Лазер с модулированной добротностью резонатора



Лазер с модулированной добротностью резонатора
Лазер с модулированной добротностью резонатора
Лазер с модулированной добротностью резонатора
Лазер с модулированной добротностью резонатора

 


Владельцы патента RU 2579548:

Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер с модулированной добротностью резонатора включает активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно, а второе снабжено приводом и имеет возможность вращения таким образом, чтобы в рабочем положении зеркала были параллельны. Вращающееся зеркало в исходном положении развернуто относительно рабочего положения на угол φ, привод представляет собой токопроводящий стержень, один конец которого закреплен на неподвижном основании, а второй имеет возможность продольного перемещения и эксцентрично опирается на вращающееся зеркало так, чтобы при продольном перемещении подвижного конца стержня зеркало могло вращаться, перемещаясь до рабочего положения, причем токопроводящий стержень подключен своими концами через ключ к источнику электропитания, а угол где W0 - заданная угловая скорость вращающегося зеркала в момент наивысшей добротности резонатора, J - момент инерции вращения зеркала, М - вращающий момент, создаваемый приводом. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения надежности и быстродействия лазера. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к технике лазеров, а именно к лазерам с модуляцией добротности лазерного резонатора изменением положения одного из его зеркал.

Известны лазеры для формирования гигантских лазерных импульсов [1] путем включения добротности лазерного резонатора с помощью модуляторов добротности (затворов). Все они имеют те или иные недостатки - большую себестоимость, высокие управляющие напряжения, недостаточную надежность и эксплуатационную стойкость.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является лазер с резонатором, состоящим из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно, а второе снабжено приводом и имеет возможность вращения таким образом, чтобы в одном из положений вращающееся и неподвижное зеркала резонатора становились параллельными [2]. В этом положении зеркал обеспечивается высокая добротность резонатора, достаточная для развития лазерной генерации. Скорость вращения зеркала в момент высокой добротности резонатора должна быть достаточной для возникновения лавинообразной генерации гигантского импульса. Оптимальная скорость вращения зеркала для разных типов лазеров составляет 10-20 тыс. об/мин. В качестве вращающегося зеркала обычно используют призму полного внутреннего отражения, обладающую высокими отражательными характеристиками и некритичную к наклонам оси вращения. В известном устройстве [2] приводом призмы является высокооборотный электродвигатель. Недостатки этого решения - относительно высокие габариты и недостаточная надежность существующих двигателей, а также создаваемые ими электрические и магнитные помехи. Последнее особенно недопустимо при наличии в составе системы, включающей лазер, чувствительных к таким помехам устройств, например электронного компаса.

Задачей изобретения является повышение надежности и быстродействия и снижение электрических и магнитных помех и наводок при минимальных габаритах и минимальной себестоимости лазера.

Эта задача решается за счет того, что в известном лазере с модулированной добротностью резонатора, включающем активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно, а второе снабжено приводом и имеет возможность вращения таким образом, чтобы в рабочем положении зеркала были параллельны, вращающееся зеркало в исходном положении развернуто относительно рабочего положения на угол φ, привод представляет собой токопроводящий стержень, один конец которого закреплен на неподвижном основании, а второй имеет возможность продольного перемещения и эксцентрично опирается на вращающееся зеркало так, чтобы при продольном перемещении подвижного конца стержня зеркало могло вращаться, перемещаясь до рабочего положения, причем токопроводящий стержень подключен своими концами через ключ к источнику электропитания, а угол , где

W0 - заданная угловая скорость вращающегося зеркала в момент наивысшей добротностим резонатора,

J - момент инерции вращения зеркала,

М - вращающий момент, создаваемый приводом.

Токопроводящий стержень может быть снабжен ограничителем поперечных деформаций.

На фиг. 1 представлена схема лазера. Фиг. 2 поясняет принцип действия устройства. На фиг. 3 показан вариант компоновки привода с ограничителем боковых деформаций. На фиг. 4 изображен вариант с несколькими проводниками, скрепленными вместе и соединенными последовательно по току. На фиг. 5 представлена конфигурация устройства с вращающимся зеркалом в виде призмы полного внутреннего отражения.

