Способ управления твердотельным лазером с пассивной модуляцией добротности

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ Дата публикации и выдачи патента СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫМ ЛАЗЕРОМ С ПАССИВНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ДОБРОТНОСТИ Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к способам и устройствам управления параметрами лазерного излучения, и может найти применение при разработке лазеров для медицины, мониторинга атмосферы, в дальнометрии, волоконных системах передачи информации и научных исследованиях. Задачей изобретения является управление, т.е. стабилизация выходных параметров излучения, а именно числа генерирующих импульсов в группе, частоты следования групп твердотельного лазера с диодной накачкой с одновременной компенсацией или минимизацией влияния на их параметры изменений условий внешней среды(температуры, давления) без термостабилизации. Способ управления выходными параметрами твердотельного лазера с пассивным затвором включает в себя контроль выходных параметров излучения при помощи фотоприемного устройства и регулировку амплитуды и длительности импульса тока накачки. При фиксированной длительности тока накачки начинают постепенное увеличение амплитуды тока накачки до выхода лазера в заданный режим, фиксируют данное значение амплитуды тока накачки, а затем при фиксированном токе накачки при изменении заданных выходных параметров лазерного излучения производят регулировку длительности импульса тока накачки до выхода лазера в заданный режим или при фиксированном значении тока накачки осуществляют регулировку амплитуды тока накачки.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ИМЕНИ Б.И. СТЕПАНОВА НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ" (BY) 015641 Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к способам и устройствам управления параметрами лазерного излучения, и может найти применение при разработке лазеров для медицины, мониторинга атмосферы, в дальнометрии, волоконных системах передачи информации и научных исследованиях. Для получения моноимпульсов излучения высокой мощности твердотельных лазеров с диодной накачкой применяются активные и пассивные затворы. Действие активных затворов, как правило, основывается на использовании электрооптического эффекта. Однако активные электрооптические затворы требуют для своей работы высоких управляющих напряжений на электрооптическом элементе и имеют относительно большие геометрические размеры, что усложняет систему управления лазером и не позволяет сделать его достаточно компактным. Действие пассивного оптического затвора основано на способности материалов изменять свои оптические свойства под влиянием падающего на них света. Пассивные твердотельные оптические затворы имеют небольшие размеры и работают без управляющих напряжений. Управление твердотельным лазером с диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности осуществляется посредством регулировки величины и длительности импульса тока накачки. Известен способ управления лазером с ламповой накачкой, состоящим из твердотельного активного элемента и пассивного затвора, помещенных в резонатор [1]. Резонатор образован зеркалами, одно из которых полностью, а другое частично отражает лазерное излучение. Вне резонатора на определенном расстоянии от пассивного затвора расположен лазерный диод, длина волны излучения которого совпадает с полосой поглощения пассивного затвора. Для передачи излучения лазерного диода в пассивный затвор используется фокусирующая система. В известном способе использование дополнительной подсветки позволяет производить управление временем просветления пассивного затвора, а следовательно,и выходными характеристиками самого лазера. Регулировка амплитуды и частоты излучения лазерного диода дает возможность управлять соответствующими параметрами выходного излучения лазера при определенном согласовании всех характеристик системы. Недостатками данного способа являются сложная система согласования характеристик лазера и лазерного диода, сложность конструкции, зависимость от внешних условий (температура, давление и т.п.). Ближайшим техническим решением к предлагаемому изобретению является способ управления лазером с системой продольной диодной накачки [2]. Накачка осуществляется через "глухое" зеркало лазера, прозрачное на длине волны накачки и полностью отражающее на длине волны генерации, излучением квазинепрерывного лазерного диода или диодной матрицы с волоконным выводом излучения. Излучение накачки вводится посредством оптической системы, состоящей из фокусатора либо оптоволокна с фокусатором. На определенном расстоянии от резонатора лазера расположен фотодиод, фиксирующий появление одиночных лазерных импульсов. Управление параметрами выходного излучения лазера согласно известному способу осуществляется следующим образом. При помощи фотодиода фиксируют выходные импульсы лазера, сигнал подается на схему управления, которая в соответствии с заданным алгоритмом обеспечивает необходимый режим питания блока накачки лазера. При изменении внешних условий блоком управления изменяют параметры импульса накачки лазерных диодов с целью выхода лазерного устройства на заданный режим. Недостатками данного способа является необходимость термостабилизации блока накачки лазера, связанная с особенностями накачки в продольной схеме, способность обеспечивать заданный режим работы в небольшом диапазоне температур. Задачей изобретения является управление, т.е. стабилизация выходных параметров излучения, а именно числа генерирующих импульсов в группе, частоты следования групп твердотельного лазера с диодной накачкой с одновременной компенсацией или минимизацией влияния на их параметры изменений условий внешней среды (температуры, давления) без термостабилизации. Поставленная задача решается следующим образом. В способе управления твердотельным лазером с пассивной модуляцией добротности, включающем контроль выходных параметров излучения при помощи фотоприемного устройства, регулировку амплитуды и длительности импульса тока накачки, согласно изобретению фиксируют определенную длительность тока накачки, затем начинают постепенное увеличение амплитуды тока накачки до момента регистрации лазерного импульса (выхода лазера в заданный режим), фиксируют данное значение амплитуды тока накачки, а затем при фиксированном токе при изменении заданных выходных параметров лазерного излучения вследствие изменения внешних условий (температуры, давления и т.