Устройство юстировки зеркал резонатора лазера

 

УСТРОЙСТВО ЮСТИРОВКИ чЯЕРКАЛ РЕЗОНАТОРА ЛАЗЕРА, содержащее резонатор , образованный зеркалами, соединенными с исполнительными элементами, датчик положения оптической оси луча, вычислительное устройство, отличающееся тем, что, с целью повышения точности юстировки и повышения выходной мощности излучения, в устройство введены отклоняющая система , фотоматрица, блок определения отклонения луча, блок синхронизации, блок коммутации, блок управления, синхродатчик, преобразователь синхроимпульсов , привод вращения зер .кала, при этом выход датчика положения оптической оси луча подключен Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании систем управления неустойчивыми резонаторами лазеров. Известно устройство, содержащее резонатор, образованный зеркалами. через фотоматрицу к входу блока определения отклонения луча, первый выход которого подсоединен к первому входу блока синхронизации, а второй выход - к второму входу вычислительного устройства, первый выход которого подключен к первому входу блока коммутации, а второй выход вычислительного устройства подключен к второму входу блока синхронизации , первый выход которого подключен к первому входу блока управления , а второй выход подключен к второму входу блока коммутации, первый и второй выходы блока коммутации подключены к входам исполнительных элементов первого и второго зеркала соответственно, при этом одно (Л из зеркал соединено с приводом врас щения зеркала, выход которого связан с входом синхродатчика, выход синхродатчика подключен к входу преобразователя синхроимпульсов, первый выход преобразователя синхроимпульсов подключен к первому входу вычислио VI тельного устройства, а второй выход - к второму входу блока управления , выход которого подключен к входу СА) СЛ ib. привода вращения зеркала приемник выходного излучения, блок управления, вход которого соединен с выходом приемника излучения, а выход - с исполнительными механизмами перемещения и наклона зеркал резонатора Данное устройство обеспечивает автоматическую юстировку зеркал за

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s И 01 S 3/006

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 3401639/25 (22) 05,03А2 (46) 15.07.93. Бюл. Р 26 (71) Уфимский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (72) С.Т.Кусимоа, В.Ф.Смоленков, Ю.Г.Краснер, А.З.Тлявлин и В.БЯешегов (56) Патент СИА Р 3202110, кл. 331-94,4, опублик. 1966.

Патент СНА Р 3679140, 331-9".5, опублик. 1971, (54)(57) УСТРОИСТ80 ЮСТИРОВКИ ЗЕРКАЛ

РЕЗОНАТОРА ЛАЗЕРА, содержащее резонатор, образованный зеркалами, соединенными с исполнительными элементами, датчик положения оптической оси луча, вычислительное устройство, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности юстировки и повышения выходной мощности излучения, в устройство вверены отклоняющая система, фотоматрица, блок определения отклонения луча, блок синхронизации, блок коммутации, блок управления, синхродатчик, преобразователь синхроимпульсов, привод вращения зер.кала, при этом выход датчика положения оптической оси луча подключен

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании систем управления неустойчивыми резонаторами лазеров.

Известно устройство, содержащее резонатор, образованный зеркалами, „„SU „„104?354 А1 через фотоматрицу к sxopy блока определения отклонения луча, первый выход которого подсоединен к первому входу блока синхронизации, а второй выход — к второму входу вычислительного устройства, первый выход которого подключен к первому входу блока коммутации, а второй выход вычислительного устройства подключен к второму входу блока синхронизации, первый выход которого подключен к первому входу блока управления, а второй выход подключен к второму входу блока коммутации, первый и второй выходы блока коммутации подключены к входам исполнительных элементов первого и второго зеркала соответственно, при этом одно из зеркал соединено с приводом вращения зеркала, выход которого связан с входом синхродатчика, выход синхродатчика подключен к входу преобразователя синхроимпульсов, первый выход преобразователя синхроимпульсов подключен к первому входу вычислительного устройства, а второй выход - к второму входу блока управления, выход которого nopêëþ÷åí к входу привода вращения зеркала. приемник выходного излучения, блок управления, вход которого соединен с выходом приемника излучения, а выход - с исполнительными механизмами перемещения и наклона зеркал ре- зонатора.