Устройство (фиг. 1) состоит из резонатора, образованного подвижным 1 и вращающимся 2 зеркалами, между которыми размещен активный элемент лазера 3. Вращающееся зеркало снабжено приводом 4, связанным с источником электропитания 5 через ключ 6. Привод 4 выполнен в виде токопроводящего стержня (фиг. 2) опертого одним концом в неподвижное основание, а другим во вращающееся зеркало 2. Концы стержня подключены к источнику питания 5 через ключ 6. Для фиксации стержня в исходном положении служит упор 7, а для возврата в исходное положение - пружина 8.

Лазер работает следующим образом.

В исходном состоянии вращающееся зеркало 2 расположено под углом φ к неподвижному зеркалу 1. При этом добротность резонатора, образуемого этими зеркалами, недостаточна для возникновения лазерной генерации. При замыкании ключа 6 через токопроводящий стержень 4 начинает протекать ток, вызывающий нагревание стержня. Вследствие температурного расширения стержня его незакрепленный конец давит на зеркало 2, вызывая его вращение. Когда приводимое таким образом во вращение зеркало становится параллельным неподвижному зеркалу, добротность резонатора возрастает до уровня, достаточного для возникновения генерации гигантского лазерного импульса. Скорость возрастания добротности резонатора должна быть соизмерима со скоростью развития генерации, известной для каждого типа лазеров. Это налагает соответствующие требования к скорости W вращения зеркала 2, которая в положении высокой добротности должна быть порядка 500-2000 рад/сек.

Токопроводящий стержень может иметь круглое или прямоугольное сечение - для обеспечения жесткости в одном из поперечных направлений. С целью повышения жесткости можно также использовать несколько проводников с механически скрепленными с помощью обоймы 11 концами (фиг. 4). В последнем случае, как показано на чертеже, целесообразно соединять проводники последовательно по току. При этом растет электрическое сопротивление токопроводящего стержня и повышается коэффициент полезного действия источника питания.

Объем токопроводящего стержня должен быть минимальным для его быстрого разогрева и снижения энергозатрат. С этой целью при заданной длине он должен иметь минимальное поперечное сечение. Для обеспечения его жесткости в поперечном направлении могут быть введены ограничители боковых деформаций. Это позволяет увеличить усилие, создаваемое стержнем в продольном направлении. На фиг. 2 показан вариант такой конструкции. Токопроводящий ленточный стержень 4 левым концом закреплен на корпусе лазера 9 и может свободно перемещаться при тепловом расширении. С противоположной от корпуса стороны установлен ограничитель 10. Зазор Δ, в котором перемещается стержень, не позволяет ему изгибаться в поперечном направлении, тем самым обеспечивая его способность выдерживать заданные нагрузки в продольном направлении. Например, при длине токопроводящего стержня L0=20 мм, ширине зазора Δ=0,05 мм и рабочем усилии F=0,1 Н максимальное поперечное усилие не превышает величины 2FΔ/L0=2·0,1·0,05/20=0,0005 Н, что допустимо для опертого на два конца нихромового стержня при его толщине 0,1 мм и ширине 0,1 мм и более.

Если вращающееся зеркало выполнено в виде призмы полного внутреннего отражения с равными сторонами ее гипотенузной грани (фиг. 5), то справедливы следующие расчетные соотношения [3].

Момент инерции вращения призмы J=Jx~ma2/10, где

а - сторона гипотенузной грани призмы;

m=ρ·а3/4 - масса призмы;

ρ - плотность материала призмы.

Угловое ускорение Е призмы под действием вращающего момента М=Fr:

E=M/J,

где F - сила; r - плечо (фиг. 2).

Линейное ускорение точки приложения силы A=Er.

Угловая скорость W=Eτ призмы через время τ после начала воздействия силы F.

Линейное перемещение S=Аτ2/2 точки приложения силы F, оказываемой токопроводящим стержнем при его температурном расширении.

Угловое перемещение φ=arctg(S/r) точки приложения силы F.

