Устройство цифрового управления мощностью излучения лазерного излучателя

Авторы патента:

Алимов Николай Петрович (RU)

Ганелин Владислав Сергеевич (RU)

Данилов Валерий Александрович (RU)

Савицкий Александр Михайлович (RU)

H01S3/13 - стабилизация выходных параметров лазера, например частоты, амплитуды

Владельцы патента RU 2528580:

Открытое акционерное общество "ЛОМО" (RU)

Изобретение относится к устройствам автоматического управления мощностью излучения лазерного излучателя. Устройство цифрового управления мощностью излучения лазерного излучателя содержит лазерный излучатель (ЛИ) со встроенным фотодиодом, соединенным с усилителем сигнала фотодиода, последовательно соединенные источник опорного напряжения, сумматор, на вход которого подаются сигналы с усилителя сигнала фотодиода и источника опорного напряжения, интегрирующую цепь, систему управления телескопом (СУ). В устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ введен цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), подключенный своим аналоговым входом к выходу интегрирующей цепи, а цифровыми входами к СУ и содержащий последовательно соединенные блок транзисторных ключей с весовыми резисторами и суммирующий операционный усилитель, к выходу которого подключен источник тока накачки ЛИ, выход которого подключен к ЛИ, причем ток накачки регулируется цифровым входным сигналом ЦАП, поступающим из СУ. Технический результат заключается в обеспечении возможности упрощения конструкции устройства. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к электронным устройствам автоматического управления мощностью излучения лазерного излучателя (ЛИ), предназначенного для работы в служебных системах автоматической юстировки (линейной, угловой, согласования оптических осей) и фокусировки телескопа.

Известно устройство управления и стабилизации мощности излучения ЛИ с применением обратной связи - патент РФ № 2163412 с приоритетом от 22.07.1999, опубликованный 20.02.2001 [1].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство управления мощностью излучения ЛИ - патент РФ № 2265940 с приоритетом от 18.08.2003, опубликованный 10.12.2005 [2].

Устройство [2] содержит ЛИ со встроенным фотодиодом, соединенный с усилителем сигнала фотодиода и с выходным усилителем тока накачки ЛИ, источник опорного напряжения, сумматор на основе инвертирующего операционного усилителя и интегрирующую цепь, выход которой подключен к входу выходного усилителя тока накачки ЛИ, при этом вход сумматора подключен к выходам усилителя сигнала фотодиода и источника опорного напряжения. Часть выходной мощности ЛИ поступает на встроенный фотодиод. Сигнал фотодиода преобразуется преобразователем в напряжение, которое вычитается на выходе сумматора из напряжения источника опорного сигнала, стабилизируя его значение.

Устройство [2] требует трудоемкой операции настройки тока ЛИ с помощью изменения сопротивления резисторов, устанавливаемых в заглушку.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и обеспечение регулировки тока накачки ЛИ.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ, которое, как и прототип, содержит ЛИ со встроенным фотодиодом, соединенным с усилителем сигнала фотодиода, последовательно соединенные источник опорного напряжения, сумматор, на вход которого подаются сигналы с усилителя сигнала фотодиода и источника опорного напряжения, интегрирующую цепь, систему управления телескопом (СУ).

В отличие от прототипа в устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ введен цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), подключенный своим аналоговым входом к выходу интегрирующей цепи, а цифровыми входами к системе управления и содержащий последовательно соединенные блок транзисторных ключей с весовыми резисторами и суммирующий операционный усилитель, к выходу которого подключен источник тока накачки ЛИ, выход которого подключен к ЛИ, причем, ток накачки регулируется цифровым входным сигналом ЦАП, поступающим из СУ.

Сущность изобретения заключается в том, что введение в устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ ЦАП и источника тока накачки ЛИ обеспечивает регулирование тока накачки ЛИ по программе и не требует трудоемкой операции настройки тока ЛИ с помощью подбора резисторов ни при изготовлении автоколлиматора, где компенсируются ошибки оптической схемы, ни при сборке изделия, где компенсируются ошибки оптической схемы, включая параметры главного и вторичного зеркал. Размещение на плате устройства цифрового управления мощностью излучения ЛИ в блоке обработки и управления сигнала изображения (БОУ) позволяет исключить блок питания ЛИ, заглушку с резисторами настройки, соединители вилка-розетка PC-19, соединитель PC-50 с кабелем, соединяющим блок питания излучателя с СУ, что позволяет уменьшить вес устройства.