Данное устройство обеспечивает автоматическую юстироаку зеркал за

1047354 счет юстировки по максимуму мощности выходного излучения, высокую точность и работает только в небольшом диапазоне угловых разъюстировок зеркал резонатора.

Недостатком данного устройства является то, что при углах разьюстировки, превышающих угловую зону ус-ойчивой генерации, процесс юстиров- 10 ки занимает много времени.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство автоматической юстировки зеркал оптического резонатора, содержащее резонатор, образованный зеркалами, соединенными с исполнительными элементами, датчик положения оптическо" оси луча и вычислительное устройство. 20

Основным недостатком такого устройства является низкая точность юстировки, так как юстировка зеркал производится по отношению к их взаимному расположению, т.е, не учиты- 25 вается расположение отъюстированной системы зеркал по отношению к геометрической оси резонатора, что ведет к уменьшению выходной мощности излучения лазера, ЗО

Целью изобретения является повышение точности юстировки и повышение выходной мощности излучения лазера.

Это достигается тем, что в устройство юстировки зеркал оптического резонатора лазера, содержащее резонатор, образованный зеркалами, соединенными с исполнительными элементами, датчик положения оптической оси луча и вычислительное устройство, дополнительно введены отклоняющая система, фотоматрица, блок определения отклонения луча, блок синхронизации, блок коммутации, блок управления, синхродатчик, преобразователь синхроимпульсов, привод вращения зеркала, при этом выход датчика положения оптической оси луча подключен через шотоматрицу к входу бло- ка определения отклонения луча, пер" вый выход которого подсоединен к первому входу блока синхронизации, а второй выход - к второму входу вычислительного устройства, первый выход которого подключен к первому вхоблока коммутации„ а второй. выход вычислительного устройства подключен к второму входу блока синхронизации, первый выход которого подключен к первому входу блока управления, а второй выход подключен к второму входу блока коммутации, первый и второй выходы блока коммутации подключены к входам исполнительных элементов первого и второго зеркала соответственно, при этом одно из зеркал соединено с приводом вращения зеркала, выход которого связан с входом синхродатчика, выход синхродатчика подключен к входу преобразователя синхроимпульсов, первый выход преобразователя синхроимпульсов подключен к первому входу вычислительного устройства, а второй выход — к второму входу блока управления, выход которого подключен к входу привода вращения зеркала.

На иг,,1 и 2 схематически показан процесс юстировки зеркал резонатора лазера; на фиг.3 " блок-схема устройства юстировки зеркал резонатора лазера.

Устройство юстировки зеркал резонатора лазера содержит резонатор 1, образованный зеркалами 2 и 3, отклоняющую систему 4, выполненную в виде одного полупрозрачного зеркала, систему 5 оптического сопряжения луча с датчиком положения оптической оси луча, датчик положения оптической оси луча-фотоматрицу б, выход которой подключен к входу блока 7 определения отклонения луча, первый выход которого подключен к первому входу блока синхронизации 8, а второй выход - к второму входу вычислительного устройства 9, первый выход которого соединен с первым входом блока коммутации 10, а второй выход вычислительногс устройства 9 подключен к второму входу блока синхронизации 8, первый выход которого соединен с первым входом блока управления 11, а второй выход - с вторым входом блока коммутации 10, первый и второй выходы которого подключены к входам исполнительных элементов 12 и 13 зеркал

2 и 3 соответственно, при этом зеркало 2 установлено с "возможностью вращения посредством привода вращения

14, выход которого связан с входом синхролатчика 15, выход синхродатчика 15 подключен к входу преобразователя синхроимпульсов 16, первый выход которого подключен к первому входу вычислительного устройства 9, а

354 (s) (6) 15 (6 = are tg

7 1047 врацения 14 зеркала 2, а вычислительное устройство 9 производит новый цикл вычислений формул (1), (2}, (3}, (4) .

