Схема управления лазерным лучом

 

Оп ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Сетез Севетсннк

Сецналнстнчесннк республнк

< >984418 (Ol) Дополнительный к патенту(22),Заявлено 18.04 ° 80 (21) 2910501/18-25 (23) Приоритет - (32),18.04,79 (51) М. Кл.

0 02 F 1/33

Гфсуаарствшшвй нелвтет

СССР кв алан вмбретеввй н еткрыти11 (31) HA-3134 (33) ВНР (53) УДK 535, 511 (088.8) Опубликовано 23,12, 82, Бюллетень М 47

Дата опубликования описания 05.01.83

Иностранцы

Андраш Родманицки, Саболч Текеш и Аттила (ВНР} (72) Авторы изобретения

Иностранное предприятие

Иадьяр Тудоманьош Академиа Самиташтехник и еш:---" "

"Аутоматизалаши Кутато Интеэет" (ВНР) (71) Заявитель (54) СХЕМА. УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ

Изобретение относится к системам, управления лазерным лучом, в частности к акустико-оптическим модуляторам, и может найти применение для получения нескольких выходных лучей лазера с постоянными и регулируемыми углами отклонения, Известно устройство для получения нескольких световых лучей, основанное на поляризационных.электро-оптических переключателях 11, Недостатками электро-оптических переключателей подобного устройства являются необходимость высоких управляющих напряжений, необходимость ра-:gs ботать. в поляризованном свете, малая разрешающая способность.

Наиболее близкой no òåõíè÷åñêîé сущности к изобретению является cxe"" ма управления лазерного знакогенера-

: тора, основывающаяся на. законе дифрак

\ ции Брэгга, содержащая акустико-опти ческий элемент, по меньшей мере, одиь ультразвуковой преобразователь, высокочастотные осцилляторы в полосе ультразвуковых частот, соединенные через соответствующие задающие каскады, по меньшей мере, одним ультразвуковым. преобразователям, причем частоты всех

ВЧ-осцилляторов определяют углы выходаоптических лучей, а их амплитуды оказывают влияние на интенсивность выходных лучей, и при этом каждый задающий каскад имеет управляющий вход, состоянием которого задается амплитуда сигнала соответствующего осциллятора (2 1.

В известном лазерном знакогенераторе образующие знаки лучи лазера выходят из одного-единственного акустикооптического модулятора с постоянным во времени углом выхода. В этом акусти.%.. ко-оптическом модуляторе применяются осцилляторы очень высокой частоты, и каждый осциллятор через задающий кас-. ( кад присоединен к ульт ра звуковому преобразователю акустико-.оптического,эле. мента. Частота каждого осциллятора определяет направлениеотносящегося сюду выходного луча лазера, а. его ампли9844 туда определяет интенсивность выходного луча лазера.

Недостатком известной схемы являетcR невозможность регулируемого отклоне( ния одного или нескольких выходныхлучей, Целью изобретения является :расширение функциональных возможностей схе.мы путем регулируемого отклонения части выходящих оптических лучей. i0

Поставленная цель достигается тем, что в схеме управления для образования нескольких выходных лучей лазера, расположенных в одной плоскости, основанной на законе дифракции Брэгга, и is включающей акустико-оптический элемент, содержащий, по меньшей мере, один ультразвуковой преобразователь, высокочастотные осцилляторы в полосе ультразвуковых частот, которые через соответствующие задающие каскады соединены с упомянутым, по меньшей мере, одним ультц звуковым преобразователем, причем частоты всех 8Ч-осцилляторов определяют углы выхода оптических лучей, и их амплитуды оказывают влияние на интенсивность этого выходного луча, среди высокочастотных осциллято" ров находится по меньшей мере один осциллятор регулируемой частоты, который снабжен определяющим частоту входом, Акустико-оптический элемент оснащен несколькими электрически разделенными ультразвуковыми преобразователями, к которым присоединено, по меньшей мере, по одному задающему каскаду.

Для совместного перемещения выхода каждого выходящего из акустмко-опто тического элемента луча лазера между задающими каскадами и относящимися сюда ультразвуковыми преобразователями предусмотрено по одному смесительному каскаду, и вторые входы смесительных каскадов присоединены к

45 общему вспомогательному осциллятору управляемой частоты.

