способ управления мощностью излучения газового лазера с высокочастотной накачкой и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ управления мощностью излучения газового лазера с высокочастотной накачкой, в частности стабилизации, заключающийся в том, что выделяют электрический сигнал, пропорциональный мощности излучения, сравнивают с опорным электрическим сигналом, в частности постоянным, и управляют мощностью накачки таким образом, чтобы уменьшить абсолютную величину разности между опорным сигналом и сигналом, пропорциональным мощности излучения, отличающийся тем, что мощность накачки модулируют по амплитуде преимущественно сигналом прямоугольной формы, а скважность модулирующего сигнала увеличивают, если опорный сигнал больше сигнала, пропорционального мощности излучения, и уменьшают, если опорный сигнал меньше сигнала, пропорционального мощности излучения.

2. Устройство для управления мощностью газового лазера с высокочастотной накачкой, содержащее устройство для формирования электрического сигнала, пропорционального мощности излучения, модулятор мощности накачки и источник опорного электрического сигнала, отличающееся тем, что введен генератор модулирующего электрического сигнала с управляемой скважностью, подключенной к модулятору накачки, и устройство управления генератором, к входам которого подключены указанный источник опорного сигнала и устройство формирования сигнала, пропорционального мощности излучения, а к выходу генератор модулирующего электрического сигнала.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что генератор модулирующего сигнала содержит компаратор, на выходе которого формируется модулирующий сигнал, и генератор пилообразного сигнала, который подключен к инвертирующему входу компаратора, а устройство управления генератором содержит дифференциальный усилитель, к неинвертирующему входу которого подключен источник опорного сигнала, к инвертирующему устройство формирования сигнала, пропорционального мощности излучения, а выход подключен к неинвертирующему входу указанного компаратора.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что генератор модулирующего сигнала содержит программный таймер, на выходе которого формируется модулирующий сигнал, а устройство управления генератором содержит процессор, который программирует таймер, и аналого-цифровой преобразователь, вход которого подключен к устройству формирования сигнала, пропорционального мощности излучения, а выход к процессору, при этом сравнение сигнала, пропорционального мощности излучения, с опорным сигналом производится в цифровом виде, а источник опорного электрического сигнала может быть как внешним, так и совмещенным с процессором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано в технологических, медицинских, метрологических, др. лазерных установках и установках для научных исследований.

Известен способ управления мощностью излучения лазера [ 1 заключающийся в том, что выделяют электрический сигнал, пропорциональный мощности излучения, сравнивают с опорным электрическим сигналом и изменяют мощность излучения таким образам, чтобы уменьшить абсолютную величину разности между опорным сигналом и сигналом, пропорциональным мощности излучения, при этом мощностью излучения управляют вне резонатора.

В частном случае постоянного опорного сигнала мощность излучения стабилизируется.

Устройство для осуществления указанного способа содержит устройство для формирования сигнала, пропорционального мощности излучения, например, светоделительную пластину и фотоприемник, источник опорного электрического сигнала и модулятор мощности излучения, расположенный вне резонатора и содержащий элемент с управляемой прозрачностью, например, электрооптический, акустооптический, механический, магнитооптический, интерференционный или др.

Недостатком указанного технического решения являются потери мощности в процессе управления. Управление осуществляется изменением прозрачности модулятора, при этом часть мощности излучения, превышающая уровень, заданный опорным сигналам, поглощается, отражается или рассеивается.

Известен способ управления мощностью излучения лазера [ 1 заключающийся в том, что выделяют электрический сигнал, пропорциональный мощности излучения, сравнивают с опорным электрическим сигналом и управляют добротностью резонатора лазера таким образом, чтобы уменьшить абсолютную величину разности между опорным сигналом и сигналам, пропорциональным мощности излучения.

Устройство для осуществления указанного способа содержит устройство для формирования сигнала, пропорционального мощности излучения, источник опорного электрического сигнала и модулятор добротности резонатора, например, электрооптический, акустооптический, механический, магнитооптический, интерференционный или др.

