СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ НА МОДУЛЯТОРЕ ДОБРОТНОСТИ РЕЗОНАТОРА ЛАЗЕРА
METHOD OF CONTROLLING VOLTAGE ACROSS Q-SWITCH OF LASER RESONATOR

Изобретение относится к импульсным твердотельным лазерам с электрооптической модуляцией добротности резонатора и может быть использовано для стабилизации энергии моноимпульсов лазерного излучения и получения импульсов излучения длительностью в десятки микросекунд. Управление напряжением на модуляторе добротности резонатора лазера основано на управлении модулятором добротности резонатора сигналом, величина которого меняется в зависимости от измеренной мощности лазерного излучения в резонаторе. При приложении напряжения к электрооптическим кристаллам, интенсивность поляризованного света меняется пропорционально величине приложенного напряжения. Сигнал, подающийся на модулятор, состоит из медленно меняющегося опорного сигнала и сигнала, пропорционального мощности излучения в резонаторе в данный момент. Используя динамически меняющийся импульс на модуляторе, можно получать желаемую форму выходного импульса лазера.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототип) является способ управления напряжением на модуляторе добротности резонатора лазера, использующийся в устройстве модуляции добротности резонатора лазера «Патент США №5204867, МПК H01S 3/00, 1993 г.», где сигнал отклонения напряжения на модуляторе соответствует разности между измеренной мощностью светового излучения в резонаторе и опорным импульсом, заранее заданным пользователем. Выходной импульс лазера операционным усилителем сравнивают с опорным входным сигналом и изменяют выходное напряжение в соответствии с его функцией усиления. Выходным напряжением операционного усилителя изменяют сеточное напряжение в высокоскоростной вакуумной лампе, которым, в свою очередь, регулирует протекающий по лампе электрический ток. Этот электрический ток вызывает колебания напряжения на аноде лампы, которые, в свою очередь, вызывают модуляцию напряжения ячейки Поккельса.
Сигнал с фотодетектора подают на генератор импульсов, суммирующий усилитель и двухпороговый компаратор. Сигналом с генератора импульсов запускают подсоединенный к цифроаналоговому преобразователю усилитель импульсов, выходной сигнал усилителя импульсов подают на положительный контакт суммирующего усилителя, а на отрицательный контакт суммирующего усилителя подают сигнал с фотодиода. Сигнал с суммирующего усилителя передают на сеточный контакт лампового усилителя, куда также подают сигнал со стробирующей схемы. С лампового усилителя сигнал направляют в ячейку Поккельса. Сигнал с двухпорогового компаратора посылают на компьютер. С устройства компьютерного управления управляющий цифровой сигнал направляют на цифроаналоговый преобразователь. Сигнал с компьютера также подают на стробирующую схему. На стробирующую схему посылают еще импульс с усилителя импульсов. Выход стробирующей схемы направляют на ламповый усилитель.
Недостатками этого прототипа являются неустойчивая обратная связь, вследствие использования очень большого усиления сигнала, и малое быстродействие.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является увеличение устойчивости управления излучением и увеличение быстродействия.
Технический результат достигается тем, что сигнал с фотодиода подают на дискриминатор нижнего уровня, которым запускают источник опорного сигнала, опорный сигнал сравнивают с усиленным сигналом с фотодиода, а затем усиливают получившийся разностный сигнал, разностным сигналом схемы сравнения управляют источником тока, импульс которого складывают с усиленным сигналом фотодиода разделительным конденсатором, вначале по сигналу запуска с формирователя импульса подают сигнал на источник разрядного тока, разряжая разделительный конденсатор, при срабатывании дискриминатора нижнего уровня разряд конденсатора прекращают.
Управление напряжением на модуляторе производится по двум механизмам:
- сигнал, пропорциональный сигналу с фотодиода, отслеживающего мощность излучения в резонаторе, поддерживает коэффициент усиления равным единице;
- управляющий напряжением на конденсаторе источник тока поддерживает мощность излучения на заданном уровне.
Сигнал управления модулятором, пропорциональный мощности излучения в резонаторе, не подвергают большому усилению, что позволяет снизить неустойчивость сигнала обратной связи и значительно снизить риск срыва генерации излучения в резонаторе. Такой способ позволяет также значительно увеличить быстродействие управления сигналом обратной связи, недоступное в известном устройстве вследствие необходимости ставить резистор большой величины на выходе лампового усилителя. Быстродействие, достигаемое применением заявленного способа, составляет единицы наносекунд.
