ОДНОМОДОВЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЕЙ ДИОДНОЙ НАКАЧКИ И ПАССИВНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ДОБРОТНОСТИ И УСТРОЙСТВО ЕГО УПРАВЛЕНИЯ
SINGLE-MODE SOLID-STATE LASER WITH THERMAL STABILIZATION OF THE DIODE PUMP AND PASSIVE Q-SWITCH AND ITS CONTROL DEVICE

Группа изобретений относится к твердотельным лазерам с диодной накачкой и к устройствам управления параметрами лазерного излучения. Изобретения могут быть использованы при изготовлении лазерной техники, работающей в жестких условиях эксплуатации.
3+
4+
3+
4+
4
Известен малогабаритный автономный твердотельный лазер с ламповой накачкой и пассивной модуляцией добротности, содержащий излучатель с пассивным оптическим затвором («Малогабаритный автономный лазер на YAG:Nd, работающий в режиме генерации цуга импульсов с модуляцией добротности пассивным затвором на YAG:Cr», авторы: Н.М. Бузинов и др., «Квантовая электроника», 37, №4, 2007 г., с. 334-338). Каждый импульс в цуге имеет длительность 30-40 нс, длительность цуга - 100 мкс, энергия в цуге импульсов - не менее 100 мДж, длина волны лазерного излучения - 532 нм, расходимость (по уровню 0,5) - не более 1. Длительность отдельного импульса измерялась при помощи лавинного фотодиода. Лазер содержит активный элемент YAG:Nd (∅5×65 мм), лампу накачки, размещенные в эллиптическом отражателе с конвективным охлаждением, блок питания лампы накачки, пассивный затвор YAG:Cr (∅5×2 мм), выходное и глухое зеркала, а так же возвратное зеркало и нелинейные высокоомные монокристаллы KTiOPO (KTP), вырезанные под утлом температурно-некритичного синхронизма второго типа. Кристаллы в лазере используются в качестве преобразователей частоты.
Использование пары кристаллов КТР, развернутых относительно друг друга вокруг оптической оси резонатора на угол 45°, позволило избежать «прогаров» оптических элементов резонатора и отказаться от размещения внутри него дополнительных поляризаторов. В дополнение к этому температурно-некритичный синхронизм в нелинейных кристаллах обеспечил стабильную работу лазера в диапазоне температур эксплуатации лазера (от минус 10 до плюс 50°С) без применения термостабилизирующих устройств.
Оригинальные технические решения - оптическая схема с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники при синхронизме второго типа без поляризаторов, использование температурно-некритичного синхронизма в кристаллах КТР, пылевлагонепроницаемый корпус лазера и импульсный блок питания лампы накачки от батарей типа АА - позволили повысить надежность и стабильность работы лазера. Лазер обеспечивает большую суммарную энергию цуга импульсов при относительно невысокой пиковой мощности отдельного импульса, стабильную работу в широком диапазоне температур. Небольшие масса и габариты обеспечивают удобство эксплуатации лазера.
Однако применение лампы накачки минимизирует частоту повторения импульсов до 0,2 Гц, при этом временной ресурс работы лазера снижается до ресурса лампы-накачки - 104 импульсов.
3+
Наиболее близким аналогом одномодового лазера в группе изобретений, который принят за прототип, является малогабаритный твердотельный лазер с диодной накачкой и модуляцией добротности, содержащий излучатель с оптическим затвором и формирователь импульсов с малым энергопотреблением и энергией моноимпульса 20 мДж при частоте следования (в циклическом режиме) до 20 Гц с длиной волны излучения 1064 нм, предназначенный для работы в диапазоне внешних температур от минус 40 до плюс 50°С («Лазер на YAG:Nd с диодной накачкой, работающий в режиме модуляции добротности в широком интервале температур без термостабилизации диодов накачки», авторы: А.Е. Вайншенкер и др., «Квантовая электроника», 43, №2, 2013 г., с. 114-116). Длительность моноимпульса составила 5 - 7 нс, расходимость - 3 мрад.
3+
Излучатель лазера содержит активный элемент YAG:Nd (∅3×50 мм) с продольной накачкой матрицей лазерных диодов (МЛД) через глухое зеркало резонатора, посеребренный конический концентратор, поляризатор, глухое зеркало, электрооптический затвор. Элементы оптической схемы размещены в закрытом титановом корпусе. Электроника лазера состоит из формирователя импульсов (генератора импульсов тока (ГИТ) для питания МЛД) и блока управления затвором (БУЗ) излучателя. Охлаждение элементов лазера - безжидкостное.
