УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ НА МОДУЛЯТОРЕ ДОБРОТНОСТИ РЕЗОНАТОРА ЛАЗЕРА
APPARATUS FOR 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.
Известен модулятор из двух усеченных призм из стекла марки ТБФ-10. Между большими основаниями призм образован зазор толщиной 0,2λ, где λ - длина волны излучения. На усеченных гранях каждой призмы размещены пьезопреобразователи, состоящие из трех одинаковых пьезопластин, электрически изолированных друг от друга с помощью прокладок и имеющих собственные электрические выводы. Пьезопластины изготовлены из пьезокерамики типа ЦТСНВ-1 толщиной 0,5 мм. К тыльной стороне пьезопреобразователей прикреплены согласователи.
При падении модулируемого светового потока на зазор под углом, большим угла полного внутреннего отражения, и при отсутствии управляющего напряжения на пьезопреобразователях происходит отражение от зазора в направлении луча (модулятор закрыт). Приложение импульсного напряжения к пьезопреобразователям вызывает упругую деформацию оптических призм, приводящую к сближению их смежных поверхностей вплоть до полного исчезновения зазора. В этом состоянии модулятор открыт и падающее на него излучение беспрепятственно проходит в направлении луча (Патент Российской Федерации №2022433, МПК: H01S 3/10, 1994).
Управление напряжением на модуляторе добротности резонатора лазера основано на изменении величины сигнала управления модулятором добротности резонатора 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.
Известно устройство управления напряжением на модуляторе добротности резонатора лазера, используемое в устройстве модуляции добротности резонатора лазера, содержащее фотодиод, генератор импульсов, суммирующий усилитель, двухпороговый компаратор, усилитель импульсов, цифроаналоговый преобразователь, ламповый усилитель, стробирующую схему (Патент США №5204867, МПК H01S 3/00, 1993 г., прототип).
Сигнал отклонения напряжения на модуляторе соответствует разности между измеренной мощностью светового излучения в резонаторе и опорным импульсом, заранее заданным пользователем. Генератор импульсов, суммирующий усилитель и двухпороговый компаратор подключены к фотодетектору посредством электрического соединения. К выходу генератора импульсов подключен усилитель импульсов. Усилитель импульсов подсоединен к цифроаналоговому преобразователю. Выходной сигнал усилителя импульсов подается на положительный контакт суммирующего усилителя, а на отрицательный контакт суммирующего усилителя подается сигнал с фотодиода. Суммирующий усилитель передает сигнал на сеточный контакт лампового усилителя. На ламповый усилитель поступает также сигнал со стробирующей схемы. Ламповый усилитель передает сигнал в ячейку Поккельса. Двухпороговый компаратор подает сигнал на компьютер. Устройство компьютерного управления посылает управляющий цифровой сигнал на цифроаналоговый преобразователь. Компьютер также подает сигнал на стробирующую схему. На стробирующую схему поступает также импульс с усилителя импульсов. Выход стробирующей схемы идет на ламповый усилитель.
Недостатками этого прототипа являются неустойчивая обратная связь, вследствие наличия очень большого усиления сигнала, и малое быстродействие.
Техническим результатом изобретения является увеличение устойчивости управления излучением и увеличение быстродействия.
Технический результат достигается тем, что устройство управления напряжением на модуляторе добротности резонатора лазера, содержащее фотодиод, два усилителя сигнала, формирователь импульсов, подключенный к дискриминатору нижнего уровня, соединенному с усилителем сигнала, который соединен с фотодиодом, схему сравнения, источник опорного сигнала, при этом дискриминатор нижнего уровня также соединен с источником опорного импульса, а источник опорного импульса и усилитель сигнала с фотодиода соединены со схемой сравнения, подключенной ко второму усилителю, вход запуска, токоограничивающий резистор; вход запуска подключен к формирователю импульсов, введен источник разрядного тока, управляемый источник тока, разделительный конденсатор, а усилитель подключен к управляемому источнику тока, соединенному с разделительным конденсатором, подключенному также и к источнику разрядного тока, причем источник разрядного тока соединен с формирователем импульса, а разделительный конденсатор подключен к выходу устройства, усилитель сигнала с фотодиода подключен к разделительному конденсатору, а токоограничивающий резистор подключен к управляемому источнику тока.
Управление напряжением на модуляторе производится по двум механизмам: сигналом, пропорциональным сигналу с фотодиода, отслеживающего мощность излучения в резонаторе, поддерживает коэффициент усиления равным единице. Управляющие напряжением на конденсаторе источники тока поддерживают мощность излучения на заданном уровне.
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.
На чертеже представлена блок-схема устройства управления напряжением на модуляторе добротности резонатора лазера, где: 1 - вход запуска; 2 - фотодиод; 3 - схема стабилизации мощности излучения; 4 - усилитель сигнала отрицательной обратной связи; 5 - формирователь импульсов; 6 - источник разрядного тока; 7 - дискриминатор нижнего уровня; 8 - разделительный конденсатор; 9 - токоограничивающий резистор; 10 - источник опорного сигнала; 11 - схема сравнения;
12 - усилитель разностного сигнала схемы стабилизации мощности излучения; 13 - управляемый источник тока; 14 - выход.
В ней можно выделить два основных функциональных узла:
- усилитель сигнала отрицательной обратной связи (УСООС) 4, усиливающий сигнал с фотодиода (ФД) 2;
- схема стабилизации мощности излучения (ССМИ) 3, состоящая из источника опорного сигнала 10, схемы сравнения 11, усилителя сигнала ССМИ 12 и управляемого источника тока 13.
Кроме того, в структурную схему устройства управления напряжением на модуляторе добротности резонатора лазера входят: разделительный конденсатор 8, токоограничивающий резистор 9, источник разрядного тока 6, дискриминатор нижнего уровня (ДНУ) 7 и формирователь импульсов 5.
Устройство работает следующим образом.
З
В исходном состоянии ССМИ 3 выключен и разделительный конденсатор 8 заряжен. Потенциал U обкладок разделительного конденсатора 8 такой, что модулятор (не показан на рисунке) вносит большие потери в оптический резонатор лазера, препятствуя развитию генерации излучения. УСООС 4 работает в режиме ожидания.
По фронту синхроимпульса, поступившего на вход запуска 1, срабатывает формирователь импульсов. Импульс от формирователя импульсов 5 включает источник разрядного тока 6 и разделительный конденсатор 8 начинает линейно разряжаться, потери в резонаторе лазера уменьшаются и при некотором пороговом напряжении Uпор начинается генерация излучения. Возникновение генерации излучения приводит к появлению на выходе 14 устройства сигнала, пропорционального мощности излучения, падающего на фотодиод 2, т.е. начинает работать отрицательная обратная связь, поддерживающая мощность излучения на относительно стабильном уровне.
Когда аналоговый сигнал на выходе УСООС 4 достигает заданного порога, ДНУ 7 прерывает импульс от формирователя импульса 5, разряд разделительного конденсатора 8 прекращается, и ССМИ 3 переключается в режим стабилизации мощности излучения. ДНУ 7 включает источник опорного сигнала 10. 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 11, которая подает разностный сигнал на усилитель сигнала ССМИ 12. Усилитель управляет источником тока 13. Дальнейшее управление напряжением на разделительном конденсаторе 8 источником тока 13 ССМИ 3 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 4 ниже определенного порога ССМИ 3 полностью выключается и разделительный конденсатор 8 начинает заряжаться до напряжения минус 260 В (постоянная времени заряда RC≈4 мс). Возможно задать форму импульса, которую поддерживает ССМИ 3, через компьютер.