Устройство стабилизации параметров лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой

Авторы патента:

Подъяблонский Александр Николаевич (RU)

Фролов Владимир Васильевич (RU)

Поволокин Алексей Владимирович (RU)

Исаев Аркадий Анатольевич (RU)

H01S3/02 - элементы конструкции

Владельцы патента RU 2367072:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РЯЗАНСКИЙ ПРИБОРНЫЙ ЗАВОД" (RU)

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в машиностроении, оптической связи и медицине. Устройство содержит оптический модуль накачки, активный элемент, термоэлектрический модуль, драйвер термоэлектрического модуля, управляющий микроконтроллер, первый термодатчик. В него введены второй термодатчик, фотодатчик, усилитель сигнала фотодатчика. Оптический выход оптического модуля накачки связан с оптическим входом активного элемента и оптическим входом фотодатчика. Первый выход которого термически связан с входом второго термодатчика. Второй выход соединен с входом усилителя сигнала фотодатчика. Выход которого соединен с первым входом усилителя сигнала фотодатчика. Выход которого соединен с первым входом управляющего микроконтроллера. Второй вход которого соединен с выходом второго термодатчика. Третий вход соединен с выходом первого термодатчика. Вход которого термически связан с выходом активного элемента. Выход управляющего микроконтроллера соединен с входом драйвера термоэлектрического модуля. Выход которого соединен с входом термоэлектрического модуля. Выход которого связан термически с входом активного элемента. Технический результат - расширение функциональных возможностей, а именно обеспечение единовременной стабилизации нескольких параметров лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой. 6 ил.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в машиностроении, оптической связи и медицине.

Из уровня техники известен твердотельный лазер с продольной накачкой (Патент на изобретение RU №2172544, опубл. 2001.08.20, МПК Н01S 3/02), обеспечивающий угловую стабилизацию лазерного излучения в широком температурном диапазоне. Твердотельный лазер включает последовательно соединенные оптический модуль накачки и резонатор лазера с выходным зеркалом и активным элементом, вклеенным теплопроводящим компаундом в калиброванный ложемент. Ложемент выполнен со стороны оптического модуля накачки в цилиндрической оправе резонатора, закрепленной в корпусе лазера соосно с оптической осью модуля накачки.

К недостаткам данного твердотельного лазера с продольной накачкой можно отнести недостаточную стабилизацию углового положения лазерного пучка и падение мощности лазерного излучения при переходе температуры окружающей среды в отрицательную область.

Известно устройство (А.А.Каминский. Лазерные кристаллы - М., Наука, 1975 г., стр.199-207), отражающее изменение генерационных характеристик в широком интервале температур. Для устранения возбуждения «побочной» генерации на длине волны 1061 нм в активном элементе последний должен находится при температуре +30°.

Известно устройство стабилизации расходимости лазерного излучения за счет уменьшения термических искажений активного элемента путем использования специальных стекол (Ю.А.Ананьев. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. - М., Наука, Физматлит, 1979 г., стр.268-285). Недостатком данного устройства является сложность конструкции лазера.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является твердотельный лазер с продольной накачкой (Патент на изобретение RU №2266594, опубл. 2005.12.20, МПК: H01S 3/02). Данный лазер содержит корпус с последовательно установленными и оптически сопряженными оптическим модулем накачки и резонатором лазера, состоящим из цилиндрической оправы с выходным зеркалом и активным элементом, выполненным со стороны оптического модуля накачки. На торце корпуса резонатора со стороны калиброванного ложемента с активным элементом установлен термоэлектрический модуль. При этом лазер снабжен контроллером температуры и термодатчиком, входы управления контроллера температуры соединены с выходами термодатчика, а выходы - с входами термоэлектрического модуля. Данное решение позволяет снизить влияние температуры окружающей среды на температуру резонатора лазера и тем самым обеспечить стабилизацию мощности лазерного излучения в широком температурном диапазоне.

Недостатком данного устройства, как и других выше изложенных, является то, что они позволяют осуществлять стабилизацию только одного из параметров твердотельного лазера с продольной накачкой.

Технический результат предлагаемого технического решения заключается в расширении функциональных возможностей, а именно в обеспечении единовременной стабилизации нескольких параметров лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой.