Процесс юстировки зеркала 2 заканчивается при выполнении следующих условий: д макс

Вмакс + где Я вЂ” заданная точность системы, определяемая шагом фотоматрицы и конструкцией резонатора.

В этом случае с выхода 29 вычислительного устройства 9 поступает сигнал на вход 30 блока синхронизации 8. С выхода 20 блока синхронизации 8 поступает сигнал на вход 31 блока коммутации 10, переключающий блок коммутации 10 в такое положение, при котором выход 21 вычислительного устройства 9 оказывается соединенным с исполнительным элементом 13 зеркала 3. С выхода 18 блока синхронизации 8 поступает сигнал на вход 19 блока управления !1, отключающий привод вращения 14 зеркала 2, Одновременно вычислительное устройство 9 производит определение координат а; ячейки фотоматрицы 6, которой соответствует оптическая ось луча. Координаты этой ячейки характеризуют величину и знак разъюстиров- 35 ки зеркала 3. Сигнал, пропорциональный величине и знаку разъюстировки зеркала 3, поступает с выхода 21 вычислительного устройства 9 через блок коммутации 10 на вход исполнительно- 4О го элемента 13 зеркала 3, который переводит зеркало 3 в положение, соответствующее уменьшению величины

Ьа; и 6а

3-

Ьа; =а; -а,, (7) Да а -а (8) где а - координаты ячейки фотоматрицы, соответствующей положению луча, совпадающего с геометрической осью резонатора.

Процесс юстировки зеркала 3 заканчивается при выполнении следующих условий

Технико-экономическая эффективность от использования изобретения оценивалась по сравнению с базовым объектом, в качестве которого было выбрано устройство автоматической юстировки зеркал оптического резонатора. Выбор базового объекта основан полностью с предлагаемым устройством в отношении некоторых функциональных элементов. Вместе с теи,базовый объект обладает существенными недостатками, отсутствующими у предлагаемого устройства.

Юстировка зеркал базового объекта позволяет направить луч лазера в направлении геометрической оси резонатора. Однако в общем случае это может привести к уменьшению выходной мощности излучения лазера, так как зеркала будут отъюстированы относительно r руг друга, а не относительно геометрической оси резонатора. Точность юстирования, как максимизация выходной моцности излучения лазера, в этом случае будет низка.

Изобретение позволяет юстировать каждое из .зеркал по отношению к геометрической оси резонатора последовательно во времени, что исключает возможность их юстирования относительно друг друга. Таким образом, неопределенность в том, как отъюстированы зеркала (по отношению друг к другу или по отношению к геометрической оси резонатора), в этом случае отсутствует. Это позволяет максимально использовать выходную мощность лазера с одновременным совмещением оптической оси луча с геометрической осью резонатора.

Достоверность повышения точности можно подтвердить следующим расчетом. !

Учитывая, что основную погрешность в процесс юстирования предлагаемого устройства вносит шаг фотоматрицы и приняв расстояние от выходного зеркала до фотоматрицы равным 1, можно получить выражение для минимальной величины углового смещения оси лазерного луча d от геометрической оси резонатора, при которой происходит юстировка зеркал (см, фиг. 2) Ьа; (P

Да а (9) (10) для типовых значений =25 10 и и 1=1,5 и имеем

47354 где.1 пт1

- номер столбца; номер строки;

0(n

0

0<Р< 1 (3) (4) д,макс

5 10 второй выход преобразователя синхроимпульсов 16 подключен к второму 4 входу блока управления 11, выход которого подсоединен к входу привода вращения 14.

Устройство работает следующим образом.