Температурное приращение длины токопроводящего стержня S=αLΔT (фиг. 3).

где α - коэффициент линейного расширения;

ΔT - перепад температуры.

Энергия ET=βmTΔT, необходимая для нагрева токопроводящего стержня.

где β - теплоемкость;

mTTVT - масса стержня;

ρT - плотность материала стержня;

VT - объем стержня.

Пример.

ρ=2550 кг/м3; а=2·10-3 м.

m=ρа3/4=2550·8·10-9/4~5·10-6 кг.

Jx~ma2/10=5·10-6·4·10-6/10~2·10-12 кгм2.

Пусть F=0,02 Н; r=2·10-3 м.

Тогда М=4·10-5 Нм.

Е=4·10-5/2·10-12=2·107 рад/с2.

Линейное ускорение точки приложения силы А=Er=2·107·2·10-3=4·104 м/с2.

При τ=10-4 с.

W=Еτ=2·107·10-4=2·103 рад/с.

Эквивалентная частота вращения w=W/6,28~320 об/с ~ 20000 об/мин.

А=4·104 м/с2; τ=10-4 с.

S=2·104·10-8/2=10-4 м = 0,1 мм.

При r=2 мм.

φ=arctg(S/r)=arctg(0,1/2)~2,9°.

α=18·10-6 1/град (стержень из нихрома); L=10 мм; ΔL=0,1 мм.

ΔT=ΔL/αL=0,1/(18·10-6·10)=10000/18~555°.

Пусть габариты токопроводящего стержня 0,01×0,01×1 см. Объем VT=10-4 см3.

У нихрома ρT=7,94 г/см3; β=0,48 Дж/кгК при 25°C; 0,76 Дж/кгК при 800°C. В среднем для температуры 25+250=275°C теплоемкость β=0,57 Дж/кгК. Масса стержня

mTT·VT=7,94·10-4=8·10-4 г = 8·10-7 кг.

Ет=βmTΔT=0,57·8·10-7·555=0,25 мДж.

Характеристики источника питания.

Потребляемая токопроводящим стержнем мощность

РTT/τ.

Для рассматриваемого примера

РTT/τ=0,25 мДж/0,1 мс = 2,5 Вт.

Мощность, выделяемая в проводнике сопротивлением RT

P T = I T 2 R T

Сопротивление RTRLT/ST~10-6·10-2/(0,1·0,1)·10-6=1 Ом,

где ρR~1 мкОм·м - удельное сопротивление нихрома, LT=0,01 м - длина токопроводящего стержня; St - поперечное сечение стержня.

Потребляемый ток

IТ=(РT/RT)0,5=(2,5/1)0,5=1,6 А.

Напряжение источника

UTT/IT=2,5/1,6~1,6 В.

Средняя потребляемая мощность РсрT·fизл, где fизл - частота излучений лазера.

При fизл=1 с-1 средняя потребляемая мощность составляет 2,5 мВт.

Согласно приведенным результатам, предлагаемый лазер с модулированной добротностью обладает минимальными габаритами механических составных частей и минимальной потребляемой мощностью при максимальном быстродействии: время разгона вращающегося зеркала составляет 0,1 мс и менее, тогда как ближайший аналог [2] имеет время разгона не менее 30 мс. Простота и низкое энергопотребление устройства обеспечивают его высокую надежность. По этим параметрам предлагаемый лазер превосходит ближайший и другие известные аналоги. Низкое напряжение питания и отсутствие трущихся контактов и магнитных элементов обеспечивают минимальный уровень паразитных электрических воздействий на другие элементы лазера и комплексной системы с ним.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает решение поставленной задачи, а именно повышение надежности и быстродействия и снижение электрических и магнитных помех и наводок при минимальных габаритах и минимальной себестоимости лазера.

Источники информации

1. В.А. Волохатюк и др. Вопросы оптической локации. Под ред. P.P. Красовского. Изд. «Советское радио», М., 1971 г., стр. 196.

2. «Справочник по лазерной технике». Под ред. Ю.В. Байбородина, Л.З. Криксунова, О.Н. Литвиненко. Изд. «Техника», Киев, 1978 г., стр. 152-154. - Прототип.

