Источник импульсного лазерного излучения

Устройство относится к лазерной технике. Источник импульсного лазерного излучения содержит не менее одного импульсного лазера, оптическое средство суммирования излучения и фокусирующую систему. Дополнительно введен задающий генератор, выход которого подключен к входу импульсного лазера, а выход импульсного лазера оптически соединен последовательно с оптическим коммутатором, блоком согласования, средством оптической задержки и с оптическим средством суммирования излучения и далее с фокусирующей системой, причем выход задающего генератора соединен с управляющим входом оптического коммутатора. Технический результат заключается в увеличении выходной оптической мощности импульсов лазерного излучения. 2 ил.

 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к сумматорам оптического излучения, например, полупроводниковых лазеров, и может быть использовано для усиления мощности лазерного излучения в волоконно-оптических линиях связи, сетях, информационно-измерительных системах, технологическом оборудовании, в бытовых приборах, медицине, системах опознавания и наведения, для охраны объектов от посторонних и пожара, лазерном оружии и т.п.

Известен мощный волоконный лазер (Светцов В.И. Оптическая и квантовая электроника: уч. пособие. - Иваново: Ивановский гос. хим.-тех. ун-т, 2010 (рис.1.19 на стр.51), состоящий из нескольких одномодовых волоконных лазеров, излучение которых собирается в одном волокне. Суммированное излучение передается волокном на фокусирующую систему.

Недостатком данного устройства является низкий уровень выходной оптической мощности лазерного излучения при относительно высоких затратах мощности от источника питания.

Известны также источники излучения на основе лазерных диодов, излучение которых суммируется оптической системой, например, в виде набора призм (патент РФ №2172972, «Излучающий сумматор» МПК⁷ G02B 27/09 H01S 5/40; US Patent №5463534. Источник света большой мощности. F21V 7/04) для образования общего пучка излучения. Такие системы позволяют достичь весьма высоких значений интенсивностей благодаря специальному расположению диодов и оптических элементов.

Так, например, известен источник света большой мощности (United States Patent №5463534. Источник света большой мощности. F21V 7/04,), который содержит ряд излучающих источников. Для повышения излучаемой мощности оптическая система коллимирует, фокусирует с помощью линз и суммирует с помощью призм лазерные лучи отдельных лазеров в объединенный выходной пучок оптического излучения.

Недостатком известных устройств является низкая выходная импульсная (пиковая) оптическая мощность излучения, которая определяется количеством подключенных излучающих источников.

Наиболее близким устройством по технической сущности к заявляемому техническому решению является источник излучения на основе лазерных диодов (патент РФ №2163048. Источник излучения на основе лазерных диодов. МПК⁷ H01S 3/09, H01S 3/091. Опубл.: 10.02.2001). Оптическая система устройства содержит отображающее средство, помещенное между излучающими источниками и зоной фокусировки, в которое входит средство формирования излучения и средство фокусировки излучения.

Средство формирования включает средство коллимирования излучения и средство для создания суммируемого луча. Лазерное излучение от каждого лазерного диода после коллимирования передается на призматическое средство суммирования и общее коллимирующее средство (цилиндрическая линза). В результате формируется единый однородный пучок, который фокусируется сферическим объективом на торце сердцевины оптического волокна.

Недостатком известного устройства является низкая выходная импульсная (пиковая) оптическая мощность излучения, зависящая от количества подключенных лазерных диодов.

Задачей изобретения является увеличение выходной импульсной (пиковой) оптической мощности излучения при значительно меньшей оптической мощности исходного импульсного лазерного излучения.

Технический результат заключается в увеличении выходной оптической мощности импульсов лазерного излучения за счет возможности накопления энергии в устройстве при одних и тех же источниках питания (энергии) как в прототипе, так и в предложенном устройстве.

Поставленная задача достигается тем, что источник импульсного лазерного излучения содержит не менее одного импульсного лазера, оптическое средство суммирования излучения и фокусирующую систему. Дополнительно введен задающий генератор, выход которого подключен к входу импульсного лазера, а выход импульсного лазера оптически соединен последовательно с оптическим коммутатором, блоком согласования, средством оптической задержки и с оптическим средством суммирования излучения и далее с фокусирующей системой, причем выход задающего генератора соединен с управляющим входом оптического коммутатора.

Работа источника импульсного лазерного излучения показана на структурной схеме - фигура 1. На фигуре 2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу источника импульсного лазерного излучения.

Источник импульсного лазерного излучения содержит последовательно соединенные задающий генератор 1, импульсный лазер 2, оптический 3 коммутатор, блок 4 согласования со средством оптической задержки, средство 5 оптической задержки, выполненное, например, из отрезков оптического волокна и имеющее дискретное время задержек оптического импульса. Источник излучения содержит оптическое средство 6 суммирования излучения и фокусирующую 7 систему для формирования заданной диаграммы направленности пучка на выходе оптического средства 6 суммирования излучения.

Блоки 2-7 оптически связаны между собой. Выход задающего генератора 1 соединен с управляющим входом оптического коммутатора 3.