На чертеже представлена функциональная схема устройства цифрового управления мощностью излучения ЛИ:

1 - блок обработки и управления сигнала изображения (БОУ);

2 - устройство цифрового управления мощностью излучения лазерного излучателя;

3 - лазерный излучатель (ЛИ);

4 - фотодиод;

5 - усилитель сигнала фотодиода;

6 - сумматор;

7 - источник опорного напряжения;

8 - интегрирующая цепь;

9 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);

10 - блок транзисторных ключей с весовыми резисторами;

11 - суммирующий операционный усилитель;

12 - источник тока накачки ЛИ;

13 - система управления телескопом (СУ).

В качестве ЛИ 3 может быть использован лазер со встроенным фотодиодом типа ИЛПН-232. Сумматор 6, суммирующий операционный усилитель 11 и источник тока накачки ЛИ 12 выполнены на аналоговых микросхемах серии 544, СУ 13 - на микросхемах серии 533, 1533 и 571, источник опорного напряжения 7 - на стабилитроне 2С133А, блок транзисторных ключей с весовыми резисторами 10 может быть реализован на транзисторной сборке 159НТ1.

Устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ работает следующим образом.

По команде включения в устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ 2 из СУ 13 поступает напряжение питания 27 В, при этом БОУ 1 вырабатывает и выдает в СУ 13 первый сигнал оперативного контроля «ОК Готов». После приема сигнала «ОК Готов» СУ 13 по программе приступает к циклическому выполнению автономной операции - выдача входных сигналов экспозиции в БОУ 1. Входной сигнал экспозиции является для устройства цифрового управления мощностью излучения ЛИ 2 управляющим сигналом, по которому снимается блокировка входа источника тока накачки ЛИ 12. При этом от источника опорного напряжения 7 через сумматор 6, интегрирующую цепь 8 на аналоговый вход ЦАП 9, а именно на блок транзисторных ключей с весовыми резисторами 10, поступает постоянное напряжение. При наличии на цифровых входах ЦАП 9 цифрового сигнала на вход суммирующего операционного усилителя 11 поступают токи от включенных разрядов. Комбинация включенных и отключенных резисторов блока 10 (соотношение сопротивлений соседних резисторов соответствует двоичному коду R, 2R, 4R,…) определяется значением бит цифрового сигнала («Логическая единица» - резистор включен). Выходное напряжение ЦАП 9 имеет вид:

$U_{в ы х} = U_{в х} \cdot D = U_{в х} \cdot d_{1} / 2 + U_{в х} \cdot d_{2} / 2^{2} + \dots U_{в х} \cdot d_{n} / 2^{n},$

где

$U_{в х}$ - входной аналоговый сигнал, поступающий на аналоговый вход ЦАП 9;

D=d₁/2+d₂/2²+…d_n/2ⁿ - входной цифровой сигнал, поступающий на цифровой вход ЦАП 9;

d_1…d_n - разрядные коэффициенты (значения бит цифрового сигнала), определяющие подключение (при d_i=0) входного аналогового сигнала ко входу ЦАП.

Разрядные токи, соответствующие весам разрядов, равны:

$\begin{array}{l} I_{1} = U_{в х} \cdot d_{1} / 2 R, \\ I_{2} = U_{в х} \cdot d_{2} / 4 R, \dots \\ I_{n} = U_{в х} \cdot d_{n} / 2^{n} R \end{array}$

Суммирование и преобразование этих токов в напряжение осуществляется суммирующим операционным усилителем 11 с резистором R в цепи отрицательной обратной связи.

Выходное напряжение ЦАП 9 при этом равно

$U_{в ы х} = R \cdot (d_{1} I_{1} + d_{2} I_{2} + d_{3} I_{3} + d_{4} I_{4})$

При этом d_i=1 соответствует замыканию ключа, а d_i=0 - размыканию.

К выходу суммирующего операционного усилителя 11 подключен источник тока накачки ЛИ 12 на сдвоенном операционном усилителе, на вход которого поступает постоянное напряжение, открывающее ЛИ 3. ЛИ 3 излучает поток лучистой энергии, часть которой попадает на фотодиод 4. Сигнал с выхода усилителя сигнала 5 суммируется с напряжением от источника опорного напряжения 7 на инвертирующем входе сумматора 6 и поступает через интегрирующую цепь 8 на аналоговый вход ЦАП 9 и далее на источник тока накачки ЛИ 12, обеспечивая на его выходе необходимый ток накачки ЛИ 3. Питание ЛИ 3 от источника тока накачки 12, охваченного глубокой отрицательной обратной связью, имеющего высокую линейную зависимость выходного тока от напряжения, позволяет достичь более точного измерения координат автоколлимационного изображения в служебных системах юстировки и фокусировки изделия при высокой стабильности и повторяемости мощности излучения ЛИ 3.

