Лазер с модулированной добротностью

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 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. Кроме того, известный лазер с модулированной добротностью не обеспечивает точной временной привязки лазерного импульса вследствие того, что разгон двигателя занимает значительное время и момент максимальной добротности резонатора имеет произвольное временное положение.

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, включающем 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, 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.

На фиг. 1 представлена схема лазера. Фиг. 2 демонстрирует принцип его работы.

Устройство (фиг. 1) состоит из резонатора, образованного неподвижным 1 и вращающимся 2 зеркалами, между которыми размещен активный элемент лазера 3. Вращающееся зеркало соосно связано с пружиной кручения 4 и зафиксировано в исходном положении под углом φ к рабочему положению натянутой между зеркалом и корпусом токопроводящей нитью 5, подключенной своими концами к источнику электропитания 6 через ключ 7.

Лазер работает следующим образом.

В исходном состоянии вращающееся зеркало 2 расположено под углом φ к неподвижному зеркалу 1 (фиг. 2). Пружина кручения 4 создает на оси зеркала 2 вращающий момент М в направлении к рабочему положению, которому противодействует натянутая токопроводящая нить 5. При этом добротность резонатора, образуемого зеркалами 1 и 2, недостаточна для возникновения лазерной генерации. При замыкании ключа 7 через токопроводящую нить 5 начинает протекать ток, вызывающий нагревание нити. Вследствие температурного расширения нити она перестает противодействовать вращающему усилию пружины кручения 4, которая приводит во вращение зеркало 2. Когда вращающееся зеркало 2 становится параллельным неподвижному зеркалу 1, 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.

Объем токопроводящей нити должен быть минимальным для ее быстрого разогревания и снижения энергозатрат. С этой целью при заданной длине она должна иметь минимальное поперечное сечение, достаточное для обеспечения прочности устройства в процессе эксплуатации.

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

Момент инерции вращения призмы J ~ mа²/10,

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:

E=M/J.

Угловая скорость призмы W=Еτ, где τ - время после начала ее вращения.

Температурное приращение длины токопроводящей нити S=αLΔT,

где α - коэффициент линейного расширения;

ΔT - перепад температуры.

Энергия, необходимая для нагрева токопроводящей нити, Е_T=βmΔТ,

где β - теплоемкость;

m=ρ_TV_T - масса нити;

ρ_T - плотность материала нити;

V_T - объем нити.

Номинальное усилие, действующее на нить в исходном положении,

Р_T=M/r, где r - радиус крепления нити к зеркалу (фиг. 2).

Прочность нити на разрыв Р_y=q_y·S_y, где q_y - удельная разрывная нагрузка, для нихрома q_y=700 Нмм²; S_y - площадь поперечного сечения нити.

Пример

ρ=2550 кг/м³; a=2·10^-3 м;

m=ра³/4=2550·8·10-⁹/4~5·10^-6 кг;

J ~ ma²/10=5·10^-6·4·10^-6/10~2·10^-12 кгм^{2 .}

Пусть M=4·10^-5 Нм;

Е=М/J=4·10^-5/2·10^-12=2·10⁷ рад/с².

При τ=10^-4 с.

W=Еτ=2·10⁷·10^-4=2·10³ рад/с.

Эквивалентная частота вращения в момент максимальной добротности резонатора

w=W/2π~320 об/с ~ 20000 об/мин.

Линейное ускорение точки крепления токопроводящей нити при радиусе r=2·10^-3

А=Er=2·10⁷·2·10^-3=4·10⁴ м/с².

Удлинение токопроводящей нити между исходным и рабочим положениями

S=Аτ²/2=4·10⁴·10^-8/2=2·10^-4 м = 0,2 мм.

При r=2 мм.

Номинальное усилие, действующее на нить Р_T=M/r=4·10^-5/0,002=2·10^-2 Н.

Прочность нити из нихрома на разрыв P_y=q_y·S_y=700·10^-2=7 Н.

φ=arctg(S/r)=arctg(0,2/2)~5,7°.

α=18·10^-6 1/град (нить из нихрома); L=20 мм; S=0,2 мм.

ΔT=S/αL=0,2/(18·10^-6·20)=10000/18~555°.

Габариты токопроводящей нити 0,1×0,1×20 мм. Объем V_T=2·10^-1 мм³ = 2·10^-7 дм³.

Масса нити из нихрома m_T=V_Tρ_T=2·10^-7·7,94~16·10^-7 кг.

Теплоемкость нихрома 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.

Энергия, необходимая для разогрева токопроводящей нити до заданной температуры

Е_T=βm_TΔТ=0,57·16·10^-7·555=0,5 мДж.

Характеристики источника питания.

Потребляемая токопроводящей нитью мощность

P_T=E_T/τ.

Для рассматриваемого примера

P_T=E_T/τ =0,5 мДж/0,1 мс = 5 Вт.

Мощность, выделяемая в проводнике сопротивлением R_T

$$P_T=I_T^2\cdot R_T$$ .

Сопротивление R_T=ρ_RL_T/S_T~10^-6·2·10^-2/(0,1·0,1)·10^-6=2 Ом,

где ρ_R~1 мкОм·м - удельное сопротивление нихрома, L_T=0,02 м - длина токопроводящей нити; S_T - поперечное сечение нити.

Потребляемый ток

I_T=(Р_T/R_T)^0,5=(5/2)^0,5=1,6 А.

Напряжение источника

U_T=Р_T/I_T=5/1,6~3,1 В.

Средняя потребляемая мощность Р_ср=Е_T·f_изл, где f_изл - частота излучений лазера.

При f_изл=1 с^-1 средняя потребляемая мощность составляет 5 мВт.

Согласно приведенным результатам предлагаемый лазер с модулированной добротностью обладает минимальными габаритами механических составных частей и минимальной потребляемой мощностью. Простота и низкое энергопотребление устройства обеспечивают его высокую надежность. По этим параметрам, а также по быстродействию 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 снижение электрических и магнитных помех и наводок при минимальных габаритах лазера.

Кроме того, предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности временной привязки лазерного импульса к моменту формирования синхронизирующего сигнала.

Источники информации

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

2. «Справочник по лазерной технике». Под ред. Ю.В. Байбородина, Л.З. Криксунова, О.Н. Литвиненко. Киев: Изд-во «Техника», 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).

Лазер с модулированной добротностью, включающий 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, отличающийся тем, что 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.