ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЙ ЗАТВОР (МОДУЛЯТОР ДОБРОТНОСТИ) ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРОВ С ФУНКЦИЕЙ КОММУТАТОРА
MECHANICAL Q-SWITCH (QUALITY SWITCH) FOR PULSE LASERS WITH COMMUTATOR FUNCTION

Изобретение относится к лазерной технике. Применение в импульсных лазерах различных затворов (модуляторов добротности) для стимулирования излучения лазера, такие как электрооптические затворы, пассивные затворы, оптико-механические затворы и пр., не позволяют использовать единую оптику на излучение и прием отраженного излучения от объекта, а также быстро менять направление излучения лазера в пространстве без дополнительных конструкторских и оптических элементов. Сущность предложенного изобретения в конструкции оптико-механического затвора (модулятора добротности лазера) с функцией коммутатора, работающего с импульсным лазером, последовательно на два направления, с возможностью получения с каждого направления отраженного эхо сигнала излучения лазера от объекта, через ту же оптическую систему и с того же направления, что излучил лазер. Подобные устройства, по отдельным функциональным возможностям, опубликованы в патентах (оптико-механические модуляторы) RU №2134006, C1 от 25.10-2007 г.; RU №2087063, C1, от 25.10.2007 г., (оптические коммутаторы) RU №2029239, C1, от 20.02.1995 г., RU №2352957, C2 от 20.04.2009 г.
Описание изобретения
Оптико-механический затвор (модулятор добротности) с функцией коммутатора (ОМЗ-К) представляет единый скомпанованый блок (Фиг.1), в котором на вращающейся части (Фиг.1, п.10), закрепленной на роторе электродвигателя (Фиг.1, п.17, не показан), конструктивно закреплена сборная призма (Фиг.1, п.1, 2, 3) и обтюратор (Фиг.1, п.4). Сборная призма состоит из двух прямоугольных призм Ар90 (Фиг.1, п. 1, п.3), закрепленных гипотенузными гранями на наклонных гранях третей ромб-призмы (Фиг.1, п.2), с расчетным плоскопаралельным зазором между этими гранями. Ось вращения сборной призмы на вращающейся части ОМ3-К ориентирована на центр одной из двух наклонных граней ромб-призмы (Фиг.1, положение 1, сечение А-А). Обтюратор (Фиг.1, п.4), закрепленный на вращающейся части электродвигателя, имеет на кромке диска обтюратора два выреза (Фиг.1, п.а,b). Каждый вырез ориентирован относительно одного из двух положений сборной призмы (Фиг.1. положение 1, положение 2). На неподвижном корпусе ОМЗ-К (Фиг.1 п.9) установлены датчики углового положения (Фиг.1, п.7) ротора двигателя, которые взаимодействуют с датчиком (Фиг.1, п.8), закрепленным на вращающейся части конструкции (Фиг.1, п.10). На торцевых катетных гранях призм Ар90, закрепленных на ромб-призме, нанесены полупрозрачные покрытия заданных параметров (Фиг.1, п.18). На боковой неподвижной части корпуса ОМЗ-К закреплена конструкция, состоящая из призмы Ар90 (Фиг.1, п.5, сечение Б-Б),объективов (Фиг.1, п.11,п.13, п.15 сечение Б-Б),а также оптический фильтр (Фиг.1, п.14 сечение Б-Б)заданных параметров, устанавливаемый в параллельном ходе лучей между объективом (Фиг.п.13) и объективом (Фиг.1 п.15). Объектив (Фиг.1 п.11) и объектив (Фиг.1 п.13) смонтированы на одной оптической оси, их оптические лучи сходятся в фокусе полевой диафрагмы (Фиг.1 п.12) расчетного диаметра. В фокальной плоскости объектива (Фиг.1, п.15) установлен сенсор (Фиг.1, п.16) чувствительный к оптическому излучению активного элемента лазера (Фиг.1, п.20).
,
Плоскость обтюратора (Фиг.1 п.4), закрепленного на вращающейся части электродвигателя, пересекает общую фокусную плоскость объектива (Фиг.1, п.11 сечение Б-Б)и объектива (Фиг.1, п.13, сечение Б-Б)на заданным расстояние от полевой диафрагмы (Фиг.1 п.12).
Аналогичная конструкция (Фиг.1, сечение В-В) закреплена на неподвижном корпусе ОМЗ-К, состоящая из призмы Ар90 (Фиг.1, п.6,), объективов (Фиг.1, п.11, п.13, п.15 сечение В-В), ), а также оптический фильтр (Фиг.1, п.14, сечение В-В)заданных параметров, устанавливаемый в параллельном ходе лучей между объективом (Фиг.п.13, сечение В-В) и объективом (Фиг.1 п.15, сечение В-В).Объектив (Фиг.1 п.11, сечение В-В) и объектив (Фиг.1 п.13, сечение В-В)смонтированы на одной оптической оси, их оптические лучи сходятся в фокусе полевой диафрагмы (Фиг.1 п.12, сечение В-В)расчетного диаметра. В фокальной плоскости объектива (Фиг.1,п.15, сечение В-В),установлен сенсор (Фиг.1, п.16, сечение В-В),чувствительный к оптическому излучению активного элемента лазера (Фиг.1, п.20).
