4
2
Линейное ускорение точки приложения силы А=Er=2·10·2·10=4·10 м/с.
-4
При τ=10 с.
7
-4
3
W=Еτ=2·10·10=2·10 рад/с.
Эквивалентная частота вращения w=W/6,28~320 об/с~20000 об/мин.
4
2
-4
А=4·10 м/с; τ=10 с.
4
-8
-4
S=4·10·10/2=2·10 м=0,2 мм.
Соотношение между перемещением S и температурным удлинением ΔL второй тяги определяется по теореме Пифагора (фиг. 2).
2
2
2
h=(L/2)-(L′/2),
где h - величина провисания первой тяги в ее исходном положении; L - длина первой тяги; L′ - расстояние между точками крепления первой тяги.
Отсюда:
Производная этой величины:
При малых приращениях Δh параметра h (фиг. 2) справедливо соотношение:
Варьируя соотношение h/L, можно управлять отношением Δh/S в зависимости от ограничений по температуре второй растяжки и силе F, необходимой для раскручивания второго зеркала с заданной угловой скоростью за требуемое время выхода на режим:
<mrow><mi>h</mi><mo>=</mo><mi>L</mi><mo>/</mo><msqrt><mrow><mn>12</mn></mrow></msqrt></mrow>
Δh=S при
.
Пример
При r=2 мм и Δh=S;
φ=arctg(S/r)=arctg(0,2/2)~5,7°.
-6
α=18·10 1/град (нить из нихрома); L=20 мм; S=Δh=0,2 мм.
-6
ΔT=S/αL=0,2/(18·10·20)=10000/18~555°.
T
-4
3
Габариты токопроводящей нити 0,01×0,01×2 см. Объем V=2·10 см.
T
T
T
-7
-7
Масса нити из нихрома m=Vρ=2·10·7,94~16·10 кг.
T
3
У нихрома ρ=7,94 г/см; β=0,48 Дж/кгК при 25°С; 0,76 Дж/кгК при 800°С. В среднем для температуры 25+250=275°С теплоемкость β=0,57 Дж/кгК.
T
T
-7
Е=βmΔТ=0,57·16·10·555=0,5 мДж.
Характеристики источника питания
Потребляемая токопроводящей нитью мощность:
Т
Т
Р=Е/τ.
Для рассматриваемого примера:
T
T
Р=Е/τ=0,5 мДж/0,1 мс=5 Вт.
T
Мощность, выделяемая в проводнике сопротивлением R:
T
R
T
T
-6
-2
-6
Сопротивление R=ρL/S~10·2·10/(0,1·0,1)·10=2 Ом,
R
где ρ~1 мкОм·м - удельное сопротивление нихрома,
T
L=0,02 м - длина токопроводящей нити;
T
S - поперечное сечение нити.
Потребляемый ток:
Т
T
T
0,5
0,5
I=(Р/R)=(5/2)=1,6 А.
Напряжение источника:
T
T
T
U=P/I=5/1,6~3,1 В.
ср
T
изл
Средняя потребляемая мощность Р=E·f,
изл
где f - частота излучений лазера.
изл
-1
При f=1 с средняя потребляемая мощность составляет 5 мВт.
Согласно приведенным результатам предлагаемый лазер с модулированной добротностью обладает минимальными габаритами механических составных частей и минимальной потребляемой мощностью. Простота и низкое энергопотребление устройства обеспечивают его высокую надежность. По этим параметрам, а также по быстродействию предлагаемый лазер превосходит ближайший и другие известные аналоги. Низкое напряжение питания и отсутствие трущихся контактов и магнитных элементов обеспечивают минимальный уровень паразитных электрических воздействий на другие элементы лазера и комплексной системы с ним.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает решение поставленной задачи, а именно повышение надежности и быстродействия и снижение электрических и магнитных помех и наводок при минимальных габаритах и минимальной себестоимости лазера.
Источники информации
1. В.А. Волохатюк и др. Вопросы оптической локации. Под ред. P.P. Красовского.  М., Советское радио, 1971 г., с. 196.
2. Справочник по лазерной технике. Под ред. Ю.В. Байбородина, Л.З. Криксунова, О.Н. Литвиненко.  Киев, Техника,  1978 г., с. 152-154. - Прототип.
3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 1. Механика. 3-е изд. М.: Наука, 1989, §53 (http://genphys.phys.msu.ru/ras/lab/mech/opis7/i2.htm).