Принцип действия ГИТ основан на частичном разряде емкостного накопителя энергии в виде батареи алюминиевых электролитических накопительных конденсаторов с малым эквивалентным последовательным сопротивлением через двухканальный высокочастотный импульсный регулятор тока. Принцип действия БУЗ основан на коммутации высокого напряжения в цепи лазерного затвора транзисторным ключом. Питание ГИТ и БУЗ осуществляется от источника нестабилизированного постоянного напряжения.
В более распространенных ГИТ с частичным разрядом накопителя через управляемый непрерывный регулятор тока почти весь объем ГИТ занят батареей конденсаторов. ГИТ с высокочастотным импульсным регулятором тока позволяет значительно повысить напряжение на накопителе (что увеличивает удельную энергоемкость конденсаторов) и одновременно уменьшить полную энергию накопителя. В результате удалось уменьшить суммарный объем конденсаторов, по крайней мере, в 2 - 2,5 раза по сравнению с ГИТ с непрерывным регулятором тока разряда. Это позволило уменьшить массогабаритные характеристики генератора импульсов тока, а применение полупроводниковой квазипродольной накачки позволило создать малогабаритный лазер без термостабилизации лазерных диодов накачки, работающего в широком диапазоне температур.
Однако применение алюминиевых электролитических накопительных конденсаторов не позволяет применять устройство при низкотемпературных рабочих режимах.
Известно изобретение под названием «Способ управления твердотельным лазером с пассивной модуляцией добротности», п. ЕА №015641, МПК H01S 3/091, 3/13, опубл. 2011 г., в котором описано устройство управления твердотельным лазером с пассивной модуляцией добротности, содержащее оптический блок, фотоприемное устройство, блок управления, элементы накачки.
Фотоприемное устройство устанавливается на расстоянии, достаточном для четкой регистрации выходных лазерных импульсов. Устройство управления содержит блок питания элементов накачки, к которому подключен блок управления.
При включении лазера, на элементы накачки (лазерные диодные модули) подается импульс тока длительностью, определенной для каждого типа лазера, с постепенным увеличением амплитуды тока. При определенном значении тока в некоторый момент времени фотоприемное устройство зарегистрирует появление одиночного импульса. С этого момента при фиксированной амплитуде тока управление осуществляют длительностью импульса тока накачки. В рассматриваемом случае режима генерации одиночных импульсов в лазере с пассивной модуляцией добротности при изменении внешних условий (температуры, давления) возможно, в общем случае, либо появление второго импульса генерации, следующего за первым, либо исчезновение импульса. Появление второго импульса исключают благодаря контролю при помощи фотоприемного устройства. При фиксации одиночного импульса генерации фотоприемным устройством происходит выключение импульса тока накачки. В случае отсутствия импульса генерации, накачка не прекращается вплоть до значения длительности, достаточной для появления импульса генерации (т.е. выхода лазера в необходимый режим работы), либо до достижения некоторой предельной величины длительности импульса тока, величина которой определяется параметрами блока накачки и лазерных диодных модулей. При достижении предельной длительности импульса тока, выше которой лазер работать не может, происходит сброс амплитуды тока до нуля (либо некоторого начального значения), и при фиксированной длительности ток снова плавно выводится на уже новое значение, после чего управление опять осуществляют длительностью импульса. Таким образом, при изменении внешних условий сохраняется заданный режим работы лазера без использования термостабилизации.
Также существует возможность достижения предельного рабочего значения тока, определяющегося параметрами блока накачки и лазерных диодных модулей. В случае достижения предельного рабочего значения тока и отсутствия генерации осуществляют переход на управление длительностью импульса тока. Длительность повышается либо до появления лазерного импульса, либо до предельного значения. При одновременном достижении предельных значений тока и длительности импульса тока происходит отключение устройства.
Вышеописанная последовательность операций аналогично применяется и при необходимости получения генерации групп импульсов. Управление частотой генерации лазерных импульсов (групп импульсов) осуществляют через управление частотой импульсов тока. Алгоритм работает также при изменении параметров излучения генерации твердотельного лазера вследствие температурных и механических изменений элементов твердотельного лазера (нагрев активного элемента и зеркал резонатора, загрязнение их отражающих поверхностей, незначительная разъюстировка).
Однако, данный способ допускает ситуацию, когда в результате воздействия внешних условий происходит отключение устройства, что не позволяет судить о его надежной работе в жестких условиях эксплуатации.