На фиr. 1 приведена. блок-схема первой формы исполнения предлагаемой схемы, на фиг. 2 - блок-схема второй формы .исполнения схемы, на фиг.3 " блок-схема третьей, формы исполнения схемы> на фиг, 4 - диаграмма временной зависимости угла выхода лучей зз лазера из акустико-оптического элемента при указанном управлении осцил" ляторов, поясняющая работу первым

18, 4 трех форм схемы, на фиг. 5 -.блоксхема модифицированной третьей формы исполнения схемы, в которой углы выхода всех выходных лучей лазера могут регулироваться сообща, на фиг.6угловая диаграмма, где представлен принцип работы схемы, изображенной на фиг. 5.

Предлагаемая схема включает луч

1 лазера, акустико-оптический элемент 2, .ультразвуковые преобразователи 3, угол 4 отклонения, осцилляторы 5 постоянной частоты, задающие каскады 6, усилители 7, луч 8 лазера, выходящий из преобразователя при одной из частот, управляющие входы 9 электрических управляющих напряжений, задающие каскады 10, луч 11 лазера, выходящий из преобразователя при другой частоте, входы

12 управления .задающих каскадов, входы 13 электрических напряжений, суммирующие каскады 14, смесительные каскады 15, которые имеют первый вход

16 и второй вход 17, вспомогательный осциллятор 18 с управляющим входом 19 напряжения

Акустико-оптический элемент 2 модулятора на фиг, 1 образован из оптически прозрачной среды в форме прямоугольной призмы, Назначение акустикооптического элемента 2 - из падающего луча 1 лазера образовать согласно определенной программы управления несколько самостоятельных выходных лучей 8 и 11 лазера, Луч 1 лазера поступает на меньшую торцовую поверхность призмообразного,а ку сти ко-опт ичес ко го модулятора

2 и образует с его осью параллельно плоскости фронта волны ультразвука угол 4 отклонения, так называемый угол брэгга ° На нижней боковой плоскости акустико-оптического эле мента 2 вдоль направления распространения падающего луча 1 лазера по" мещены несколько электрически отделенных друг от друга ультразвуковых преобразователей 3, которые в направлении луча лазера достаточно длинны для того, чтобы в акустикооптическом модуляторе 2, как в среде, любой ультразвуковой преобра-. зователь создавал ультразвуковое поле, которое осуществляет акустико-оптическую дифракцию света Брэгга, Если для акустика-оптическбй среды выбирается такой материал, 984418 как,например вода или ТеО - монокристалл типа "парателлурит" (в крис таллографическом направлении индекс

Ииллера 110), или Hg

Установленный описанным образом акустико-оптический элемент 2 отличается тем, что если его ультразвуковые преобразователи 3 управляют- 1з ся сигналами осцилляторов соответствующей полосы по высокой частоте, то вследствие наступающих в акустико-оптической среде дифракций из входного луча 1 лазера образуются такие выходные лучи, угол выхода которых отклоняется оу направления выхода падающего луча 1 лазера. Размер этого отклонения зависит от ча.стот подведенного или подведенных к ультразвуковому преобразователю высокочастотных сигнала или сигналов управления, При управлении с указанной частотой интенсивность выходных лучей 8 и 11 лазера с сост- зо ветствующим этой частоте углом выхо да зависит от амплитуды управляющего сигнала указанной частоты. Это определение действительно для любого ультразвукового преобразователя -3, т.е. каждый ультразвуковой .преобразователь может управляться одним или несколькими высокочастотными осциллятооами, в то время как управляющие частоты в отношении выходных лу40 чей 8 и 11 лазера внутри определенной области действуют независимо друг от друга, 8озможен также вариант, когда несколько ультразвуковых преобразователей 3 управляются одинаковой частотой, причем каждый из них вызывает в акустико-оптической среде такую дифракцию, при которой углы выхода соответствующих выходных лучей 8 и

11 лазера совпадаот с углом выхода выходного луча лазера, образованноге управляемым той we частотой другим ультразвуковым преобразователем, от- . куда следует, что интенсивность соответствующего конкретной частоте выходного луча 8 и 11 определяется .совместной амплитудой присоединенных к отдельным ультразвуковым преобразователям 3, согласованных с одина- . ковой частотой осцилляторов.

Так как в отношении производства выходных лучей 8 и 11 лазера ультразвуковые преобразователи 3, в основном, могут рассматриваться как однородно выполненные, то акустико-оптический элемент 2 может предварительно устанавливаться как имеющий один-единственный ультразвуковой преобразователь повышенной мощности, и соединенные с ним высокочастотные осцилляторы осуществляют свое влияние линейно, независимо друг от друга, Ультразвуковые преобразова-тели 3 могут быть отделены друг от друга, так как к одному.ультразвуковому преобразователю - вследствие несовершенст.ва электрических модулей (возникновения продуктов взаимной модуляции и демпфирования суммирующих схем) - не могут быть присоединены высокочастотные осцилляторы с возможно большим числом и мощностью.

