Многоспектральный импульсный лазерный осветитель

Предлагаемая полезная модель относится к технике оптико-электронных приборов наблюдения, в частности к лазерным осветителям для них.
Известен принятый за аналог лазерный полупроводниковый осветитель (см. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999. 286 с., с. 139, рис. 61. Схема построения лазерного осветителя с использованием одного объектива формирования излучения для двух импульсных лазерных полупроводниковых излучателей.). Осветитель содержит первый блок накачки, подключенный к первому импульсному лазерному полупроводниковому излучателю (ИЛПИ), на который сфокусирован объектив формирования излучения (ОФИ), а также содержит второй блок накачки, подключенный ко второму ИЛПИ, оптически сопряженному с ОФИ через дихроичное плоское зеркало, установленное между ОФИ и первым ИЛПИ. Первый ИЛПИ излучает на длине волны 0,85 мкм, а второй ИЛПИ - на длине волны 0,9 мкм. Недостатком лазерного осветителя является сравнительно низкая мощность излучения, а также ограниченные функциональные возможности, связанные с неспособностью генерировать излучение также и на длинах волн 0,53 мкм и 1,55 мкм. Это исключает возможность применения осветителя под водой (длина волны 0,53 мкм) и в наземных условиях при сильно пониженной прозрачности атмосферы (туман, дождь, снегопад, пыльная буря и др.).
Известен принятый за прототип лазерный осветитель на основе твердотельного лазера с торцевой накачкой излучения лазерного полупроводникового излучателя (ЛПИ). (См. Абрамов Д.В., Герке М.Н. Системы лазерной полупроводниковой накачки. Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых. Владимирское издательство ВЛГУ, 2015. 100 с., с. 35, рис. 24. Классическая схема торцевой накачки с внутрирезонаторным преобразователем длины волны). Лазерный осветитель состоит из последовательно установленных на оптической оси ЛПИ с подключенным к нему блоком накачки через термостабилизатор микрообъектива, входного зеркала резонатора, активной среды, нелинейного удвоителя частоты, выходного зеркала резонатора, обращенной телескопической системы Галилея. В отличие от устройства-аналога, устройство-прототип имеет высокую выходную мощность излучения. Однако устройство может генерировать только на одной длине волны. Это ограничивает функциональные возможности осветителя.
Задачей предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства за счет генерации излучения на четырех длинах волн.
Указанная задача решается тем, что лазерный осветитель, представляющий собой оптико-электронный канал, содержащий последовательно установленные на оптической оси импульсный лазерный полупроводниковый излучатель, подключенный к первому выходу блока накачки через первый выключатель, оптику переноса, состоящую из первого и второго линзовых компонентов, входное зеркало резонатора, активную среду, нелинейный удвоитель частоты, выходное зеркало резонатора, модулятор добротности, подключенный к блоку управления модулятором добротности, вход которого подключен ко второму выходу блока накачки через третий выключатель, обращенную телескопическую систему Галилея, оптически сопряженную с выходным торцом нелинейного удвоителя частоты и состоящую из первого положительного и второго отрицательного линзовых элементов, причем первый линзовый компонент оптики переноса сфокусирован на импульсный лазерный полупроводниковый излучатель, а второй ее линзовый компонент - на входной торец активной среды, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй оптико-электронный канал, состоящий из последовательно установленных на оптической оси третьего лазерного полупроводникового излучателя, подключенного к третьему выходу блока накачки через четвертый выключатель, второй оптики переноса, второго входного зеркала резонатора, второй активной среды, второго нелинейного удвоителя частоты, второго выходного зеркала резонатора, второго модулятора добротности, вход которого подключен ко второму блоку управления модулятором добротности, вход которого через шестой выключатель подключен к четвертому выходу блока накачки, второй телескопической системы Галилея, оптически сопряженной с выходным торцом второго нелинейного удвоителя частоты и состоящей из первого положительного и второго отрицательного линзовых элементов, причем первый линзовый компонент второй оптики переноса сфокусирован на третий импульсный лазерный полупроводниковый излучатель, а второй ее линзовый компонент - на входной торец второй активной среды, первый оптико-электронный канал дополнительно содержит первый умножитель частоты, вход которого через второй выключатель подключен ко второму выходу блока накачки, а выход подключен ко второму импульсному лазерному полупроводниковому излучателю, на который сфокусирован первый промежуточный объектив, оптически сопряженный через дополнительно введенное первое дихроичное плоское зеркало, установленное между первым положительным и вторым отрицательным элементами первой телескопической системы Галилея, с первым линзовым положительным элементом, второй оптико-электронный канал дополнительно содержит второй умножитель частоты, вход которого через пятый выключатель подключен к четвертому выходу блока накачки, а выход подключен к четвертому импульсному лазерному полупроводниковому излучателю, на который сфокусирован второй промежуточный объектив, оптически сопряженный через дополнительно введенное второе дихроичное плоское зеркало, установленное между первым положительным и вторым отрицательным линзовыми элементами второй телескопической системы Галилея, с первым положительным линзовым элементом.