Недостатком указанного технического решения являются потери мощности, связанные с введением в резонатор лазера модулятора добротности, и потери мощности, связанные с процессом управления.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ управления мощностью газового лазера с высокочастотной накачкой [2] заключающийся в том, что выделяют электрический сигнал, пропорциональный мощности излучения, сравнивают с опорным электрическим сигналом и управляют мощностью накачки таким образом, чтобы уменьшить абсолютную величину разности между опорным сигналом и сигналом, пропорциональным мощности излучения, при этом амплитуду высокочастотной накачки увеличивают, если опорный сигнал больше сигнала, пропорционального мощности излучения, и уменьшают, если опорный сигнал меньше сигнала, пропорционального мощности излучения.

Устройство для осуществления указанного способа содержит устройство для формирования электрического сигнала, пропорционального мощности излучения, источник опорного электрического сигнала и модулятор мощности накачки. При этом модулятор мощности накачки увеличивает амплитуду мощности накачки, если опорный сигнал больше сигнала, пропорционального мощности излучения, и уменьшает, если опорный сигнал меньше сигнала, пропорционального мощности излучения.

Недостаток указанного решения состоит в том, что управление мощности высокочастотной накачки изменением амплитуды энергетически не выгодно. Изменяется напряжение на разряде и параметр напряжение электрического поля/давление, который определяет эффективность накачки активной среды лазера. Существует оптимальное значение этого параметра, при котором накачка максимально эффективна. При отклонении от этого значения большая доля мощности разряда преобразуется в тепло, а меньшая в лазерное излучение, т.е. снижается КПД лазера.

Техническим эффектом является управление мощностью излучения газового лазера с высокочастотной накачкой без снижения КПД.

Технический эффект достигается тем, что выделяют электрический сигнал, пропорциональный мощности излучения, сравнивают с опорным электрическим сигналом и управляют мощностью накачки так, чтобы уменьшить абсолютную величину разности между опорным сигналам и сигналом, пропорциональным мощности излучения, причем мощность накачки модулируют по амплитуде, а скважность модулирующего сигнала увеличивают, если опорный сигнал больше сигнала, пропорционального мощности излучения, и уменьшают, если опорный сигнал меньше сигнала, пропорционального мощности излучения.

Для осуществления указанного способа в устройство для управления мощностью излучения газового лазера с высокочастотной накачкой, содержащее устройство для формирования электрического сигнала, пропорционального мощности излучения, модулятор мощности накачки, источник опорного электрического сигнала, вводится генератор модулирующего электрического сигнала с управляемой скважностью, подключенный к модулятору накачки, и устройство управления генератором, к входам которого подключены опорный сигнал и сигнал, пропорциональный мощности излучения,а к выходу генератор модулирующего электрического сигнала.

В аналоговом варианте устройства в генератор модулирующего сигнала вводится компаратор, на выходе которого формируется модулирующий сигнал, и генератор пилообразного сигнала, который подключен к инвертирующему входу компаратора, а в устройство управления генератором вводится дифференциальный усилитель, к неинвертирующему входу которого подключен источник опорного сигнала, к инвертирующему устройство формирования сигнала, пропорционального мощности излучения, а выход подключен к неинвертирующему входу компаратора.

В цифровом варианте устройства в генератор модулирующего сигнала вводится программный таймер, на выходе которого формируется модулирующий сигнал, а в устройство управления вводится процессор, который программирует таймер, и аналого-цифровой преобразователь, вход которого подключен к устройству формирования сигнала, пропорционального мощности излучения, а выход к процессору, при этом сравнение сигнала, пропорционального мощности излучения, с опорным сигналом производится в цифровом виде, а источник опорного электрического сигнала может быть как внешним, так и совмещенным с процессором.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что при изменении скважности изменяется средняя мощность накачки и, следовательно, средняя мощность излучения лазера, при этом пиковая мощность и напряжение на разряде не изменяются и КПД не снижается.

Сигнал амплитудной модуляции мощности накачки может быть произвольной формы, но предпочтительна прямоугольная для сохранения постоянным напряжения на разряде во время импульса накачки. Длительность импульсов накачки и период следования импульсов должны быть в несколько раз больше периода высокочастотной несущей, поскольку накачка производится высокочастотным разрядом, т.е. последовательностью радиоимпульсов переменной длительности.