При отклонении мощности излучения ЛИ 3, предположим в сторону уменьшения мощности, уменьшается поток лучистой энергии, попадающий на фотодиод 4. При этом уменьшается сигнал с выхода фотодиода 4, а разность сигнала фотодиода 4 и напряжения от источника опорного напряжения 7 на выходе сумматора 6 увеличивается, что приводит к увеличению тока источника тока накачки ЛИ 12, то есть мощность излучения ЛИ 3 возрастает. Так осуществляется стабилизация мощности излучения ЛИ 3.

По окончанию входного сигнала экспозиции БОУ 1 заканчивает формирование и выдачу в СУ 13 второго сигнала оперативного контроля «ОК Экспозиция», обесточивает источник тока накачки ЛИ 12 и выключает ЛИ 3. По команде выключения из СУ 13 устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ 2 обесточивается и переходит в режим ожидания.

Количество входных сигналов экспозиции может изменяться от 1 до 10 в цикле при длительности каждого входного сигнала экспозиции от 0,2 до 200 мс, частота заполнения сигнала экспозиции может быть выбрана из диапазона 100 кГц - 10 МГц.

Таким образом, предлагаемое изобретение решает поставленную задачу - упрощение конструкции за счет питания ЛИ от устройства цифрового управления мощностью излучения ЛИ, размещенного на плате, встроенной в блок обработки и управления сигналом изображения, что позволяет исключить блоки питания ЛИ, заглушку, кабель, тем самым уменьшая вес устройства, а включение в устройство цифрового управления мощностью ЛИ ЦАП исключает трудоемкую настройку тока накачки ЛИ.

Устройство цифрового управления мощностью излучения лазерного излучателя, содержащее лазерный излучатель (ЛИ) со встроенным фотодиодом, соединенным с усилителем сигнала фотодиода, последовательно соединенные источник опорного напряжения, сумматор, на вход которого подаются сигналы с усилителя сигнала фотодиода и источника опорного напряжения, интегрирующую цепь, систему управления телескопом (СУ), отличающееся тем, что в него введен цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), подключенный своим аналоговым входом к выходу интегрирующей цепи, а цифровыми входами к СУ и содержащий последовательно соединенные блок транзисторных ключей с весовыми резисторами и суммирующий операционный усилитель, к выходу которого подключен источник тока накачки ЛИ, выход которого подключен к ЛИ, причем ток накачки ЛИ регулируется цифровым входным сигналом ЦАП, поступающим из СУ.

Изобретение относится к области радиотехники и автоматики, к системам автоматической подстройки частоты излучения газовых лазеров непрерывного действия с улучшенными стабилизационными характеристиками и может быть использовано в космической технологии, в частности, для измерения «фиолетового смещения» частоты лазерного излучения в гравитационном поле Земли.

Лазерная система с динамически стабилизируемой релаксирующей длиной волны и способ ее функционирования // 2480876

Способ генерации выходного лазерного света с требуемой характеристикой, лазерная система и транспортное средство, имеющее лазерную систему // 2450399

Изобретение относится к лазерной технике. .

Способ стабилизации частоты излучения лазера // 2447557

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при стабилизации частоты излучения существующих и новых, которые только будут созданы, высокостабильных по частоте лазеров, которые в свою очередь могут применяться в квантовой метрологии, спектроскопии, системах навигации, локации и других областях.

Фазочувствительный способ частотной стабилизации лазерного излучения и акустооптический модулятор для осуществления фазовой модуляции лазерного излучения // 2445663

Изобретение относится к квантовой электронике, лазерной спектроскопии, акустооптике и может быть использовано для широкополосной частотной стабилизации лазеров и сужения спектра их излучения.

Способ генерации лазерного света для измерения дальности и лазерная система измерения дальности // 2445643

Лазер на стронции // 2439763

Квантовый стандарт частоты // 2426226

Двухчастотный зеемановский гелий-неоновый лазер // 2413348

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для создания двухчастотных зеемановских гелий-неоновых лазеров для интерферометрических измерений в нанотехнологии, машиностроении, оптической промышленности.