Данное устройство реализуется благодаря дополнительно введенному в первый оптико-электронный канал второго ИЛПИ и дополнительно введенному второму оптико-электронному каналу на основе второй активной среды и четвертого ИЛПИ.
3+
Блок-схема предлагаемой полезной модели представлена на чертеже фиг. 1. Лазерный осветитель состоит из первого 1 и второго 2 оптико-электронных каналов. Первый оптико-электронный канал 1 состоит из последовательно установленных на оптической оси первого импульсного лазерного полупроводникового излучателя (ИЛПИ) 3 первой оптики переноса 4, содержащей первый 5 и второй 6 линзовые компоненты, первого входного зеркала резонатора 7, первой активной среды (ИАГ:Но) 8, первого нелинейного удвоителя частоты 9, первого выходного зеркала резонатора 10, первого модулятора добротности 11, подключенного к первому блоку управления модулятором добротности 12, первой обращенной телескопической системы Галилея 13, состоящей из первого положительного линзового элемента 14 и второго отрицательного линзового элемента 15, между которыми установлено первое дихроичное плоское зеркало 16. Оно оптически сопрягает первый положительный линзовый элемент 14 через первый промежуточный объектив 17 со вторым ИЛПИ 18, ко входу которого подключен выход первого умножителя частоты 19, вход которого подключен через второй выключатель 39 ко второму выходу блока накачки 37. При этом первый линзовый компонент 5 сфокусирован на первый ИЛПИ 3, а второй линзовый компонент 6 - на входной торец активной среды 8, сопряженной с ним через первое входное зеркало резонатора 7. Второй оптико-электронный канал 2 состоит из последовательно установленных на оптической оси третьего ИЛПИ 20, второй оптики переноса 21, содержащей первый линзовый компонент 22 и второй линзовый компонент 23, второе входное зеркало резонатора 24, вторую активную среду 25 (ИАГ:Nd), второй нелинейный удвоитель частоты 26, второе выходное зеркало резонатора 27, второй модулятор добротности 28, подключенный к первому выходу второго блока управлением модулятором добротности 29, второй обращенной телескопической системы Галилея 30, между первым положительным линзовым элементом 31 и вторым отрицательным линзовым элементом 32 установлено второе дихроичное плоское зеркало 33. Оно оптически сопрягает первый линзовый элемент 31 через второй промежуточный объектив 34 с четвертым ИЛПИ 35, ко входу которого подключен выход второго умножителя частоты 36, вход которого подключен через пятый 42 к четвертому выходу блока накачки 37. При этом первый линзовый компонент 22 сфокусирован на третий ИЛПИ 20, а второй линзовый компонент 23 - на входной торец активной среды 25, сопряженный с ней через второе входное зеркало резонатора 24. В состав устройства входит также блок накачки 37. Его первый выход подключен через первый выключатель 38 к первому ИЛПИ 3, второй выход подключен через второй выключатель 39 к первому умножителю частоты 19, а через третий выключатель 40 - к первому блоку управления модулятором добротности 12, третий выход подключен через четвертый выключатель 41 к третьему ИЛПИ 20, четвертый выход подключен через пятый выключатель 42 ко второму умножителю частоты 36, а через шестой выключатель 43 - ко второму блоку управления модулятором добротности 29.
3+
В первом оптико-электронном канале 1 первый ИЛПИ 3 излучает на длине волны 1,0 мкм. Первая активная среда (ИАГ:Но) 8 излучает на длине волны 1,7 мкм. Первый нелинейный удвоитель частоты 9 преобразует излучение на длине волны 1,7 мкм в излучение на длине волны 0,85 мкм. Второй ИЛПИ 18 излучает на длине волны 1,55 мкм. Первое дихроичное плоское зеркало 16 пропускает излучение на длине волны 0,85 мкм и отражает излучение на длине волны 1,55 мкм. Во втором оптико-электронном канале 2 третий ИЛПИ 20 излучает на длине волны 0,82 мкм. Вторая активная среда 25 (ИАГ:Nd) излучает на длине волны 1,06 мкм. Второй нелинейный удвоитель частоты 26 преобразует излучение на длине волны 1,06 мкм в излучение на длине волны 0,53 мкм. Четвертый ИЛПИ 35 излучает на длине волны 0,9 мкм. Второе дихроичное плоское зеркало 33 пропускает излучение на длине волны 0,53 мкм и отражает излучение на длине волны 0,9 мкм.