На фиг.1 приведена блок-схема одного из возможных вариантов лазера с модуляцией добротности, на фиг.2 показана блок-схема устройства управления напряжением на модуляторе добротности резонатора лазера,
где: 1 - зеркало резонатора (100%); 2 - двухламповый квантрон; 3 - селектирующая диафрагма; 4 - светофильтр ИКС-14; 5 - устройство управления напряжением на модуляторе добротности резонатора лазера; 6 - модулятор добротности резонатора лазера; 7 - зеркало резонатора (50%); 8 - выходной импульс лазера; 9 - вход запуска; 10 - фотодиод; 11 - схема стабилизации мощности излучения; 12 - усилитель сигнала отрицательной обратной связи; 13 - формирователь импульсов; 14 - источник разрядного тока; 15 - дискриминатор нижнего уровня; 16 - разделительный конденсатор; 17 - токоограничивающий резистор; 18 - источник опорного сигнала; 19 - схема сравнения; 20 - усилитель разностного сигнала схемы стабилизации мощности излучения; 21 - управляемый источник тока; 22 - выход.
Квантрон 2 лазера содержит активный элемент (рубин), две лампы накачки и отражатель с диффузным покрытием. Светофильтр из стекла типа КС-14 (для рубинового лазера) 4 обладает двухфотонным поглощением на рабочей длине волны лазера, что приводит к малоинерционной отрицательной обратной связи в процессе генерации. Малая часть излучения, отраженная от светофильтра 4, попадает на фотодиод 10 (фиг.2) устройства управления 5 напряжением на модуляторе добротности 6 резонатора лазера. Края активного элемента - кристалла рубина - срезаны под углом Брюстера, в результате излучение в резонаторе становится поляризованным. Модулятор выполнен на двух кристаллах из DKDP. Модулятор собран по схеме температурной компенсации естественного двулучепреломления, т.е. использована система из двух идентичных кристаллов, повернутых друг относительно друга на 90°. Меняя напряжение на модуляторах, можно изменять поляризацию проходящего через них излучения. При наличии в резонаторе элементов, расположенных под углом Брюстера, изменение поляризации излучения эквивалентно изменению добротности резонатора.
В блок-схеме устройства управления напряжением на модуляторе добротности резонатора лазера (фиг.2) можно выделить два основных функциональных узла:
- усилитель сигнала отрицательной обратной связи (УСООС) 12, усиливающий сигнал с фотодиода (ФД) 10;
- схема стабилизации мощности излучения (ССМИ) 11, состоящая из источника опорного сигнала 18, схемы сравнения 19, усилителя сигнала ССМИ 20 и управляемого источника тока 21.
Кроме того, в структурную схему устройства управления 5 напряжением на модуляторе добротности резонатора лазера входят: разделительный конденсатор 16, токоограничивающий резистор 17, источник разрядного тока 14, дискриминатор нижнего уровня (ДНУ) 15 и формирователь импульсов 13.
З
В исходном состоянии ССМИ 11 выключен и разделительный конденсатор 16 заряжен. Потенциал U обкладок разделительного конденсатора 16 такой, что модулятор 6 вносит большие потери в оптический резонатор лазера, препятствуя развитию генерации излучения. УСООС 12 работает в режиме ожидания.
По фронту синхроимпульса, поступившего на вход запуска 9, срабатывает формирователь импульсов. Импульс от формирователя импульсов 13 включает источник разрядного тока 14, и разделительный конденсатор 16 начинает линейно разряжаться, потери в резонаторе лазера уменьшаются и при некотором пороговом напряжении Uпоp начинается генерация излучения. Возникновение генерации излучения приводит к появлению на выходе 22 устройства сигнала, пропорционального мощности излучения, падающего на фотодиод 10, т.е. начинает работать отрицательная обратная связь, поддерживающая мощность излучения на относительно стабильном уровне.
Когда аналоговый сигнал на выходе УСООС 12 достигает заданного порога, ДНУ 15 прерывает импульс от формирователя импульса 13, разряд разделительного конденсатора 16 прекращается, и ССМИ 11 переключается в режим стабилизации мощности излучения. ДНУ 15 включает источник опорного сигнала 18. Опорный сигнал возможно задать через компьютер, но опорный сигнал простого вида может задаваться и аппаратными средствами. Опорный сигнал вместе с сигналом обратной связи поступают на схему сравнения 19, которая подает разностный сигнал на усилитель сигнала ССМИ 20. Усилитель управляет источником тока 21. Дальнейшее управление напряжением на разделительном конденсаторе 16 источником тока 21 ССМИ 11 компенсирует отклонения мощности излучения. Отклонение мощности излучения в резонаторе может происходить по разным причинам, таким как снижение степени накачки активной среды, изменение температуры в помещении и пр. При снижении величины сигнала на выходе УСООС 12 ниже определенного порога ССМИ 11 полностью выключается и разделительный конденсатор 16 начинает заряжаться до напряжения минус 260 В (постоянная времени заряда RC≈4 мс). Возможно задать форму импульса, которую поддерживает ССМИ 11, через компьютер.