3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.1. Механика. 3-е изд. М.: Наука, 1989, §53 (http://genphys.phys.msu.ru/ras/lab/mech/opis7/i2.htm).

1. Лазер с модулированной добротностью резонатора, включающий активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно, а второе снабжено приводом и имеет возможность вращения таким образом, чтобы в рабочем положении зеркала были параллельны, отличающийся тем, что вращающееся зеркало в исходном положении развернуто относительно рабочего положения на угол φ, привод представляет собой токопроводящий стержень, один конец которого закреплен на неподвижном основании, а второй имеет возможность продольного перемещения и эксцентрично опирается на вращающееся зеркало так, чтобы при продольном перемещении подвижного конца стержня зеркало могло вращаться, перемещаясь до рабочего положения, причем токопроводящий стержень подключен своими концами через ключ к источнику электропитания, а угол где
W0 - заданная угловая скорость вращающегося зеркала в момент наивысшей добротности резонатора,
J - момент инерции вращения зеркала,
М - вращающий момент, создаваемый приводом.

2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что токопроводящий стержень снабжен ограничителем поперечных деформаций.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер с оптико-механическим затвором включает корпус, активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно относительно корпуса, а второе снабжено приводом и имеет возможность вращения таким образом, чтобы в рабочем положении зеркала были параллельны. Вращающееся зеркало в исходном положении развернуто относительно рабочего положения на угол φ. Привод представляет собой гибкий стержень с электрозависимой кривизной, один конец которого закреплен на корпусе, а второй эксцентрично закреплен на вращающемся зеркале так, чтобы ось стержня, соединяющая его концы, была ориентирована в направлении точки сопряжения второго конца стержня с вращающимся зеркалом от ее исходного положения к рабочему, причем стержень подключен своими электрическими контактами через ключ к источнику электропитания, а угол , где W0 - заданная угловая скорость вращающегося зеркала в момент наивысшей добротности резонатора, J - момент инерции вращения зеркала, M - вращающий момент, создаваемый гибким стержнем на вращающемся зеркале при замкнутом положении ключа. Технический результат изобретения заключается в повышении надежности лазера. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Импульсный лазер с оптико-механическим затвором включает корпус, активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал. Одно из зеркал закреплено неподвижно относительно корпуса, второе снабжено приводом и имеет возможность вращения таким образом, чтобы в рабочем положении зеркала были параллельны. Вращающееся зеркало в исходном положении развернуто относительно рабочего положения на угол φ, привод представляет собой гибкий стержень с электрозависимой кривизной, один конец которого закреплен на корпусе, второй имеет возможность перемещения. Гибкий стержень поверхностью связан с вращающимся зеркалом так, чтобы при поперечной деформации стержня зеркало могло вращаться, перемещаясь до рабочего положения. Стержень подключен своими электрическими контактами через ключ к источнику электропитания, а угол , где W0 - заданная угловая скорость вращающегося зеркала в момент наивысшей добротности резонатора, J - момент инерции вращения зеркала, M - вращающий момент, создаваемый гибким стержнем на вращающемся зеркале при замкнутом положении ключа. Технический результат заключается в повышении надежности и быстродействия лазера. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер с модулированной добротностью включает корпус, активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно относительно корпуса, а второе имеет возможность вращения таким образом, чтобы в рабочем положении зеркала были параллельны. В лазер введена пружина кручения, связанная одним концом с корпусом, а вторым концом с осью второго зеркала так, что ось кручения пружины сопряжена с осью вращения зеркала. Между вторым зеркалом и корпусом введена токопроводящая нить, в натянутом состоянии фиксирующая второе зеркало относительно корпуса в исходном положении под углом φ к рабочему положению. Кроме того, введены последовательно соединенные ключ и источник электропитания, подключенные к концам токопроводящей нити, причем угол, где W0 - заданная угловая скорость второго зеркала в его рабочем положении, J - суммарный момент инерции вращения второго зеркала и пружины, М - вращающий момент, создаваемый пружиной на втором зеркале между его исходным и рабочим положениями. Технический результат изобретения заключается в повышении надежности и быстродействия, а также в снижении электрических и магнитных помех и наводок при минимальных габаритах лазера. 