При разъюстировке зеркал, например вследствие термического воздействия излучения, луч после частичного отражения в отклоняющей системе

4, выполненной в виде одного полупрозрачного зеркала, и последующего прохождения через систему 5 оптического сопряжения луча с датчиком положения оптической оси луча, попалает на фотоматрицу 6. Сигнал с фотоматрицы 6 поступает на вход блока

7 определения отклонения луча, с выхода которого сигнал, несущий информацию о разъюстировке зеркал, но без оценки ее величины поступает на вход 17 блока синхронизации 8, При этом с выхода 18 блока синхронизации

8 поступает сигнал на вход 19 блока управления 11, включающий привод spaщения 14 зеркала 2, а с выхода 20 блока синхронизации 8 поступает сигнал, по управляющему входу, переключающий блок коммутации 10 в такое положение, при котором выход 21 вычислительного устройства 9 оказывается соединенным с исполнительным элементом 12 зеркала 2. Величину разъюстировки зеркал резонатора лазера определяют по траектории движения пятна лазерного луча по плоскости фотоматрицы 6.

Процесс юстировки происходит следующим образом.

Сигналы с каждой ячейки фотоматрицы 6 считываются блоком 7 определения отклонения луча и с его выхода 22 поступают на вход 23 вычислительного устройства 9. В процессе вращения зеркала 2 траектория движения пятна луча будет проходить через множество пар. ячеек фотоматрицы, принадлежащих или одной и той же строке или одному и тому же столбцу, например ячейки а;;>k и а, ; q а; и а;,,е (см. фиг. 1). Вычислительное устройство 9 производит формирование двух массивов значений по следующим формулам а = aa;; „- aa...„, (1) 25

ЭО

4О

55 — целые числа, удовлетворяющие условиям:

m — число ячеек в столбце, равное числу ячеек в строке.

Затем вычислительное устройство 9 определяет максимальное значение

А „ и Вмакс величин, принадлежащих массивам (А и 1 В соответственно:

Е(В

При этом величина и знак выражения (3) несут информацию об величине и знаке разъюстировки зеркала 2 по оси а величина и знак выражения (4) несут информацию о величине и знаке разъюстировки зеркала 2 по оси Х.

В момент совершения зеркалом 2 полного оборота синхродатчик 15 hopмирует сигнал, который поступает на вход преобразователя синхроимпульсов l6. Сигнал с выхода 24 преобразователя синхроимпульсов 16 поступает на вход 25 вычислительного устройства

9. Сигнал с выхода 21 вычислительного устройства 9, несущий информацию о величине и знаке разъюстировки, через вход 26 блока коммутации 10 поступает на исполнительный элемент 12 зеркала 2. Одновременно с выхода 27 преобразователя синхроимпульсов 16 поступает сигнал на вход 20 блока управления 11, выключающий привод вращения 14 зеркала 2. Время действия запрещающего сигнала на выходе

24 преобразователя синхроимпульсов

16 определяется временем юстировки зеркала 2 сигналом с выхода 21 вычислительного устройства 9.

Исполнительный элемент переводит зеркало 2 в положение, соответствующее уменьшению величин А макс w Врокс 1 определяемых формулами (3) и (4). По окончании действия запрецающего сигнала на выходе преобразователя синхроимпульсов 16 включается привод

9 lg «10» о = are tg (------) = 0 000951

1,5

= 3,42

Полученная величина в 1,2-1,4 превосходит величину, полученную

10473Я 10 ответствующим образом для c :ì к".тировки только одного зеркала. Повы" кение точности на такую величину соответствует повышению мощности излучения яа 18-2И. аза 5 соl

1047354

- ФЬтжюиуг г

РОЛЮ ОЮфЪ/

О т лОРа

Составитель

Редактор Г,Берсенева Техред M.Moðãåíòàë Корректор А.Мотыль

Заказ 2Г34 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, _#_-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101