Способ стабилизации частоты излучения лазера // 2352038

Способ управления импульсным режимом генерации лазерного излучения в лазерной установке на основе твердотельного лазера на кристалле nd:yag с диодной накачкой активной среды // 2573619

Изобретение относится к способу управления импульсным режимом генерации лазерного излучения в лазерной установке на основе твердотельного лазера на кристалле Nd:YAG с диодной накачкой активной среды. При реализации способа обеспечивают подачу на амплитудный модулятор импульсного низкочастотного управляющего напряжения относительно включения питания лазерного диода с временной задержкой Δt, определяемой из условия Δt≥Δtмин=100(11-5α)tЖ, где Δtмин - минимальная величина времени задержки подачи на амплитудный модулятор импульсного низкочастотного управляющего напряжения, tЖ - время жизни активного центра лазерной среды на верхнем уровне рабочего перехода, а α = P н а к P н а к п о р - параметр накачки, показывающий превышение мощности накачки P н а к над пороговым значением P н а к п о р . Область изменения величины α для осуществления ровной пачки импульсов находится в пределах 1,6 ≤ α ≤ 2,0 . Технический результат заключается в обеспечении стабильного импульсного режима генерации лазерного излучения. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Способ и устройство для стабилизации оптической мощности и спектрального состава излучения волоконного лазера ультракоротких импульсов // 2605639

Изобретение относится к области лазерной техники и предназначено для обеспечения устойчивой генерации лазерных импульсов фемто-пикосекундного диапазона. Реализована схема с кольцевым волоконным лазером с пассивной синхронизацией мод на эффекте нелинейной эволюции поляризации, содержащая поляризующий оптический изолятор, активное волокно, накачиваемое лазерным диодом, два управляемых микроконтроллером оптических волоконных поляризационных контроллера. Устойчивость импульсного режима достигают за счет повышения стабильности генерации широкополосного спектра ультракороткого импульса путем организации автоматической оптоэлектронной обратной связи под управлением микроконтроллера. Для чего сопоставляют мощности двух спектров - полного и его части, после оптической фильтрации, с предварительно измеренными микроконтроллером эталонными значениями. При отклонении мощностей от эталонных микроконтроллер вырабатывает управляющие сигналы для оптических волоконных поляризационных контроллеров, которые и обеспечивают минимальные отклонения мощностей в измерительных каналах от эталонных значений, чем и достигают стабильную оптическую мощность импульсной генерации широкополосного спектра и устойчивость. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ подавления спонтанной эмиссии квантовых излучателей в среде с диссипацией // 2623695

Способ подавления спонтанной эмиссии квантовых излучателей в среде с диссипацией заключается в размещении излучателя в однородную диэлектрическую матрицу-носитель с комплексным показателем преломления. При этом подбирают параметры действительной и мнимой части показателя преломления искусственной диэлектрической среды-носителя, за счет чего происходит обнуление величины скорости спонтанной релаксации. Технический результат заключается в изменении действующего значения скорости спонтанной релаксации для квантовых точек, помещенных в диэлектрическую среду с комплексным показателем преломления. 2 ил.

Твердотельная лазерная установка // 2626732

Твердотельная лазерная установка содержит активный элемент, непрозрачное и полупрозрачное зеркала, устройство управления положением непрозрачного зеркала, электродвигатель, светоделитель, приемник излучения, устройство обработки сигнала. Устройство управления обеспечивает корректировку углового положения непрозрачного зеркала для устранения возмущения волнового фронта, вызванного клиновыми деформациями активного элемента. Технический результат заключается в повышении надёжности функционирования устройства и обеспечении компенсации термооптических искажений. 2 ил.

Способ стабилизации частоты излучения лазера и стабилизированный по частоте излучения лазер // 2634368

Способ стабилизации частоты излучения лазера включает в себя формирование резонанса мощности излучения в резонаторе лазера, измерение выходной мощности излучения лазера, модулирование резонатора лазера пробным сигналом, пропорциональным флуктуациям частоты излучения лазера. Далее определяют знак текущего градиента резонанса мощности излучения по сигналу, пропорциональному выходной мощности излучения лазера и названному пробному сигналу, на основании которого формируют сигнал подстройки. Амплитуда сигнала подстройки переменна и пропорциональна величине модуля нормированному третьему центральному моменту функции плотности распределения сигнала выходной мощности излучения лазера. Причём для определения амплитуды и знака сигнала подстройки используется набор полосовых фильтров. Технический результат заявленного решения заключается в повышении стабильности частоты лазерного излучения за счет увеличения скорости настройки резонатора на экстремум линии-репера за счет многоканальной схемы подстройки. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.