Известно изобретение, в котором описано устройство стабилизации параметров лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой, содержащее оптический блок, выход которого связан с входом фотодатчика, управляющий микроконтроллер, термоэлектрический модуль, соединенный с драйвером термоэлектрического модуля и два термодатчика, выходы которых соединены с управляющим микроконтроллером, соединенным с драйвером термоэлектрического модуля, термоэлектрический модуль связан с элементами накачки оптического блока (п. РФ №2367072, МПК H01S 3/02, опубл. 2009 г.). Устройство содержит также усилитель сигнала фотодатчика, вход которого соединен со вторым выходом фотодатчика, а выход - соединен с первым входом управляющего микроконтроллера. Первый выход фотодатчика термически связан с входом второго термодатчика. Вход первого термодатчика термически соединен с выходом активного элемента, который термически связан с выходом термоэлектрического модуля.
Данное устройство позволяет производить непрерывное измерение оптической мощности накачки и синхронное управление теплообменом активного элемента резонатора с окружающей средой. При этом, управление теплообменом осуществляют посредством введения ветви обратной связи между оптическим модулем накачки и активным элементом, за счет чего разница между поглощаемой активным элементом световой энергией (преобразованной в объеме активной среды в тепловую) и энергией, отводимой от активного элемента, поддерживается на заданном уровне вне зависимости от температуры окружающей среды. Таким образом, учет параметров накачки при компенсации термооптических искажений в активном элементе позволяет производить единовременную стабилизацию параметров лазерного излучения в широком температурном диапазоне.
Однако, данное устройство стабилизации параметров лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой работает только на снижение угловой расходимости, возникающей в результате изменения температуры окружающей среды при помощи управления температурой активного элемента и не стабилизирует температуру накачки, не позволяя устройству работать в широком диапазоне температур.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному устройству в группе изобретений является устройство управления твердотельным лазером с термостабилизацией диодной накачки и электрооптической модуляцией добротности, которое содержит термоэлектрический модуль с драйвером, нагреватель с драйвером, термодатчики и управляющий микроконтроллер, соединенный с драйверами и формирователем импульсов тока, выход которого соединен с входом элементов накачки, термически связанными с нагревателем и входом одного термодатчика, выходы термодатчиков соединены с управляющим микроконтроллером, элементы накачки оптически связаны с активным элементом (п. РФ №2614084, МПК H01S 3/042, опубл. 2017 г.).
Устройство также снабжено контурной тепловой трубой с драйвером и электрооптическим затвором с драйвером.
Данное устройство управления позволяет качественно контролировать процесс термостабилизации диодной накачки и производить диагностику состояния лазера на всех режимах его эксплуатации, контролировать температуру теплоотводящей поверхности и по результатам диагностики реагировать на изменения внешних условий. Это в свою очередь повысило устойчивость к внешним воздействующим факторам и обеспечило высокую энергию импульса. Лазер с таким устройством управления обладает высокими характеристиками лазерного излучения и стабильными выходными параметрами в жестких условиях эксплуатации.
Однако применение тепловых труб снижает устойчивость к воздействию механических факторов (ударные и вибрационные нагрузки). А в оптическом модуле накачки обеспечены термостабилизацией только элементы накачки (без активного элемента) путем связи с термоэлектрическими модулями через тепловую трубу, что в свою очередь увеличивает время выхода лазера в режим готовности.
Единой задачей, решаемой данными изобретениями, является сокращение времени выхода на рабочий температурный режим, обеспечение стабильности выходных параметров в жестких условиях эксплуатации (таких как изменение наиболее максимального диапазона температур посадочной поверхности, воздействие предельных температур окружающей среды, ударные и вибрационные нагрузки).
Единый технический результат, получаемый при использовании предлагаемой группы изобретений, заключается в повышении устойчивости к внешним воздействующим факторам.
Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - одномодовый лазер достигается тем, что одномодовый лазер с термостабилизацией диодной накачки и пассивной модуляцией добротности, который содержит излучатель с оптическим затвором и формирователь импульсов тока, дополнительно снабжен управляющим микроконтроллером, соединенным с формирователем импульсов тока, соединенным с оптическим модулем накачки излучателя, и последовательно соединенными светоделительными пластинами, оптический вход одной из которых связан с выходом оптического модуля накачки, а выход другой пластины связан с входом фотодатчика, излучатель снабжен термоэлектрическим модулем с драйвером, нагревателем с драйвером и термодатчиками, оптический модуль накачки снабжен диафрагмой, а оптический затвор выполнен пассивным.