Сигналы, формируемые на выходах блоков схемы: J_0k - 1, 2, … N-1, N-й оптические импульсы импульсного лазера 2 (Т - период следования импульсов); J'₀₁…J'_0N - оптические импульсы на выходе оптического коммутатора 3; J₁…J_N - оптические импульсы на выходе блока согласования со средством оптической задержки 4; J'₁…J'_N - оптические импульсы на входе оптического средства суммирования излучения 6; J_вых - выходное излучение устройства.

На фигуре 2 приведены следующие временные диаграммы (по оси ординат отложены интенсивности J оптических импульсов, по оси абсцисс - время t), где J_0k - сигналы оптических импульсов (1, 2, … N-1, N) импульсного лазера 2 (N - количество импульсов, излучаемых лазером, за полный цикл работы коммутатора 3); J₁, J₂, … J_N-1 - первый, второй, N-1 сигналы оптических импульсов на выходе блока согласования со средством оптической задержки 4; J_N - сигнал N-го оптического импульса на выходе блока согласования со средством оптической задержки 4, J'_N - сигнал N-го оптического импульса на выходе средства оптической задержки 5 (этот сигнал проходит без задержки); J'_N-1…J'₂, J'₁ - сигналы N-1, второго и первого оптических импульсов на входе оптического средства суммирования излучения 6; J'_J - сигнал на выходе оптического средства суммирования излучения 6.

Источник импульсного лазерного излучения работает следующим образом. Импульсный сигнал с задающего генератора 1 поступает на вход импульсного лазера 2 и управляет его работой. Импульсы оптического излучения с лазера 2 поступают на вход оптического коммутатора 3. При этом на управляющий вход оптического коммутатора 3 поступают электрические импульсы с выхода задающего генератора 1 с частотой (1/Т), равной частоте излучаемых лазером 2 импульсов оптического излучения. При поступлении первого управляющего импульса с задающего генератора 1 оптический коммутатор 3 направляет импульс оптического излучения через блок согласования со средством оптической задержки 4 на первый элемент блока оптической задержки 5. По второму импульсу с задающего генератора 1 оптический коммутатор 3 направляет оптическое излучение на второй элемент средства оптической задержки 5 и т.д. Средство оптической задержки содержит N-1 элемент. N-й импульс лазера 2 проходит на вход оптического средства суммирования излучения 6 без задержки. Выходы средства оптической задержки 5 соединены с N-1 входами оптического средства суммирования излучения 6. N-й импульс лазерного излучения поступает на N-й вход оптического средства суммирования излучения напрямую. Элементы средства оптической задержки 5 выполнены таким образом, что все задержанные импульсы лазерного излучения поступают на входы оптического средства суммирования излучения 6 одновременно с N-м импульсом. На выходе оптического средства суммирования излучения 6 формируется импульс J'_J, равный сумме интенсивностей импульсов лазерного излучения.

Далее полученный лазерный пучок фокусируется фокусирующей системой 7. В результате на выходе предложенного устройства образуется импульсное лазерное излучение J_вых, значительно превосходящее по интенсивности импульсы исходного лазерного излучения лазера 2. При этом частота следования импульсов на выходе устройства будет в N раз ниже частоты (1/Т) излучаемых лазером импульсов.

Таким образом, по сравнению с известным ближайшим аналогом в предлагаемом техническом решении достигается существенное увеличение выходной импульсной (пиковой) оптической мощности импульсов лазерного излучения за счет возможности накопления энергии при одних и тех же источниках питания как в прототипе, так и в предложенном устройстве.

Так, например, при наличии одного источника лазерного излучения за счет возможности накопления энергии в предложенном устройстве можно получить на выходе примерно в N раз большую мощность импульсов лазерного излучения за исключением потерь оптического излучения по сравнению с мощностью импульсного излучения одного источника с частотой повторения импульсов в N раз меньше частоты импульсов лазера.

С учетом потерь в оптических элементах устройства интенсивность оптического излучения J_вых на выходе предложенного устройства можно записать в следующем виде:

где J_0k - интенсивность импульсного излучения на выходе импульсного лазера;

δ_i - потери интенсивности излучения для каждого импульса при прохождении его через оптическую систему устройства.

Число N определяется заданной интенсивностью оптического излучения J_вых. Снижение J_вых обусловлено коэффициентом затухания излучения в элементах средства оптической задержки.

Достоинством предложенного изобретения является то, что для получения импульсов большой интенсивности оптического излучения требуются маломощные лазер и источник питания.

Источник импульсного лазерного излучения, содержащий не менее одного импульсного лазера, оптическое средство суммирования излучения и фокусирующую систему, отличающийся тем, что дополнительно введен задающий генератор, выход которого подключен к входу импульсного лазера, а выход импульсного лазера оптически соединен последовательно с оптическим коммутатором, блоком согласования, средством оптической задержки и с оптическим средством суммирования излучения и далее с фокусирующей системой, причем выход задающего генератора соединен с управляющим входом оптического коммутатора.