Устройство работает следующим образом. При функционировании в наземных условиях и при нормальной прозрачности атмосферы включается блок накачки 37. С его четвертого выхода и через замкнутый пятый выключатель 42 подается импульсный ток накачки с частотой 50 Гц и длительностью импульса тока накачки 100 нс на второй умножитель частоты 36, который преобразует частоту 50 Гц в частоту 5 кГц. Ток накачки с этой частотой подается на четвертый ИЛПИ 35, который генерирует импульсы излучения на длине волны 0,9 мкм с длительностью импульса излучения 100 нс. Эти импульсы излучения направляются вторым промежуточным объективом 34 на второе дихроичное плоское зеркало 33, отражаются от него, коллимируются первым положительным линзовым элементом 31 и направляются на объект наблюдения, создавая на нем пятно подсвета.
Для работы в наземных условиях при пониженной прозрачности атмосферы выключатели 38, 40-43 выключены. Через замкнутый второй выключатель 39 включается второй ИЛПИ 18, на который подается ток накачки с выхода первого умножителя частоты 19. Второй ИЛПИ 18 генерирует импульсы излучения на длине волны 1,55 мкм. Первый промежуточный объектив 17 направляет их на первое дихроичное плоское зеркало 16, от которого они отражаются и передаются в первый положительный линзовый элемент 14. Он коллимирует импульсы излучения и направляет их на объект наблюдения, создавая на нем пятно подсвета.
6
3
При работе в наземных условиях при пониженной прозрачности атмосферы и при воздействии мощных световых помех замыкается первый выключатель 38 (выключатели 39, 41-43 выключены), включается первый ИЛПИ 3 и работает от тока накачки, подаваемого с первого выхода блока накачки 37. Первый ИЛПИ 3 генерирует излучение на длине волны 1,0 мкм. Оно через первую оптику переноса 4 (линзовые компоненты 5 и 6) передается через первое входное зеркало резонатора 7 на входной торец первой активной среды 8, которая генерирует излучение на длине волны 1,7 мкм. Оно подается на первый нелинейный удвоитель частоты 9, где длина волны 1,7 мкм преобразуется в длину волны 0,85 мкм. Далее излучение поступает через первое выходное зеркало резонатора 10 в первый модулятор добротности 11. При этом со второго выхода блока накачки 37 через замкнутый третий выключатель 40 (выключатели 39, 42 выключены) поступает импульсное излучение свободной генерации с частотой 50 Гц на вход первого блока управления модулятора добротности 12. Он генерирует импульсы напряжения, подаваемые на вход первого модулятора добротности 11. Он преобразует излучение в импульсы модулированной добротности с частотой 50 Гц и длительностью 20 нс. При этом скважность работы лазерного осветителя становится равной 10, в то время как при работе первого ИЛПИ 3 и второго ИЛПИ 18 она составляет всего лишь 2⋅10. Благодаря этому в такое же число крат ослабляется мощность световой помехи. Далее излучение с помощью первой телескопической системы Галилея 13 (ее первого положительного линзового элемента 14 и второго отрицательного линзового элемента 15) коллимируется и направляется на объект наблюдения, создавая на нем пятно подсвета.
При работе в подводных условиях на оптимальных для этих условиях длине волны 0,53 мкм с третьего выхода блока накачки 37 через замкнутый четвертый выключатель 41 (включатели 39, 40, 42, 43 выключены) подается импульсный ток накачки на третий ИЛПИ 20. Он генерирует импульсы излучения на длине волны 0,82 мкм. Оно чрез вторую оптику переноса 21 (ее линзовые компоненты 22 и 23) передается через второе входное зеркало резонатора 24 на входной торец второй активной среды 25, которая генерирует со своего выходного торца излучение на длине волны 1,06 мкм. Оно передается на второй нелинейный удвоитель частоты 26, где излучение на длине волны 1,06 мкм преобразуется в излучение на длине волны 0,53 мкм. Далее излучение проходит через второе выходное зеркало резонатора 27 во второй модулятор добротности 28. При этом с четвертого выхода блока накачки 37 подается импульсный сигнал с частотой 50 Гц на вход второго блока управления модулятора 29. Он генерирует импульсы напряжения, которые поступают на вход второго модулятора добротности 28. Он преобразует излучение в режиме свободной генерации в излучение импульсов модулированной добротности с частотой 50 Гц и длительностью 20 нс. Это гарантирует высокую скважность работы и соответственно высокую степень защиты от световых помех. Далее излучение с помощью второй телескопической системы Галилея 30 (ее первого положительного линзового элемента 31 и второго отрицательного линзового элемента 32) коллимируется и направляется на объект наблюдения, создавая на нем пятно подсвета.
В настоящее время разработана принципиальная схема устройства и выполнено его макетирование.
Таким образом, благодаря дополнительно введенному в первый оптико-электронный канал второго ИЛПИ и дополнительно введенному второму оптико-электронному каналу на основе второй активной среды и четвертого ИЛПИ решается задача расширения функциональных возможностей устройства за счет генерации излучения на четырех длинах волн.