Создание лазера указанным выше образом обеспечило снижение угловой расходимости лазерного излучения, тепловой нагрузки оптического модуля накачки, а также емкостную разгрузку формирователя импульсов тока.
Все это привело одновременно к повышению стабильности выходных параметров, устойчивости лазера к внешним воздействующим факторам (изменение наиболее максимального диапазона температур посадочной поверхности, воздействие предельных температур окружающей среды, ударные и вибрационные нагрузки), к снижению расходимости лазерного пучка, а также времени выхода лазера на рабочий температурный режим.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - устройству управления достигается тем, что устройство управления лазером, содержащее термоэлектрический модуль с драйвером, нагреватель с драйвером, термодатчики и управляющий микроконтроллер, соединенный с драйверами и формирователем импульсов тока, выход которого соединен с входом элементов накачки, термически связанными с нагревателем и входом одного термодатчика, выходы термодатчиков соединены с управляющим микроконтроллером, элементы накачки оптически связаны с активным элементом, согласно изобретению снабжено фотодатчиком, соединенным с управляющим микроконтроллером, вход фотодатчика через светоделительные пластины связан с выходом активного элемента, термоэлектрический модуль термически связан с элементами накачки.
Построение устройства управления лазером указанным выше образом обеспечило возможность более качественно контролировать процесс охлаждения и термостабилизации активного элемента и элементов накачки, контролировать состояние лазера, а также параметры выходного лазерного излучения во всех режимах эксплуатации
Это стало возможным благодаря применению фотодатчика в системе управления лазером, а также прямой взаимосвязи элементов накачки с термоэлектрическим модулем.
Заявленные изобретения взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел. Действительно, при создании одномодового лазера с термостабилизацией диодной накачки и пассивной модуляцией добротности с требуемыми характеристиками, было изобретено новое устройство - устройство его управления. Использование данного устройства позволяет эффективно управлять лазером и успешно решить поставленную задачу с получением требуемого технического результата - повышение устойчивости к внешним воздействующим факторам. Следовательно, заявленное изобретение удовлетворяет требованию «единства».
При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной группы изобретений. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулы, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, каждый из объектов заявленной группы изобретений соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».
На фиг. 1 представлена структурно-функциональная схема лазера.
На фиг. 2 - оптическая схема резонатора.
Одномодовый твердотельный лазер с диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности содержит излучатель 1 с оптическим модулем накачки 2, блок электроники 3, формирователь импульсов тока 4, светоделительные пластины 5, 6 и фотодатчик 7 (фиг. 1). Оптический модуль накачки 2 содержит элементы накачки 8, оптически связанные с активным элементом 9. Излучатель также содержит термоэлектрический модуль 10, нагреватель 11, первый 12 и второй 13 термодатчики. Первый термодатчик 12, а также термоэлектрический модуль 10 и нагреватель 11 термически связаны с элементами накачки 8.
В несущей части резонатора 14 излучателя 1 располагается активный элемент 9, глухое зеркало 15, диафрагмы 16, пассивный затвор 17 и выходное зеркало 18 (фиг. 2). Блок электроники 3 содержит управляющий микроконтроллер 19 и драйверы 20, 21 термоэлектрического модуля и нагревателя. Светоделительные пластины 5, 6 соединены между собой последовательно, при этом оптический вход пластины 5 связан с выходом оптического модуля накачки 2, а выход пластины 6 связан с входом фотодатчика 7. Первая светоделительная пластина 5 обеспечивает обратную связь с элементами накачки 8. Вторая светоделительная пластина 6 предназначена для синхронизации запуска системы управления внешнего устройства 22. Обе светоделительные пластины размещены под углом к оси активного элемента 9 таким образом, чтобы избежать обратного отражения от светоделительной пластины 5 и обеспечить попадание части отражаемого излучения от светоделительной пластины 6 во вход фотодатчика 7. Управляющий микроконтроллер 19 соединен с формирователем импульсов тока 4, который соединен с оптическим модулем накачки 2.
Устройство управления лазером содержит: оптический модуль накачки 2, управляющий микроконтроллер 19, формирователь импульсов тока 4, первый и второй термодатчики 12, 13, термоэлектрический модуль 10 с драйвером 20, нагреватель 11 с драйвером 21, фотодатчик 7.