Плоскость обтюратора (Фиг.1 п.4), закрепленного на вращающейся части электродвигателя, пересекает общую фокусную плоскость объектива (Фиг.1 п.11, сечение В-В) и объектива (Фиг.1 п.14, сечение В-В),на заданном расстоянии от полевой диафрагмы (Фиг.1, п.12, сечения В-В). Устройство накачки лазера (Фиг.1, сечение А-А, п.19) взаимодействует с данным активным элементом лазера (Фиг.1, п.20) в режиме импульсного излучения. Блок питания (Фиг.2, п.22) и процессор (Фиг.2, п.23) входят в комплект ОМЗ-К (Фиг.2).
Оптико-механический затвор (модулятор добротности) с функцией коммутатора работает следующим образом.
Известно, что все импульсно-периодические лазеры содержат оптический резонатор, который образован выходным полупрозрачным зеркалом, параллельным глухому зеркалу и помещенным между ними на общей оптической оси, активным элементом лазера. Выходным полупрозрачным зеркалом в данном изобретении являются две катетные грани призм Ар90 (Фиг.1, п.18, положение 1, положение 2, сечение А-А). На эти катетные грани нанесены полупрозрачные покрытия с заданным коэффициентом пропускания и отражения (Фиг.1 п.18). Призмы Ар90 (Фиг.1, п.1; п.3, сечение А-А) закреплены гипотенузными гранями на ромб-призме (Фиг.1, п.2, сечение А-А) с расчетным плоскопаралельным зазором. При вращении сборной призмы (Фиг.1, п. 1, 2, 3, сечение А-А) по стрелке (Фиг.1), катетные грани призм Ар90 попеременно совпадают, строго параллельно, с плоскостью глухого зеркала (Фиг.1, п.21, сечение А-А), образуя модулятор добротности. Для импульсного излучения лазера необходимо создать условия максимальной добротности, при которых инверсионная населенность активного элемента лазера была на заданном уровне, а одна из катетных граней призм Ар90 с полупрозрачным покрытием (Фиг.1, п.18) в сборной призмы (Фиг.1, п.1; 2; 3) была параллельна глухому зеркалу (Фиг.1, п.21). В устройстве ОМЗ-К команда в блок накачки лазера (Фиг.1, п.19), для создания заданного уровня инверсионной населенности активного элемента лазера, выдается процессором (Фиг.2, п.23) с учетом данных, полученных от датчиков углового положения ротора (Фиг.1, п.7, 8, сечение Б-Б).При этом скорости вращения рассчитываются в процессоре так, чтоб команда для создания оптимальной инверсионной населенности в активном элементе лазера была в момент максимальной добротности, для импульсного излучения лазера за счет расчетного коэффициента отражения катетной грани призмы Ар90 (ФИГ.1, положение а или положение b, сечение А-А) и глухого зеркала (Фиг.1 п.21).
а
Вместе с тем одновременность излучения лазера и перекрытия обтюратором (Фиг.1, п.4) полевой диафрагмы (Фиг.1, п.12, положение или положение b)обеспечивает абсолютную защиту сенсоров (Фиг.1, п.16, сечение Б-Б,)и (Фиг.1, п.16, сечение В-В)от мощной засветки в момент излучения лазера в ОМЗ-К.
Дальнейшее вращение сборной призмой (Фиг.1, п.1; 2; 3, положение 1, сечение А-А), закрепленной на роторе электродвигателя, по обозначенной стрелке на Фиг.1, нарушает условия полного внутреннего отражения гипотенузных граней призмы Ар90 и ромб-призмы. В этот же момент времени обтюратор (Фиг.1, п.4, сечение Б-Б)открывает полевую диафрагму (Фиг.1, п.12, сечение Б-Б)для прохождения излучения эхо-сигнала. Отраженное излучение лазера от объекта (эхо-сигнал, положение 1 сечение А-А), пройдя через сборную призму (Фиг.1, п.1; 2; 3), призму Ар90 (Фиг.1, п.5, сечение Б-Б), объектив (Фиг.1, п.11, сечение Б-Б),полевую диафрагму (Фиг.1, п.12, сечение Б-Б),объектив (Фиг.1, п.13, сечение Б-Б), оптический фильтер (Фиг.1, п.14, сечение Б-Б),объектив (Фиг.1, п.15, сечение Б-Б),попадает на сенсор приема эхо-сигнала излучения лазера (Фиг.1, п.16, сечение Б-Б),который находится в фокальной плоскости этого объектива.
Тот же алгоритм работы ОМЗ-К выполняется после поворота сборной призмы (Фиг.1, п.1; 2; 3, положение 2, сечение А-А) по стрелке (Фиг.1) на 180°, то есть на второе пространственное направление (Фиг.1, положение 2).
Технико-экономическая эффективность изобретения обусловлена расширением эксплуатационных возможностей и снижением весогабаритных характеристик оптико-электронных систем с применением импульсных лазеров. Описанный оптико-механического затвор (модулятора добротности) для импульсных лазеров с функцией коммутатора (ОМЗ-К) соответствует критерию промышленной применимости и может изготовляться на предприятиях оптико-механической промышленности.