Описанные свойства проявляются не только в акусто-оптических модуляторах, показанных на фиг. 1-3 и 5, когда ультразвуковые преобразователи 3 размещены в одной плоскости боковых поверхностей призматического элемента. Они могут быть с соответствующими размерами размещены на отличных, но параллельных друг другу плоскостях, или акустика-оптический элемент 2 может быть смонтирован также из нескольких, отделенных друг от друга, но оптически связанных независимых элементах, Иожет быть применен также акустико-оптический элемент, ультразвуковые преобразователи которого выполнены для образования выходных лучей лазера для упомянутого линейного на1 ожения. Иощность управляющих ультра- . звуковыми преобразователями 3 высокочастотных осцилляторов должна выбираться настолько большей, чтобы можно было пренебречь действием возможной повторной дифракции на прелом-. ленные лучи; которая возникает вследствие возбужденного другим предусмотренным внутри акустико-оптической сферы элемента ультразвуковым преобразователем поля. Это условие выполняется, если вся интенсивность каждого .выходящего из акустико-оптического элемента яреломленного луча лазера менее 0,4-0,5-кратной интен7 9844 сивности входного луча 1 лазера. 8 этом случае каждый преломленный выходной луч лазера получает энергию . из энергии входного луча l лазера, Акустмко-оптический элемент 2 может управляться различным образом, Одинаковые в отношении управления функции элементы схемы на фиг. 1-3 и

5 ограничены штриховыми линиями, эти элементы электрически независимы друг е от друга и принимают участие в уп равлении различных ультразвуковых преобразователей 3. Одинаковая фигура указывает на равенство функций.

Значения частот осцилляторов 5 1з постоянной частоты (фиг, 1) остают ся неизменными в процессе работы и отличаются друг от друга. Частоты отдельных осцилляторов 5 обозначены

fg f... ° f . Осцилляторы 10 регу- 2в лируемой частоты, осцилляторов 5, выполнены таким образом, что,их рабочие частотььмогут регулироваться в зависимости от соединенных с соответствующими определяющими ча- д стоту входами 13 электрических напряжений в пределах значений частот.

Полосы рабочих частот отдельных осцилляторов 10 регулируемой частоты целесообразно выбирать без перекры" тий, так, чтобы, например, полоса частот первого осциллятора 10 определялась предельными. значениями . частот 1а1 и fa< и соответственно полоса частот и-го осциллятора опре35 деляется 1п1 и 1п .

К каждому высокочастотному осциллятору 5 и 10 соответственно присое-динено по одному задающему каскаду

6,. В простейшем случае задающие каскады 6 реализуются с электронным вы-. ключателем, который в зависимости от присоединенных к соответствующим управляющим входам 9 электрических управляющих напряжений направляет дальше сигнал осциллятора или преграждает ему путь. Эти задающие каскады 6 могут быть смонтированы так, чтобы помимо разрешения и запреще.ния поступательного движения изменялось бы поданное напряжение осцилSO аяторов, Входы 12 управления задающих каскадов согласованы с осциллятррами 10 регулируемой частоты.

Каждый задающий каскад 6 через усилитель 7 присоединен к ультразвуковому преобразователю 3 акустико-оптического элемента. Усилители 7 повышают выходное напряжение осциллято18 8 ров до соответствующего уровня и от-: деляют осцилляторы от ультразвуковых преобразователей 3.

При включении схемы согласно фиг. 1 каждый осциллятор 5 регулируемой частоты соответственно создает один выходной луч лазера, угол выхода а, которого зависит от заданной постоянной частоты соответствующих осцилляторов. Если полосы частот осцилляторов 10 регулируемой частоты не перекрывают друг друга и отличаются от значений частот осцилляторов 5 постоянной частоты, то каждый осциллятор 10 создает лучи 11 лазера с регулируемыми углами выхода, Эти углы выхода лучей 8 и 11 лазера изменяются во время работы в пределах области угла, соответствующей полосам рабочих частот согласованных с ними осцилляторов 10,. При наличии приведенных условий углы выхода каждого выходного луча 8 и 11 лазера различны, т.е. пути выходных лучей лазера не пересекаются. Влияющее на задающие каскады 6 управление, а также управление определяющих частоту входов 13 могут воздействовать на ход выходных лучей лазера в зависимости от требуемой цели.