Технический результат достигается тем, что устройство стабилизации лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой содержит оптический модуль накачки, активный элемент, термоэлектрический модуль, драйвер термоэлектрического модуля, управляющий микроконтроллер, первый термодатчик. При этом оно отличается от прототипа тем, что в него введены второй термодатчик, фотодатчик, усилитель сигнала фотодатчика. Причем оптический выход оптического модуля накачки связан с оптическим входом активного элемента и оптическим входом фотодатчика, первый выход которого термически связан с входом второго термодатчика, а второй выход соединен с входом усилителя сигнала фотодатчика, выход которого соединен с первым входом управляющего микроконтроллера, второй вход которого соединен с выходом второго термодатчика, а третий вход соединен с выходом первого термодатчика, вход которого термически связан с выходом активного элемента. Выход управляющего микроконтроллера соединен с входом драйвера термоэлектрического модуля, выход которого соединен с входом термоэлектрического модуля, выход которого связан термически с входом активного элемента.

На Фиг.1 изображена структурная схема устройства стабилизации параметров лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой, где:

1 - оптический модуль накачки,

2 - активный элемент,

3 - термоэлектрический модуль,

4 - драйвер термоэлектрического модуля,

5 - управляющий микроконтроллер,

6 - первый термодатчик,

7 - второй термодатчик,

8 - фотодатчик,

9 - усилитель сигнала фотодатчика.

Устройство стабилизации параметров лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой содержит оптический модуль накачки 1, оптический выход которого связан с оптическим входом активного элемента 2 и оптическим входом фотодатчика 8. Первый выход фотодатчика 8 термически связан с входом второго термодатчика 7. Второй выход фотодатчика 8 соединен с входом усилителя сигнала фотодатчика, выход которого соединен с первым входом управляющего микроконтроллера 5. Выход второго термодатчика 7 соединен с вторым входом управляющего микроконтроллера 5, третий вход которого соединен с выходом первого термодатчика 6, вход которого термически соединен с выходом активного элемента 2. Выход управляющего микроконтроллера 5 соединен с входом драйвера термоэлектрического модуля 4, выход которого соединен с входом термоэлектрического модуля 3. Выход термоэлектрического модуля 3 связан термически с активным элементом 2.

Устройство стабилизации параметров лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой работает следующим образом. Лазерное излучение с оптического модуля накачки 1 подают на фотодатчик 8, где оно преобразуется в электрический сигнал и поступает на вход усилителя фотодатчика 9, а затем сигнал фотодатчика усиливается и поступает на вход управляющего микроконтроллера 5. На основании полученных данных управляющий микроконтроллер 5 вычисляет требуемую температуру термоэлектрического модуля 3. При этом температуру активного элемента 2 измеряют первым термодатчиком 6. Далее сигнал с первого термодатчика 6 поступает на вход АЦП управляющего микроконтроллера 5, где происходит сравнение с требуемой температурой, и, в зависимости от результата, управляющий микроконтроллер 5 выдает сигнал управляющего воздействия на схему драйвера термоэлектрического модуля 4. Драйвер термоэлектрического модуля 4, в зависимости от управляющего воздействия, изменяет уровень и полярность напряжения на термоэлектрическом модуле 3, поддерживая тем самым температуру активного элемента 2 на заданном уровне в широком температурном диапазоне. Для компенсации температурного дрейфа сигнала фотодатчика 8 используют сигнал со второго термодатчика 7, который измеряет температуру фотодатчика 8, коррекция которой производится программным методом.

Особенность стабилизация параметров лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой заключается в том, что производят 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.

Примером практического применения может служить устройство стабилизации параметров лазерного излучения твердотельного лазера с накачкой лазерными диодами с активным элементом из иттро-алюминиевого граната с неодимом

(YAG: Nd³⁺). Оно включает оптический модуль накачки лазерными диодами 1, оптический выход которого связан с оптическим входом активного элемента 2 (YAG: Nd³⁺) и оптическим входом фотодатчика 8, выполненного на фотодиоде типа ФД19КК. Первый выход фотодатчика 8 термически связан с входом второго термодатчика 7, выполненного на терморезисторе ТР2 15 кОм. Второй выход фотодатчика 8 соединен с входом усилителя сигнала фотодатчика 9 типа ОР291, выход которого соединен с первым входом управляющего микроконтроллера 5 типа Atmega6-16P1. Выход второго термодатчика 7 соединен со вторым входом управляющего микроконтроллера 5, третий вход которого соединен с выходом первого термодатчика 6 (терморезистор ТР2 15 кОм), вход которого термически соединен с выходом активного элемента 2. Выход управляющего микроконтроллера 5 соединен с входом драйвера термоэлектрического модуля 4 (мост из двух n-канальных и двух р-канальных транзисторов), выход которого соединен с входом термоэлектрического модуля 3 типа ТВ-38-1,0-1,5-CHR. Выход термоэлектрического модуля 3 связан термически с активным элементом 2.