В лазерах с передачей энергии излучающим частицам при неупругих столкновениях, например в He-Ne-лазерах, СО₂-лазерах, предпочтительна частота модуляции, намного превышающая частоту передачи энергии, при этом сглаживаются пульсации мощности излучения.

Опорный сигнал, управляющий мощностью излучения, также может быть произвольной формы: прямоугольной, треугольной, синусоидальной, звуковой и т.д. Ограничением является верхняя граничная частота, она должна быть в несколько раз меньше частоты сигнала модуляции, т.е. опорный сигнал должен быть достаточно низкочастотным. В частном случае постоянного опорного сигнала средняя мощность излучения стабилизируется на постоянном уровне.

Устройство для осуществления рассматриваемого способа содержит отдельные устройства для всех стадий обработки сигнала и управления накачкой. Устройства могут быть реализованы как в аналоговом, так и в цифровом варианте.

Предлагаемое техническое решение поясняется фигурами 1, 2, З где фиг.1 изображает функциональную схему устройства управления мощностью, фиг.2 изображает аналоговый вариант устройства, а фиг.3 изображает цифровой вариант устройства.

Функциональную схему устройства поясняет фиг.1. Устройство формирования сигнала мощности выделяет электрический сигнал, пропорциональный мощности излучения. Сигнал мощности и опорный электрический сигнал от источника опорного сигнала поступают в устойство управления генератором модулирующего сигнала. Скважность модулирующего сигнала, вырабатываемого генератором, регулируется устройством управления, модулятор накачки осуществляет амплитудную модуляцию высокочастотной накачки сигналом от генератора.

Аналоговый вариант устройства управления мощностью излучения лазера поясняет фиг.2. Устройство формирования сигнала мощности содержит пластину-делитель 1 лазерного пучка 2 и фотоприемник 3. Генератор модулирующего сигнала содержит компаратор 4 и генератор пилообразного сигнала. Устройство управления генератором модулирующего сигнала содержит дифференциальный делитель 5.

Сигнал мощности с фотоприемника 3 подан на инвертирующий вход дифференциального усилителя 5, а на другой вход подан опорный сигнал. Выход дифференциального усилителя 5 подключен к входу компаратора 4. На инвертирующий вход компаратора 4 подан пилообразный сигнал. Сигнал модуляции накачки формируется на выходе компаратора 4 и представляет собой сигнал прямоугольной формы с частотой следования, равной частоте пилообразного сигнала, и с регулируемой длительностью импульсов. Длительность импульсов модулирующего сигнала определяется сигналом на выходе дифференциального усилителя 5, а сигнал на выходе усилителя 5 определяется разностью опорного сигнала и сигнала мощности.

Если сигнал мощности уменьшается относительно опорного, то увеличивается сигнал на выходе дифференциального усилителя 5 и увеличивается длительность импульсов модулирующего сигнала на выходе компаратора 4, т.е. увеличивается накачка лазера.

Если сигнал мощности увеличивается, уменьшаются сигнал на выходе усилителя 5 и длительность импульсов на выходе компаратора, т.е. уменьшается накачка лазера.

Таким образом, сигнал мощности, пропорциональный мощности излучения, стабилизируется около опорного сигнала. Опорный сигнал управляет мощностью излучения лазера.В частном случае постоянного опорного сигнала мощность излучения лазера стабилизируется.

Цифровой вариант устройства управления мощностью излучения лазера поясняет фиг.3. Устройство формирования сигнала мощности содержит пластину-делитель 1 лазерного пучка 2 и фотоприемник 3. Генератор модулирующего сигнала содержит программный таймер, а устройство управления генераторам содержит аналого-цифровой преобразователь и процессор.

Аналого-цифровой преобразователь преобразует сигнал мощности с фотоприемника 3 в цифровой вид и передает в процессор. Процессор сравнивает сигнал мощности с опорным сигналом в цифровом виде и программирует таймер, который вырабатывает модулирующий сигнал прямоугольной формы с длительностью импульсов, запрограммированной процессором.