д.) производят регулировку длительности импульса тока накачки до выхода лазера в заданный режим. При достижении предельной рабочей длительности импульса тока накачки повторяют последовательность операций. При достижении предельного рабочего значения тока накачки при начальной фиксированной длительности и отсутствии импульса генерации осуществляют регулировку длительности импульса тока накачки. При одновременном достижении предельного рабочего значения тока накачки и предельного рабочего значения длительности тока накачки производят отключение устройства. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема устройства для управления выходными параметрами лазерного излучения;-1 015641 на фиг. 2 - зависимость амплитуды тока накачки от времени; на фиг. 3 - зависимость амплитуды тока накачки от длительности с условной иллюстрацией импульса генерации. Способ управления твердотельным лазером с пассивной модуляцией добротности в режиме генерации одиночного импульса согласно изобретению осуществляется следующим образом. Необходимый (в т.ч. и частотный) режим работы лазера 1 (фиг. 1) задается на блоке управления 2. На расстоянии, достаточном для четкой регистрации выходных лазерных импульсов, устанавливается фотоприемное устройство 3. Блок управления подключен к блоку питания 4 лазерных диодных модулей 5. В качестве лазерных диодных модулей могут выступать любые полупроводниковые излучающие приборы, включая лазерные диоды, лазерные диодные линейки, наборные матрицы лазерных диодных линеек, светодиоды и др. При включении лазера на лазерные диодные модули подается импульс тока длительностью 0, определенной для каждого типа лазера, с постепенным увеличением амплитуды тока I(фиг. 2). При определенном значении тока I=I0 в некоторый момент времени t0 фотоприемное устройство зарегистрирует появление одиночного импульса (фиг. 3). С этого момента при фиксированной амплитуде тока I0 управление осуществляют длительностью импульса тока накачки. В рассматриваемом случае режима генерации одиночных импульсов в лазере с пассивной модуляцией добротности при изменении внешних условий (температуры, давления) возможно в общем случае либо появление второго импульса генерации, следующего за первым, либо исчезновение импульса. Появление второго импульса исключают благодаря контролю при помощи фотоприемного устройства. При фиксации одиночного импульса генерации фотоприемным устройством происходит выключение импульса тока накачки. В случае отсутствия импульса генерации при амплитуде I0 и длительности 0 тока накачки, накачка не прекращается вплоть до значения длительности, достаточной для появления импульса генерации (т.е. выхода лазера в необходимый режим работы), либо до достижения некоторой предельной величины длительности импульса тока пред, величина которой определяется параметрами блока накачки и лазерных диодных модулей. При достижении предельной длительности импульса тока пред, выше которой лазер работать не может, происходит сброс амплитуды тока до нуля (либо некоторого начального значения), и при фиксированной длительности 0 ток снова плавно выводится на уже новое значение I0, после чего управление опять осуществляют длительностью импульса. Таким образом, при изменении внешних условий сохраняется заданный режим работы лазера без использования термостабилизации. Также существует возможность достижения предельного рабочего значения тока Iпред, определяющегося параметрами блока накачки и лазерных диодных модулей. В случае достижения Iпред и отсутствия генерации осуществляют переход на управление длительностью импульса тока . Длительность повышается либо до появления лазерного импульса, либо до предельного значения пред. При одновременном достижении предельных значений Iпред и пред происходит отключение устройства. Вышеописанная последовательность операций аналогично применяется и при необходимости получения генерации групп импульсов. Управление частотой генерации лазерных импульсов (групп импульсов) осуществляют через управление частотой импульсов тока. Алгоритм работает также при изменении параметров излучения генерации твердотельного лазера вследствие температурных и механических изменений элементов твердотельного лазера (нагрев активного элемента и зеркал резонатора, загрязнение их отражающих поверхностей, незначительная разъюстировка). Технический результат изобретения - увеличение стабильности параметров излучения твердотельного лазера с пассивным затвором, упрощение и удешевление его изготовления в связи с отсутствием сложной системы термостабилизации, уменьшение геометрических размеров и веса. Источники информации 1. Международная заявка WO 2005/101594, МПК H01S 3/113, 3/098, 3/106. Дата публикации 27.10.2005. 2. Международная заявка WO 2007/064298, МПК H01S 3/11, 3/113. Дата публикации 7.06.2007. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ управления твердотельным лазером с пассивной модуляцией добротности, включающий контроль выходных параметров излучения при помощи фотоприемного устройства, регулировку амплитуды и длительности импульса тока накачки, отличающийся тем, что фиксируют определенную длительность тока накачки, затем начинают постепенное увеличение амплитуды тока накачки до момента регистрации лазерного импульса с заданными выходными параметрами, фиксируют данное значение амплитуды тока накачки, а затем при фиксированном токе при изменении заданных выходных параметров лазерного излучения вследствие изменения внешних условий производят регулировку длительности импульса тока накачки до выхода лазера в режим с вышеупомянутыми заданными выходными параметрами. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при достижении предельной рабочей длительности импульса тока накачки повторяют последовательность операций. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при достижении предельного рабочего значения тока на-2 015641 качки при начальной фиксированной длительности и отсутствии импульса генерации осуществляют регулировку длительности импульса тока накачки. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что при одновременном достижении предельного рабочего значения тока накачки и предельного рабочего значения длительности тока накачки производят отключение устройства.