Управляющий микроконтроллер 19 соединен с драйверами 20, 21 и формирователем импульсов тока 4, выход которого соединен с входом элементов накачки 8. Выход фотодатчика 7 соединен с управляющим микроконтроллером 19, а вход фотодатчика через светоделительные пластины 5, 6 связан с выходом активного элемента 9. Термоэлектрический модуль 10 термически связан с элементами накачки 8, которые в свою очередь термически связаны с нагревателем 11 и входом первого термодатчика 12. Выходы термодатчиков 12, 13 соединены с управляющим микроконтроллером 19, элементы накачки 8 оптически связаны с активным элементом 9.
2
Одномодовый твердотельный лазер с термостабилизацией диодной накачки и пассивной модуляцией добротности и устройство его управления работают следующим образом. Синхроимпульс от системы управления внешнего устройства 22 поступает на управляющий микроконтроллер 19, который подает сигнал формирователю импульсов тока 4, который в свою очередь формирует импульс управления до тех пор, пока не придет сигнал с фотодатчика 7 на управляющий микроконтроллер. Формирование импульса тока завершается, и сформированный импульс тока подается на элементы накачки 8 (фиг. 1, 2), которые начинают генерировать излучение накачки, при этом часть излучения поглощается активным элементом 9, размещенным в несущей части резонатора 14, часть поглощенной энергии накачки идет на тепловые потери. Таким образом, возбуждается активная среда, заполняющая корпус несущей части резонатора 14, и возникает генерация излучения между глухим 15 и выходным 18 зеркалами, при этом пассивный затвор 17 обеспечивает модуляцию добротности, а диафрагмы 16 формируют выходное излучение пучком с заданным параметром М. Выходное излучение проходит через светоделительные пластины 5 и 6, при этом часть излучения от пластины 6 отбрасывается на фотодатчик 7.
Управляющий микроконтроллер 19 получает информацию с первого термодатчика 12, термически связанного с элементами накачки 8, и второго термодатчика 13. Управляющий микроконтроллер 19 в зависимости от поступающих данных с фотодатчика 7 и двух термодатчиков 12, 13 формирует сигнал на нагреватель 11 и термоэлектрический модуль 10 через драйвера 20, 21 термоэлектрического модуля и нагревателя. Таким образом, осуществляется термостабилизация элементов накачки 8.
Управляющий микроконтроллер 19 получает информацию с первого 12 и второго 13 термодатчиков и фотодатчика 7, обрабатывает ее и формирует телеметрическую информацию для системы управления внешнего устройства 22. Под внешним устройством понимается оптико-электронная аппаратура, в которой лазер применяется в качестве лазерного передатчика. Управляющий микроконтроллер 19 выдает внешнему устройству 22 информацию о готовности лазера к работе, о рабочем режиме и параметрах выходного излучения.
Таким образом, устройство управления лазера управляет термостабилизацией элементов накачки 8 для сокращения времени выхода лазера на рабочий режим при воздействии внешних факторов, таких как воздействие предельных температур окружающей среды, изменение температуры посадочной поверхности.
Для обеспечения заданных режимов работы лазера и минимального времени выхода лазера на рабочий режим при эксплуатации в условиях воздействия внешних климатических факторов возникает необходимость термостабилизации элементов накачки 8, при этом обеспечение выхода на температурный рабочий режим элементов накачки происходит следующим образом. Нагреватель 11 и термоэлектрический модуль 10 повышают температуру элементов накачки 8 от исходной до рабочей температуры. Термоэлектрический модуль 10 обеспечивает охлаждение элементов накачки 8 от исходной повышенной температуры, образованной внешними климатическими условиями эксплуатации, а также в процессе работы элементов накачки, до рабочей.
3+
4+
Примером практического применения устройства может служить созданный одномодовый лазер с термостабилизацией диодной накачки и пассивной модуляцией добротности с активным элементом в виде стержня из алюмоиттриевого граната с неодимом YAG:Nd (∅2×45 мм). В качестве пассивного модулятора добротности был применен пассивный затвор YAG:Cr (∅10×3 мм), элементы накачки производства ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ.
00
2
Основные характеристики созданного одномодового лазера с термостабилизацией диодной накачки и пассивной модуляцией добротности: генерация излучения на длине волны 1,064 мкм, ТЕМ с М<2, частота следования импульсов ~5 Гц, длительность импульса ~10 нс, устойчивость к воздействию ударов и вибраций, а также к воздействию широкого диапазона температур посадочной поверхности (окружающей среды), минимальные массогабаритные характеристики.
Таким образом, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой группы изобретений следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в электронной и оптико-механической промышленности при изготовлении лазерных устройств;
- для заявляемой группы устройств в том виде, в котором она охарактеризована в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета конструкций.
Следовательно, заявляемая группа изобретений соответствует условию «промышленная применимость».