Экспериментальные данные приведены на чертежах (Фиг. 2 - Фиг. 6), где:

1 - параметры лазерного излучения без подогрева активного элемента;

2 - параметры лазерного излучения твердотельного лазера прототипа;

3 - параметры лазерного излучения с использованием предлагаемого устройства.

На Фиг.2 показана зависимость мощности лазерного излучения от температуры окружающей среды. Видно, что падение мощности с использованием предлагаемого устройства составляет значение не более 10% от значения мощности в нормальных климатических условиях, в прототипе - 30%, без подогрева активного элемента - 60%.

Изменение расходимости лазерного излучения от температуры окружающей среды относительно значения расходимости в нормальных климатических условиях показано на Фиг.3. Такой разброс значения расходимости с использованием предлагаемого устройства составляет не более 20%, в прототипе - 30%, без подогрева активного элемента - 45%.

Возникновение «побочной» генерации на длине волны 1061 нм показано на Фиг.4. Значения по оси ординат представлены в процентном соотношении интенсивности лазерного излучения на длине волны 1061 нм к интенсивности лазерного излучения на длине волны 1064 нм. С использованием предлагаемого устройства значение составляет 0%, что говорит об отсутствии «побочной» генерации с изменением окружающей температуры, в прототипе - значение составляет (20±3)%, без подогрева активного элемента - значение изменяется от 5% до 50% с понижением температуры окружающей среды.

На чертежах (Фиг.5 - Фиг.6) показана угловая стабильность лазерного излучения в пространстве в вертикальном и горизонтальном направлениях. Фиг.5 - угловая стабильность в вертикальном направлении, Фиг.6 - угловая стабильность в горизонтальном направлении. Измерение угловой стабильности проводилось в течение пяти минут. Использование предлагаемого устройства позволяет получить угловую стабильность порядка 20 угловых секунд как в горизонтальном направлении, так и вертикальном. Прототип позволяет получить угловую стабильность порядка 80 и 40 угловых секунд в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно. Без подогрева активного элемента - 120 и 60 угловых секунд в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно.

Таким образом, учет параметров накачки при компенсации термооптических искажений в активном элементе позволяет производить единовременную стабилизацию параметров лазерного излучения в широком температурном диапазоне.

Устройство стабилизации лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой, содержащее оптический модуль накачки, активный элемент, термоэлектрический модуль, драйвер термоэлектрического модуля, управляющий микроконтроллер, первый термодатчик, отличающееся тем, что в него введены второй термодатчик, фотодатчик, усилитель сигнала фотодатчика, при этом оптический выход оптического модуля накачки связан с оптическим входом активного элемента и оптическим входом фотодатчика, первый выход которого термически связан с входом второго термодатчика, а второй выход соединен с входом усилителя сигнала фотодатчика, выход которого соединен с первым входом усилителя сигнала фотодатчика, выход которого соединен с первым входом управляющего микроконтроллера, второй вход которого соединен с выходом второго термодатчика, а третий вход соединен с выходом первого термодатчика, вход которого термически связан с выходом активного элемента, выход управляющего микроконтроллера соединен с входом драйвера термоэлектрического модуля, выход которого соединен с входом термоэлектрического модуля, выход которого связан термически с входом активного элемента.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании электроразрядных лазеров с поперечной прокачкой газа, применяемых в машиностроении, в частности при резке металлов.

Лазерный литографический источник света с доставкой пучка // 2340057

Изобретение относится к литографическим источникам света для изготовления интегральных схем, в частности, к источникам света на основе газоразрядных лазеров для литографии, используемой в производстве интегральных схем.

Система очень узкополосного двухкамерного газоразрядного лазера с высокой частотой следования импульсов // 2306649

Изобретение относится к электрогазоразрядным лазерам, в частности к узкополосным газоразрядным лазерам с высокой частотой следования импульсов. .

Система двухкамерного f2 лазера с выбором линии // 2298271

Изобретение относится к лазерной технике, к двухкамерным узкополосным газоразрядным лазерам, и может быть использовано в качестве источника света для литографии интегральных схем.

