Лазер с оптико-механической модуляцией добротности



Лазер с оптико-механической модуляцией добротности
Лазер с оптико-механической модуляцией добротности

 


Владельцы патента RU 2584271:

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

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 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 оптико-механической модуляцией добротности, включающем корпус, активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно относительно корпуса, а второе имеет возможность вращения, введен по крайней мере один толкатель, основанием закрепленный на корпусе, а вершиной связанный со вторым зеркалом, эксцентрично к его оси вращения, причем толкатель выполнен в виде арки из токопроводящей нити, а также введены последовательно соединенные ключ и источник электропитания, подключенные к концам токопроводящей нити, 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.

Толкатель может быть выполнен в виде арки, имеющей форму равнобедренного треугольника, боковые стороны которого образованы токопроводящей нитью, а основанием является корпус.

Толкатель может быть выполнен в виде арки, имеющей форму дуги.

На фиг. 1 представлена схема лазера. Фиг. 2 иллюстрирует принцип его работы. На фиг. 2а) и 2б) показаны варианты формы толкателя.

Устройство (фиг. 1) состоит из резонатора, образованного неподвижным 1 и вращающимся 2 зеркалами, между которыми размещен активный элемент лазера 3. Вращающееся зеркало связано с толкателем 4, закрепленным на корпусе 5 и подключенным 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). При подключении источника электропитания 6 к токопроводящей нити 4 последняя нагревается под действием проходящего через нее тока и расширяется, создавая давление на вращающееся зеркало 2 и, тем самым, создавая на оси зеркала 2 вращающий момент М в направлении к рабочему положению. При этом добротность резонатора, образуемого зеркалами 1 и 2, недостаточна для возникновения лазерной генерации. Вращающееся зеркало 2 под действием этого момента поворачивается, и когда оно 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.

При размыкании ключа 7 ток прекращается, токопроводящая нить остывает и возвращается в исходное положение, увлекая за собой зеркало 2.

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~ma2/10,

где

а - сторона гипотенузной грани призмы;

m=ρ·а3/4 - масса призмы;

ρ - плотность материала призмы.

Угловое ускорение Ε призмы под действием вращающего момента М:

E=M/J,

Угловая скорость призмы

W=Ετ,

где τ - время после начала ее вращения.

Температурное приращение длины L токопроводящей нити

ΔL=αLΔT,

где α - коэффициент линейного расширения;

L - длина нити;

ΔT - перепад температуры.

Энергия, необходимая для нагрева токопроводящей нити,

ΕT=βmΤΔΤ,

где β - теплоемкость;

mTTVT - масса нити;

ρT - плотность материала нити;

VT - объем нити.

Номинальное усилие, создаваемое толкателем при расширении токопроводящей нити

PT=М/r,

где r - радиус крепления толкателя к зеркалу в точке С (фиг. 2).

Температурное удлинение Δh толкателя, необходимое для поворота вращающегося зеркала на угол φ в случае его треугольной формы (фиг. 2,б)

где L - длина токопроводящей нити;

ΔL - температурное приращение длины токопроводящей нити;

LB - расстояние между точками А и В крепления нити к корпусу (фиг. 2,б).

Из (1) следует, что при малой величине LB удлинение Δh~ΔL/2, а при L~LB удлинение , где δ=L-LB. При этом Δh>ΔL, что позволяет обеспечить заданную величину Δh при меньшем перепаде температуры или при меньшей длине токопроводящей нити. Однако при этом пропорционально возрастает продольное усилие на ветви СА и СВ нити при ее расширении.

При выполнении толкателя в форме дуги помимо его температурного расширения возможны поперечные упругие деформации токопроводящей нити, величина которых зависит от конфигурации арки и упругости нити. За счет таких деформаций смягчаются ускорения элементов конструкции, что снижает вероятность их выхода из строя.

Пример

ρ=2550 кг/м3; а=2·10-3 м.

m=ρа3/4=2550·8·10-9/4~5·10-6 кг.

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

Пусть М=4·10-5 Нм,

Е=М/J=4·10-5/2·10-12=2·107 рад/с2.

При τ=10-4 с.

W=Eτ=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 толкателя при радиусе r=2·10-3 м.

А=Er=2·107·2·10-3=4·104 м/с2.

Смещение точки С между исходным и рабочим положениями

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

При r=2 мм.

Номинальное усилие, создаваемое толкателем в точке: PT=LB/r=4·10-5/0,002=2·10-2 Н

φ=arctg(S/r)=arctg(0,2/2)~5,7°.

При условии Δh=ΔL, из (1) следует соотношение ,

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

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

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

Масса нити из нихрома mT=VTρT=2·10-7·7,94~16·10-7 кг.

Теплоемкость нихрома β=0,48 Дж/кгК при 25°С; 0,76 Дж/кгК при 800°С. В среднем для температуры 25+250=275°С теплоемкость β=0,57 Дж/кгК.

Энергия, необходимая для разогрева токопроводящей нити до заданной температуры

ET=βmTΔТ=0,57·16·10-7·555=0,5 мДж.

Характеристики источника питания

Потребляемая токопроводящей нитью мощность

РТ=ET/τ.

Для рассматриваемого примера

РТТ/τ=0, 5 мДж/0,1 мс=5 Вт.

Мощность, выделяемая в проводнике сопротивлением RT

РТ=IT2·RT

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

где ρR~1 мкОм·м - удельное сопротивление нихрома, LT=0,02 м - длина

токопроводящей нити; ST - поперечное сечение нити.

Потребляемый ток

IT=(РТ/RT)0,5=(2,5/2)0,5=1,1 А.

Напряжение источника

UTТ/IT=2,5/1,1~2,3 В.

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

При fизл=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 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. Арочная форма нити позволяет обеспечить достаточную жесткость конструкции при малых габаритах устройства.

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. М.: изд. «Советское радио», 1971 г., стр. 196.

2. «Справочник по лазерной технике». Под ред. Ю.В. Байбородина, Л.З. Криксунова, О.Н. Литвиненко. Киев, изд. «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/rus/lab/mech/opis7/i2.htm).

1. Лазер с оптико-механической модуляцией добротности, включающий корпус, активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно относительно корпуса, а второе имеет возможность вращения, отличающийся тем, что введен по крайней мере один толкатель, основанием закрепленный на корпусе, а вершиной связанный со вторым зеркалом, эксцентрично к его оси вращения, причем толкатель выполнен в виде арки из токопроводящей нити, а также введены последовательно соединенные ключ и источник электропитания, подключенные к концам токопроводящей нити, 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,
M - вращающий момент, создаваемый на оси вращения второго зеркала толкателем при температурном расширении токопроводящей нити под действием тока, протекающего от источника электропитания.

2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что толкатель выполнен в виде арки, имеющей форму равнобедренного треугольника, боковые стороны которого образованы токопроводящей нитью, а основанием является корпус.

3. Лазер по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что толкатель выполнен в виде арки, имеющей форму дуги.



 

Похожие патенты:

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.

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.

Изобретение относится к лазерной технике. Импульсный лазер с оптико-механическим затвором включает корпус, активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал.

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.

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.

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