Схема на фиг, 2 отличается от предыдущей тем, что между задающими каскадами 6 и усилителями 7 предусмотрены суммирующие каскады 14, являющиеся линейными суммирующими cxe" мами с несколькими входами, причем к каждому входу присоединен выход задающего каскада 6. Применение суммирующих каскадов 14 позволяет увеличить число присоединяемых к ультразвуковому преобразователю 3 осцилляторов до количества входов суммирующих каскадов, В приведенном на фиг.2 случае каждый суммирующий каскад

14 имеет m входов и иэ осцилляторов

5 постоянной частоты образовано n„ групп, откуда получают частоту последнего осциллятора для f+, причем M=n m.

Входы согласованного с последним ультразвуковым преобразователем 3 суммирующего каскада 14 соединены с задающим каскадом 6, с которым согласован осциллятор 10 регулируемой частоты, Если суммирующие каскады

14 являются линейными элементами. .и каждый ультразвуковой преобразователь 3 эквивалентен акустико-опти9844 г ческому элементу 2 в отношении возбужденных выходных лучей лазера, работа схемы на фиг. 2 не отличается от работы схемы на фиг, 1, за исключением возможности присоединения

S нескольких осцилляторов.

Отличие схемы на фиг, 3 от предыдущей в том, что осцилляторы 10 регулируемой частоты не присоединены к одному" единственному сумматору

14 и через него - к совместному уль" траэвуковому преобразователю 3, а один из входов каждого сумматора

14 соединен с одним из осцилляторов

10, Число входов суммирующих каскадов 14 на фиг. 3 на единицу больше, чем на фиг. 2.

Иэ описанного условия линейности вытекает воэможность образования нескольких комбинаций, причем соответственно один сумматор может быть соединен с несколькими осцилляторами 10 и т.д. 8 простейшем случае число ультразвуковых преобразователей -3 одного акустико-оптического элемента 2 не более двух, причем один соединен с одним из осцилляторов 5 постоянной частоты, другой жес осциллятором 10 регулируемой ча- . стоты. Не сложнее и случай, когда акустика-оптическйй элемент 2 содержит лишь один ультразвуковой преобразователь 3, к которому присоединен один из суммирующих каскадов

14, так что один из входов соединен

35 с осциллятором 5 постоянной частоты, а другой - с осциллятором 10 регулируемой частоты. На практике наиболее целесообразно применение по меньшей мере 7-ми осцилляторов по40 стоянной частоты, - В показанном на фиг. 4 примере управления представлено прохождение по времени выходящих иэ акустикооптического элемента 2 лучей лазера

45 постоянного 8 и переменного 11 углов. Управление согласно фиг. 4 может быть реализовано по какой-либо иэ схем фиг. 1-3.

Согласно диаграмме управления

50 одиннадцати лазерных лучеи неизменного угла выхода и трех лазерных лучей переменного угла выхода (фиг.4) левая вертикальная ocb указывает угол выхода, а правая - соответствующие частоты осциллятора. Частоты

55 осцилляторов 5 постоянного значения " частоты расчленяются на две груйпы: первая группа включает частоты

18 l0

f,...,f4, которые занимают полосу частот разверткя 8Ь, вторая группа" частоты f .. .,fq, которые приходятся на полосу 8а. 8 полосах 8а и 8Ь содержатся sce выходные лучи лазера постоянных углов выхода.

Согласованные с ними задающие кас-кады 6 могут при этом оказывать влияние лишь на стирание и соответст" венно возникновение, например, интенсивности линии дорожки, Все выходные лучи 11 лазера регулируемого угла выхода (на фиг. 4 три выходных луча) соответственно занимают диапазон углов 11а, 11Ь H llc.

Как видно из фиг. 4, к определяющим частоту входам 13 осцилляторов

10 регулируемой частоты присоединяются напряжения треугольной формы различных частот. Если все лучи лазера отклоняются параллельно оси времени по фиг. 4, то диаграмма указывает линии дорожки лучей лазера.

Если частоты напряжений треугольной формы достаточно велики, то лучи 11 лазера переменного угла освещают соответственно одну целую полосу, что является предпочтительным в указанных случаях применения (например, выделение расстояния между строками или выделение полосы). Разумеется, возможно и перекрывание отдельных полос друг с другом или воз" никновение между ними пустых зон.

Схема на фиг, 5 базируется, в основном, на принципе коммутации согласно фиг ° 3. Различие состоит в том, что между суммирующими каскадами 14 и усилителями 7 включены смесительные каскады 15, каждый иэ которых имеет первый вход 16 и второй вход 17 . Каждый первый вход 16 соединен с выходами с гласованных со смесительными каскадами суммирующих . каскадов. Все вторые входы 17 соединены друг с другом и присоединены к выходу вспомогательного осциллятора 18 управляемой частоты.