Портативный многоцветный импульсно-периодический лазерный излучатель с пиротехнической накачкой // 2293412

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для исследования стойкости оптикоэлектронных средств к лазерному излучению. .

Способ изготовления квантового генератора // 2286629

Изобретение относится к области квантовой физики и может быть использовано при изготовлении фотодиссоционных генераторов для формирования импульсов электромагнитного излучения.

Перестраиваемый двухволновый двухканальный со складным резонатором co2 лазер // 2284618

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при разработке лазеров и спектрометрических приборов на их основе. .

Широкоапертурный лазер // 2279745

Изобретение относится к области квантовой электроники, к устройствам для генерации и усиления лазерного излучения, используемым для воздействия на объекты с большими площадями или объемами.

Не-ne лазер // 2271592

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для создания надежного и компактного He-Ne лазера, для применения в качестве источников монохроматического излучения в инфракрасной волоконной оптике, устройствах юстировки сложных инфракрасных оптических систем, в газоанализаторах.

Твердотельный лазер с зигзагообразным ходом лучей // 2269848

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при разработке и изготовлении лазерных устройств с повышенной мощностью излучения. .

Способ юстировки трехзеркального резонатора газового лазера // 2412509

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при изготовлении газовых лазеров с трехзеркальным резонатором, с визуально закрытым внутрирезонаторным пространством и перестраиваемой длиной волны излучения

Блок питания // 2480874

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к источникам питания, и может быть использовано для создания источников питания лазеров

Резонатор лазера // 2570341

Изобретение относится к резонатору твердотельного лазера с диодной накачкой. Резонатор лазера содержит опорную конструкцию и закрепленную на ней с помощью двух крепежных устройств несущую конструкцию с установленными на ней зеркалами. Опорная конструкция выполнена в виде двух плит, жестко связанных стержнями и снабженных неподвижными опорами, установленными на основании. Первая плита установлена на основании с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной оптической оси лазера. Вторая плита установлена на основании с возможностью перемещения вдоль оптической оси лазера. Технический результат - повышение устойчивости оптического резонатора лазера при вибрационных, ударных и тепловых воздействиях. 3 ил.

Универсальный резонатор лазера // 2570366

Изобретение относится к резонатору твердотельного лазера с диодной накачкой. Указанный резонатор содержит две плиты, с закрепленными на них зеркалами, связанных между собой стержнями, и снабженные подвижными и неподвижными опорами. Подвижные опоры выполнены в виде шариков с возможностью их перемещения. Плиты установлены на основание опорами, размещенными на их торцах. Каждая плита снабжена неподвижной опорой, установленной на основании, первая плита, содержащая выходное зеркало, снабжена жестко связанной с ней дополнительной подвижной опорой в виде штифта, который связан с неподвижной опорой с возможностью поворота, неподвижная опора второй плиты снабжена жестко закрепленным в ней прижимом. Подвижные опоры в виде шариков расположены в конусных пазах прижима и неподвижной опоры второй плиты. Стержни выполнены из материала с низким коэффициентом линейного расширения. Технический результат заключается в повышении устойчивости оптического резонатора лазера к вибрационным, ударным и тепловым нагрузкам. 3 ил.

Несущая рама излучателя твердотельного лазера с диодной накачкой // 2596037

Изобретение относится к механическим приспособлениям, используемым в квантовой электронике, а именно к несущим элементам конструкции твердотельных лазеров с диодной накачкой, и может быть использовано при создании лазерных и прочих оптических приборов и систем с большим числом оптических элементов и устройств. Несущая рама излучателя твердотельного лазера с диодной накачкой содержит полый брус с направляющей с установленным на нем основанием для оптических элементов и устройств. Брус выполнен круглого сечения со шпоночным пазом по всей длине; основание выполнено в виде жестко закрепленных на брусе при помощи устройств фиксации пластин с закрепленными в них шпонками. Пластины содержат посадочные гнезда для оптических элементов и устройств и установлены перпендикулярно брусу, наружная поверхность которого является направляющей. При изготовлении описанного выше устройства достигается такой технический результат как создание простой конструкции с наикратчайшими размерными цепями, определяющими положение оптических элементов и устройств. 6 ил.