2 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер с модуляцией добротности включает корпус, активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно относительно корпуса, а второе имеет возможность вращения. Соосно со вторым зеркалом введена токопроводящая пружина кручения, одним концом закрепленная на корпусе, а вторым концом связанная с осью второго зеркала. Также введены последовательно соединенные ключ и источник электропитания, подключенные к концам пружины, причем второе зеркало установлено в исходном положении под углом φ к рабочему положению, в котором зеркала параллельны, а угол, где W0 - заданная угловая скорость второго зеркала в его рабочем положении, J - суммарный момент инерции вращения второго зеркала и пружины кручения, M - вращающий момент, создаваемый на оси вращения второго зеркала пружиной кручения при ее тепловом расширении под действием тока, протекающего от источника электропитания. Технический результат заключается в повышении надежности и быстродействия, а также в снижении электрических и магнитных помех и наводок при минимальных габаритах лазера. 2 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер с оптико-механической модуляцией добротности включает корпус, активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно относительно корпуса, а второе имеет возможность вращения. В лазере имеется толкатель, основанием закрепленный на корпусе, а вершиной связанный со вторым зеркалом, эксцентрично к его оси вращения. Толкатель выполнен в виде арки из токопроводящей нити. К концам токопроводящей нити подключены ключ и источник электропитания. Второе зеркало установлено в исходном положении под углом φ к рабочему положению, в котором зеркала параллельны, а угол, где W0 - заданная угловая скорость второго зеркала в его рабочем положении, J - момент инерции вращения второго зеркала, М - вращающий момент, создаваемый на оси вращения второго зеркала толкателем при температурном расширении токопроводящей нити под действием тока, протекающего от источника электропитания. Технический результат заключается в повышении надежности и быстродействия, а также снижении электрических и магнитных помех и наводок при минимальных габаритах лазера. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Импульсный лазер с модулированной добротностью включает активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно, а второе снабжено приводом и имеет возможность вращения таким образом, чтобы в рабочем положении зеркала были параллельны. В лазер введены упругий элемент и две растяжки. Первая растяжка натянута между вторым зеркалом и корпусом, противодействуя упругому элементу, установленному между вторым зеркалом и корпусом, а вторая натянута между средней частью первой растяжки и корпусом так, чтобы в начальном положении второго зеркала выполнялось условие где φ - угол между начальным и рабочим положениями второго зеркала, W0 - заданная угловая скорость второго зеркала в его рабочем положении, J - суммарный момент инерции вращения второго зеркала и упругого элемента, М - вращающий момент, создаваемый на втором зеркале упругим элементом. Вторая растяжка выполнена из токопроводящего материала. Также в лазер введены последовательно соединенные ключ и источник электропитания, подключенные к концам второй растяжки, причем длина первой растяжки и второй растяжки при замкнутом ключе достаточна для свободного вращения второго зеркала в его рабочем положении. Технический результат заключается в повышении надежности и быстродействия лазера. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Импульсный лазер с модулированной добротностью включает активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно, а второе снабжено приводом и имеет возможность вращения таким образом, чтобы в рабочем положении зеркала были параллельны. В лазер введены упругий элемент и растяжка, которыми второе зеркало зафиксировано относительно корпуса в исходном положении под углом φ к рабочему положению. Растяжка представляет собой токопроводящую нить, а упругий элемент установлен так, чтобы в исходном положении растяжка была натянута, противодействуя вращающему моменту М, создаваемому на втором зеркале упругим элементом. Также введены последовательно соединенные ключ и источник электропитания, подключенные к концам токопроводящей нити, причем угол где W0 - заданная угловая скорость второго зеркала в его рабочем положении, J - суммарный момент инерции вращения второго зеркала и упругого элемента, М - вращающий момент, создаваемый на втором зеркале упругим элементом. Технический результат изобретения заключается в повышении надежности и быстродействия лазера. 3 ил.
Наверх