Частоту вспомогательного осциллятора 18 управляемой частоты можно изменять в пределах полосы между значениями частот F а Г с помощью присоединенного к управляющему входу

19 напряжения, Смесительные каскады 15 создают разностную или суммарную частоту поданных к их первому входу 16 и второму входу 17 высокочастотных сигйалов. Результат . этого смешивания управляет ультразву. l1 98441 ковыми преобразователями 3 акустико-оптического элемента. Целесообразно, чтобы усилители 7 были согласованными полосовыми усилителями, которые оставляют ультразвуковым преобразователям 3 лищь продукты частот, приходящиеся на желаемую полосу, так как ультразвуковые преобразователи так или иначе обладают свойствами запирания полосы. Пред- . 1о почтительно такой выбор частот, чтобы разностные частоты приходились на полезную полосу ультразву" ковых преобразователей 3, На Фиг. 6 как и на Фиг. 4, показана временная зависимость выходных лучей лазера, но для схемы согласно фиг. 5> причем к управляющему входу 19 вспомогательного осциллятора приложено управляющее напряжение с характерным прохождением во времени, и частота следует за этим капряжением. Из Фиг. 6 видно, что показанная ка фиг. 4 Форма линии имитирует измейения управляющего напряжения scno" могательного осциллятора, так что все выходные лучи лазера одновременно смещаются в одинаковой мере, Это смещение целесообразно применять для общей коррекции и соответственно точной регулировки положения выходных лучей лазера, В случае применения акустико-оптического модулятора в лазерном знакогенераторе выходные лучи лазера определяют, на35 пример, верти,кальные точки одной формы или одного знака, а вертикальная относительно направления распро" странения развертка лучей образует запись последовательности знаков. о

Путем управления вспомогательным осциллятаром 18 можно точно регулировать положение, знаков (например, вертикальное положение), Вариант осуществления схемы со"

45 гласно r 4 и 6 делает возможным возникновение наряду с выходящими с постоянным углом выхода иэ аку,стико-оптического элемента 2 лучами лазера, выходных лучей лаэера с переменным положением угла (т.е. линия дорожки) в той же выходной плоскости и регулирование положения угла всех выходных лучей лазера при сохранении выходной плоскости (т,е. в пределах ее),Обе возможности могут быть многократно HcfloJlb» зованы в большинстве обычных слу чаев применения акустико-оптичес8 12 ких модуляторов, в особенности в лазерных знакогенераторах, оптичес. ких записывающих устройствах или лазерном факсимиле.

Формула изобретения

1, Схема управления лазерным лучом, основывающаяся на дифракции

Брэгга, которая содержит акустикооптический элемент, по меньшей мере, один ультразвуковой преобразователь, высокочастотные осцилляторы в полосе. ультразвуковйх частот, соединенные через соответствующие задающие каскады по меньшей мере одним ультразвуковым преобразователем, и при этом каждый задающий каскад имеет управляющий . вход, состоянием которого задается амплитуда сигнала соответствующего осциллятора, о т л и ч аю щ а я с я тем, что, с целью рас" аирения Функциональных возможностей путем перестройки угла выхода лазерного луча, по меньшей мере один осциллятор выполнен с регулируемой частотой и содержит определяющий частоту вход.

Z. Схема управления по и„ 1, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что к каждому ультразвуковому преобразователю через совместные суммирующие каскады присоединены несколько задающих каскадов„

3, Схема управления по и, 2, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что к каждому совместному суммирующему каскаду присоединен по меньшей мере один согласованный с оциллятором регулируеМой частоты задающий каскад.

4, Схема управления по пп. 1-3, отличающаяся тем, что ультразвуковые преобразователи присоединены к выходам задающих каскадов через усилители.

5. Схема управления по пп. 1-4, отличающаяся тем, что в нее введен один вспомогательный осциллятор, а входы всех усилителей соответственно через смесительный каскад присоединены к вспомогательному осциллятору управляемой частоты..

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. ебрин Ю,E, Управление оптическим лучом в пространстве. М,, "Советское радио", 1977, с, 138.

2, Заявка ФРГ Ф 2755575 кл. 6 02 f l/33, 1979 (прототип) .

984418

11а

ИЬ

Заказ 997 / - ираж 51 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 13035,.Иосква, Ж-35, Рауаская наб., д. 4/5 филиал атент, г, жгород, ул, Проектная, Составитель ф. Иасленников

Редактор H.Åãîðoâà Техред И.Гергель Корректор А.Гриценко