Мощный лазер // 2608309

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер содержит кювету с оптическим резонатором, ограниченным на противоположных его концах алмазным окном и оптическим элементом, причем алмазное окно и оптический элемент установлены в соответствующих кольцевых оправах, изготовленных из материала с высокими теплопроводящими свойствами и содержащих каналы для циркуляции хладагента, и уплотнитель, размещенный между соответствующими зеркалами и кольцевыми оправами. При этом алмазное окно выполнено комбинированным в едином технологическом процессе с центральной областью, испытывающей максимальные лучевые нагрузки, из монокристаллического алмаза и периферийной областью из поликристаллического алмаза. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения максимальной мощности генерируемого излучения при снижении его расходимости. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Устройство для поглощения излучения оптического диапазона длин волн // 2608933

Изобретение относится к устройству для поглощения излучения оптического диапазона длин волн. Цилиндрический корпус выполнен с открытой с одной стороны внутренней полостью, в которой располагается конический элемент, обращенный своим острием в сторону подводимого излучения. Корпус и конический элемент представляют собой соосные тела вращения. Внутреннее пространство корпуса представляет собой сужающуюся вглубь корпуса коническую полость. Поверхность конической полости и поверхность конического элемента имеют регулярные углубления, образующие сплошное рифление данных поверхностей. Профиль углублений имеет конфигурацию, при которой обеспечивается многократное отражение подводимого излучения под углами, заведомо исключающими паразитный выход излучения из устройства. Корпус выполнен из материала с высокой теплопроводностью, а конический элемент выполнен из материала с малым коэффициентом линейного расширения. Поверхность конической полости корпуса и поверхность конического элемента покрыты молибдатом аммония. На наружной поверхности корпуса выполнены кольцевые проточки для воздушного охлаждения. Технический результат - повышение поглощающей способности устройства и расширение возможностей его применения, в том числе для поглощения излучений различных длин волн оптического диапазона. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Твердотельное лазерное устройство с оптической накачкой и самоюстирующейся оптикой для накачки // 2608972

Твердотельное лазерное устройство с оптической накачкой содержит активный элемент (302) в резонаторе (221, 302). Несколько лазерных диодов накачки (100) выполнены с возможностью отражения излучения накачки от одной поверхности зеркала резонатора. Указанное зеркало обеспечивает направление излучения накачки в активный элемент твердотельного лазера. Дополнительно на второй поверхности указанного зеркала в центральной части выполнена линза (212). Технический результат заявленного решения заключается в упрощении юстировки оптики накачки и обеспечении компактности лазерного устройства. 11 з.п. ф-лы, 13 ил.

Квантрон твердотельного лазера с диодной накачкой // 2622237

Изобретение относится к лазерной технике. Квантрон содержит активный элемент в виде стержня, источники оптической накачки, расположенные на держателях вокруг активного элемента, систему охлаждения активного элемента и источников оптической накачки, фланцы и элемент, соединяющий фланцы. Держатели расположены в соосных отверстиях фланцев, система охлаждения содержит трубку, охватывающую активный элемент с образованием радиального зазора, входной, выходной коллекторы и каналы держателей. Элемент, соединяющий фланцы, выполнен в виде рамы, содержащей параллельные пластины, соединенные ребрами. Держатели снабжены выполненными с обеих сторон ограничителями, взаимодействующими с торцевыми поверхностями фланцев, один из ограничителей каждого держателя выполнен с пазом, взаимодействующим с эксцентриком, эксцентрики установлены в отверстия одного из фланцев. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения мощности и КПД, а также в повышении технологичности конструкции. 7 ил.

Модуль слэб-лазера с диодной накачкой и зигзагообразным ходом лучей (варианты) // 2624403

Изобретение относится к лазерной технике. Модуль слэб-лазера с диодной накачкой и зигзагообразным ходом лучей содержит установленные в корпусе: активный элемент, элементы накачки, расположенные на теплоотводах симметрично с двух сторон активного элемента, систему охлаждения и пластины из оптически прозрачного материала, размещенные с обеих сторон активного элемента, каждый элемент накачки снабжен линзой. Корпус выполнен в виде двух параллелепипедов, двух корпусов соответственно, между которыми расположен активный элемент, между каждым элементом накачки и теплоотводом размещен термоинтерфейс, система охлаждения выполнена в виде единого контура и снабжена входным, выходным каналами, каналами в теплоотводах и диафрагмами, каналы охлаждения активного элемента образованы активным элементом и пластинами из оптически прозрачного материала, а линзы выполнены конформными. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения КПД лазера. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил.