RU2786619C1 - Single-mode solid-state laser with thermal stabilization of the diode pump and passive q-switch and its control device - Google Patents
Single-mode solid-state laser with thermal stabilization of the diode pump and passive q-switch and its control device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2786619C1 RU2786619C1 RU2021137677A RU2021137677A RU2786619C1 RU 2786619 C1 RU2786619 C1 RU 2786619C1 RU 2021137677 A RU2021137677 A RU 2021137677A RU 2021137677 A RU2021137677 A RU 2021137677A RU 2786619 C1 RU2786619 C1 RU 2786619C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- optical
- driver
- output
- pump
- Prior art date
Links
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 title claims description 16
- 230000003287 optical Effects 0.000 claims abstract description 36
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims abstract description 32
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 4
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 3
- 210000000188 Diaphragm Anatomy 0.000 description 3
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000000087 stabilizing Effects 0.000 description 3
- 206010011878 Deafness Diseases 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 201000011442 metachromatic leukodystrophy Diseases 0.000 description 2
- QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N Neodymium Chemical compound [Nd] QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- ITMSSWCUCPDVED-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane;oxo(oxoalumanyloxy)yttrium;oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Y]=O.O=[Y]O[Y]=O ITMSSWCUCPDVED-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised Effects 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 230000001702 transmitter Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Группа изобретений относится к твердотельным лазерам с диодной накачкой и к устройствам управления параметрами лазерного излучения. Изобретения могут быть использованы при изготовлении лазерной техники, работающей в жестких условиях эксплуатации.SUBSTANCE: group of inventions relates to diode-pumped solid-state lasers and devices for controlling laser radiation parameters. The inventions can be used in the manufacture of laser equipment operating under harsh operating conditions.
Известен малогабаритный автономный твердотельный лазер с ламповой накачкой и пассивной модуляцией добротности, содержащий излучатель с пассивным оптическим затвором («Малогабаритный автономный лазер на YAG:Nd3+, работающий в режиме генерации цуга импульсов с модуляцией добротности пассивным затвором на YAG:Cr4+», авторы: Н.М. Бузинов и др., «Квантовая электроника», 37, №4, 2007 г., с. 334-338). Каждый импульс в цуге имеет длительность 30-40 нс, длительность цуга - 100 мкс, энергия в цуге импульсов - не менее 100 мДж, длина волны лазерного излучения - 532 нм, расходимость (по уровню 0,5) - не более 1. Длительность отдельного импульса измерялась при помощи лавинного фотодиода. Лазер содержит активный элемент YAG:Nd3+ (∅5×65 мм), лампу накачки, размещенные в эллиптическом отражателе с конвективным охлаждением, блок питания лампы накачки, пассивный затвор YAG:Cr4+ (∅5×2 мм), выходное и глухое зеркала, а так же возвратное зеркало и нелинейные высокоомные монокристаллы KTiOPO4 (KTP), вырезанные под утлом температурно-некритичного синхронизма второго типа. Кристаллы в лазере используются в качестве преобразователей частоты.A small-sized autonomous solid-state laser with lamp pumping and passive Q-switching is known, containing an emitter with a passive optical shutter (“Small-sized autonomous YAG:Nd 3+ laser operating in the pulse train generation mode with Q-switching by a passive Q-switch on YAG:Cr 4+ ”, authors: N.M. Buzinov et al., Quantum Electronics, 37, No. 4, 2007, pp. 334-338). Each pulse in the train has a duration of 30-40 ns, the duration of the train is 100 μs, the energy in the pulse train is at least 100 mJ, the laser radiation wavelength is 532 nm, the divergence (at the level of 0.5) is no more than 1. The duration of an individual pulse was measured using an avalanche photodiode. The laser contains an active element YAG:Nd 3+ (∅5×65 mm), a pump lamp placed in an elliptical reflector with convective cooling, a power supply unit for the pump lamp, a passive YAG:Cr 4+ shutter (∅5×2 mm), output and a deaf mirror, as well as a return mirror and nonlinear high-resistance KTiOPO 4 (KTP) single crystals, cut out at the angle of temperature-noncritical synchronism of the second type. Crystals in the laser are used as frequency converters.
Использование пары кристаллов КТР, развернутых относительно друг друга вокруг оптической оси резонатора на угол 45°, позволило избежать «прогаров» оптических элементов резонатора и отказаться от размещения внутри него дополнительных поляризаторов. В дополнение к этому температурно-некритичный синхронизм в нелинейных кристаллах обеспечил стабильную работу лазера в диапазоне температур эксплуатации лазера (от минус 10 до плюс 50°С) без применения термостабилизирующих устройств.The use of a pair of KTP crystals rotated relative to each other around the optical axis of the resonator at an angle of 45° made it possible to avoid "burnouts" of the optical elements of the resonator and to abandon the placement of additional polarizers inside it. In addition, the temperature-noncritical phase matching in nonlinear crystals ensured stable operation of the laser in the operating temperature range of the laser (from minus 10 to plus 50°C) without the use of thermal stabilizing devices.
Оригинальные технические решения - оптическая схема с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники при синхронизме второго типа без поляризаторов, использование температурно-некритичного синхронизма в кристаллах КТР, пылевлагонепроницаемый корпус лазера и импульсный блок питания лампы накачки от батарей типа АА - позволили повысить надежность и стабильность работы лазера. Лазер обеспечивает большую суммарную энергию цуга импульсов при относительно невысокой пиковой мощности отдельного импульса, стабильную работу в широком диапазоне температур. Небольшие масса и габариты обеспечивают удобство эксплуатации лазера.Original technical solutions - an optical scheme with intracavity generation of the second harmonic with second-type synchronism without polarizers, the use of temperature-non-critical synchronism in KTP crystals, a dust-and-moisture-proof laser housing and a switching power supply for the pump lamp from AA batteries - made it possible to increase the reliability and stability of the laser. The laser provides a large total energy of a train of pulses with a relatively low peak power of an individual pulse, stable operation in a wide temperature range. Small weight and dimensions ensure the ease of operation of the laser.
Однако применение лампы накачки минимизирует частоту повторения импульсов до 0,2 Гц, при этом временной ресурс работы лазера снижается до ресурса лампы-накачки - 104 импульсов.However, the use of a pump lamp minimizes the pulse repetition rate to 0.2 Hz, while the time resource of the laser is reduced to the resource of the pump lamp - 104 pulses.
Наиболее близким аналогом одномодового лазера в группе изобретений, который принят за прототип, является малогабаритный твердотельный лазер с диодной накачкой и модуляцией добротности, содержащий излучатель с оптическим затвором и формирователь импульсов с малым энергопотреблением и энергией моноимпульса 20 мДж при частоте следования (в циклическом режиме) до 20 Гц с длиной волны излучения 1064 нм, предназначенный для работы в диапазоне внешних температур от минус 40 до плюс 50°С («Лазер на YAG:Nd3+ с диодной накачкой, работающий в режиме модуляции добротности в широком интервале температур без термостабилизации диодов накачки», авторы: А.Е. Вайншенкер и др., «Квантовая электроника», 43, №2, 2013 г., с. 114-116). Длительность моноимпульса составила 5 - 7 нс, расходимость - 3 мрад.The closest analogue of a single-mode laser in the group of inventions, which is taken as a prototype, is a small-sized solid-state laser with diode pumping and Q-switching, containing an emitter with an optical shutter and a pulse shaper with low power consumption and a single pulse energy of 20 mJ at a repetition rate (in cyclic mode) up to 20 Hz with a wavelength of 1064 nm, designed to operate in the ambient temperature range from minus 40 to plus 50 ° C ("YAG:Nd 3+ laser with diode pumping, operating in the Q-switched mode in a wide temperature range without thermal stabilization of the pump diodes ”, authors: A.E. Vainshenker et al., “Quantum Electronics”, 43, No. 2, 2013, pp. 114-116). The duration of the monopulse was 5–7 ns, the divergence was 3 mrad.
Излучатель лазера содержит активный элемент YAG:Nd3+ (∅3×50 мм) с продольной накачкой матрицей лазерных диодов (МЛД) через глухое зеркало резонатора, посеребренный конический концентратор, поляризатор, глухое зеркало, электрооптический затвор. Элементы оптической схемы размещены в закрытом титановом корпусе. Электроника лазера состоит из формирователя импульсов (генератора импульсов тока (ГИТ) для питания МЛД) и блока управления затвором (БУЗ) излучателя. Охлаждение элементов лазера - безжидкостное.The laser emitter contains a YAG:Nd 3+ active element (∅3×50 mm) with longitudinal pumping by a laser diode array (MLD) through a resonator blind mirror, a silver-plated conical concentrator, a polarizer, a blind mirror, and an electro-optical shutter. The elements of the optical circuit are housed in a closed titanium case. The laser electronics consists of a pulse shaper (a current pulse generator (PCG) for powering the MLD) and a gate control unit (GCU) of the emitter. The cooling of the laser elements is liquid-free.
Принцип действия ГИТ основан на частичном разряде емкостного накопителя энергии в виде батареи алюминиевых электролитических накопительных конденсаторов с малым эквивалентным последовательным сопротивлением через двухканальный высокочастотный импульсный регулятор тока. Принцип действия БУЗ основан на коммутации высокого напряжения в цепи лазерного затвора транзисторным ключом. Питание ГИТ и БУЗ осуществляется от источника нестабилизированного постоянного напряжения.The principle of operation of the PCG is based on the partial discharge of a capacitive energy storage in the form of a battery of aluminum electrolytic storage capacitors with a low equivalent series resistance through a two-channel high-frequency switching current controller. The principle of operation of the BUZ is based on switching high voltage in the laser shutter circuit by a transistor switch. The PCG and BUZ are powered from a source of unstabilized DC voltage.
В более распространенных ГИТ с частичным разрядом накопителя через управляемый непрерывный регулятор тока почти весь объем ГИТ занят батареей конденсаторов. ГИТ с высокочастотным импульсным регулятором тока позволяет значительно повысить напряжение на накопителе (что увеличивает удельную энергоемкость конденсаторов) и одновременно уменьшить полную энергию накопителя. В результате удалось уменьшить суммарный объем конденсаторов, по крайней мере, в 2 - 2,5 раза по сравнению с ГИТ с непрерывным регулятором тока разряда. Это позволило уменьшить массогабаритные характеристики генератора импульсов тока, а применение полупроводниковой квазипродольной накачки позволило создать малогабаритный лазер без термостабилизации лазерных диодов накачки, работающего в широком диапазоне температур.In more common PCGs with a partial discharge of a storage device through a controlled continuous current regulator, almost the entire volume of the PCG is occupied by a capacitor bank. A PCG with a high-frequency pulse current controller makes it possible to significantly increase the voltage on the storage (which increases the specific energy capacity of the capacitors) and at the same time reduce the total energy of the storage. As a result, it was possible to reduce the total volume of capacitors by at least a factor of 2–2.5 compared to a PCG with a continuous discharge current regulator. This made it possible to reduce the weight and size characteristics of the current pulse generator, and the use of semiconductor quasi-longitudinal pumping made it possible to create a small-sized laser without thermal stabilization of pump laser diodes operating in a wide temperature range.
Однако применение алюминиевых электролитических накопительных конденсаторов не позволяет применять устройство при низкотемпературных рабочих режимах.However, the use of aluminum electrolytic storage capacitors does not allow the device to be used in low-temperature operating conditions.
Известно изобретение под названием «Способ управления твердотельным лазером с пассивной модуляцией добротности», п. ЕА №015641, МПК H01S 3/091, 3/13, опубл. 2011 г., в котором описано устройство управления твердотельным лазером с пассивной модуляцией добротности, содержащее оптический блок, фотоприемное устройство, блок управления, элементы накачки.An invention is known under the title "Method of controlling a solid-state laser with passive Q-switching", p. EA No. 015641, IPC H01S 3/091, 3/13, publ. 2011, which describes a control device for a solid-state laser with passive Q-switching, containing an optical unit, a photodetector, a control unit, pumping elements.
Фотоприемное устройство устанавливается на расстоянии, достаточном для четкой регистрации выходных лазерных импульсов. Устройство управления содержит блок питания элементов накачки, к которому подключен блок управления.The photodetector is installed at a distance sufficient for clear registration of output laser pulses. The control device contains a power supply unit for the pumping elements, to which the control unit is connected.
При включении лазера, на элементы накачки (лазерные диодные модули) подается импульс тока длительностью, определенной для каждого типа лазера, с постепенным увеличением амплитуды тока. При определенном значении тока в некоторый момент времени фотоприемное устройство зарегистрирует появление одиночного импульса. С этого момента при фиксированной амплитуде тока 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, 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, величина которой определяется параметрами блока накачки и лазерных диодных модулей. При достижении предельной длительности импульса тока, выше которой лазер работать не может, происходит сброс амплитуды тока до нуля (либо некоторого начального значения), и при фиксированной длительности ток снова плавно выводится на уже новое значение, после чего управление опять осуществляют длительностью импульса. Таким образом, при изменении внешних условий сохраняется заданный режим работы лазера без использования термостабилизации.When the laser is turned on, the pump elements (laser diode modules) are supplied with a current pulse with a duration determined for each type of laser, with a gradual increase in the current amplitude. At a certain current value at some point in time, the photodetector will register the appearance of a single pulse. From this point on, at a fixed current amplitude, control is carried out by the duration of the pump current pulse. In the considered case of single-pulse generation in a laser with passive Q-switching, when external conditions (temperature, pressure) change, in the general case, either the appearance of a second generation pulse following the first one or the disappearance of the pulse is possible. The appearance of a second pulse is excluded by monitoring with a photodetector. When a single generation pulse is fixed by a photodetector, the pump current pulse is turned off. In the absence of a generation pulse, pumping does not stop until the duration is sufficient for the generation pulse to appear (i.e., the laser enters the required operating mode), or until a certain limiting value of the current pulse duration is reached, the value of which is determined by the parameters of the pumping unit and laser diode modules. When the maximum duration of the current pulse is reached, above which the laser cannot operate, the current amplitude is reset to zero (or some initial value), and at a fixed duration, the current is again smoothly brought to a new value, after which the control is again carried out by the duration of the pulse. Thus, when external conditions change, the specified mode of laser operation is maintained without the use of thermal stabilization.
Также существует возможность достижения предельного рабочего значения тока, определяющегося параметрами блока накачки и лазерных диодных модулей. В случае достижения предельного рабочего значения тока и отсутствия генерации осуществляют переход на управление длительностью импульса тока. Длительность повышается либо до появления лазерного импульса, либо до предельного значения. При одновременном достижении предельных значений тока и длительности импульса тока происходит отключение устройства.It is also possible to achieve the limiting operating current value, which is determined by the parameters of the pump unit and laser diode modules. In case of reaching the limiting operating value of the current and the absence of generation, a transition is made to control the duration of the current pulse. The duration increases either until the appearance of a laser pulse, or to a limit value. When the limit values of the current and the duration of the current pulse are reached simultaneously, the device switches off.
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).The above sequence of operations is similarly applied if it is necessary to obtain the generation of groups of pulses. The frequency of generation of laser pulses (groups of pulses) is controlled by controlling the frequency of current pulses. The algorithm also works when the solid-state laser radiation parameters change due to temperature and mechanical changes in the solid-state laser elements (heating of the active element and resonator mirrors, contamination of their reflective surfaces, slight misalignment).
Однако, данный способ допускает ситуацию, когда в результате воздействия внешних условий происходит отключение устройства, что не позволяет судить о его надежной работе в жестких условиях эксплуатации.However, this method allows for a situation where, as a result of external conditions, the device is turned off, which does not allow us to judge its reliable operation under harsh operating conditions.
Известно изобретение, в котором описано устройство стабилизации параметров лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой, содержащее оптический блок, выход которого связан с входом фотодатчика, управляющий микроконтроллер, термоэлектрический модуль, соединенный с драйвером термоэлектрического модуля и два термодатчика, выходы которых соединены с управляющим микроконтроллером, соединенным с драйвером термоэлектрического модуля, термоэлектрический модуль связан с элементами накачки оптического блока (п. РФ №2367072, МПК H01S 3/02, опубл. 2009 г.). Устройство содержит также усилитель сигнала фотодатчика, вход которого соединен со вторым выходом фотодатчика, а выход - соединен с первым входом управляющего микроконтроллера. Первый выход фотодатчика термически связан с входом второго термодатчика. Вход первого термодатчика термически соединен с выходом активного элемента, который термически связан с выходом термоэлектрического модуля.An invention is known in which a device for stabilizing the parameters of laser radiation of a longitudinally pumped solid-state laser is described, containing an optical unit, the output of which is connected to the input of a photosensor, a control microcontroller, a thermoelectric module connected to the driver of the thermoelectric module, and two thermal sensors, the outputs of which are connected to the control microcontroller, connected to the driver of the thermoelectric module, the thermoelectric module is connected to the pumping elements of the optical unit (p. RF No. 2367072, IPC H01S 3/02, publ. 2009). The device also contains a photosensor signal amplifier, the input of which is connected to the second output of the photosensor, and the output is connected to the first input of the control microcontroller. The first output of the photosensor is thermally connected to the input of the second thermal sensor. The input of the first temperature sensor is thermally connected to the output of the active element, which is thermally connected to the output of the thermoelectric module.
Данное устройство позволяет производить непрерывное измерение оптической мощности накачки и синхронное управление теплообменом активного элемента резонатора с окружающей средой. При этом, управление теплообменом осуществляют посредством введения ветви обратной связи между оптическим модулем накачки и активным элементом, за счет чего разница между поглощаемой активным элементом световой энергией (преобразованной в объеме активной среды в тепловую) и энергией, отводимой от активного элемента, поддерживается на заданном уровне вне зависимости от температуры окружающей среды. Таким образом, учет параметров накачки при компенсации термооптических искажений в активном элементе позволяет производить единовременную стабилизацию параметров лазерного излучения в широком температурном диапазоне.This device allows continuous measurement of the optical pump power and synchronous control of the heat exchange between the active element of the resonator and the environment. At the same time, heat transfer is controlled by introducing a feedback branch between the optical pump module and the active element, due to which the difference between the light energy absorbed by the active element (converted into thermal energy in the volume of the active medium) and the energy removed from the active element is maintained at a given level regardless of the ambient temperature. Thus, taking into account the pump parameters when compensating for thermooptical distortions in the active element allows one-time stabilization of the laser radiation parameters in a wide temperature range.
Однако, данное устройство стабилизации параметров лазерного излучения твердотельного лазера с продольной накачкой работает только на снижение угловой расходимости, возникающей в результате изменения температуры окружающей среды при помощи управления температурой активного элемента и не стабилизирует температуру накачки, не позволяя устройству работать в широком диапазоне температур.However, this device for stabilizing the parameters of laser radiation of a longitudinally pumped solid-state laser only works to reduce the angular divergence resulting from changes in the ambient temperature by controlling the temperature of the active element and does not stabilize the pumping temperature, preventing the device from operating in a wide temperature range.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному устройству в группе изобретений является устройство управления твердотельным лазером с термостабилизацией диодной накачки и электрооптической модуляцией добротности, которое содержит термоэлектрический модуль с драйвером, нагреватель с драйвером, термодатчики и управляющий микроконтроллер, соединенный с драйверами и формирователем импульсов тока, выход которого соединен с входом элементов накачки, термически связанными с нагревателем и входом одного термодатчика, выходы термодатчиков соединены с управляющим микроконтроллером, элементы накачки оптически связаны с активным элементом (п. РФ №2614084, МПК H01S 3/042, опубл. 2017 г.).The closest device for the same purpose to the claimed device in the group of inventions is a solid-state laser control device with thermal stabilization of diode pumping and electro-optical Q-switching, which contains a thermoelectric module with a driver, a heater with a driver, thermal sensors and a control microcontroller connected to drivers and a current pulse shaper, the output of which is connected to the input of the pumping elements, thermally connected to the heater and the input of one thermal sensor, the outputs of the thermal sensors are connected to the control microcontroller, the pumping elements are optically connected to the active element (p. RF No. 2614084, IPC H01S 3/042, publ. 2017) .
Устройство также снабжено контурной тепловой трубой с драйвером и электрооптическим затвором с драйвером.The device is also equipped with a loop heat pipe with a driver and an electro-optical shutter with a driver.
Данное устройство управления позволяет качественно контролировать процесс термостабилизации диодной накачки и производить диагностику состояния лазера на всех режимах его эксплуатации, контролировать температуру теплоотводящей поверхности и по результатам диагностики реагировать на изменения внешних условий. Это в свою очередь повысило устойчивость к внешним воздействующим факторам и обеспечило высокую энергию импульса. Лазер с таким устройством управления обладает высокими характеристиками лазерного излучения и стабильными выходными параметрами в жестких условиях эксплуатации.This control device makes it possible to qualitatively control the process of thermal stabilization of diode pumping and to diagnose the state of the laser in all modes of its operation, to control the temperature of the heat-removing surface and, based on the results of diagnostics, to respond to changes in external conditions. This, in turn, increased the resistance to external influencing factors and provided a high pulse energy. A laser with such a control device has high laser emission characteristics and stable output parameters under harsh operating conditions.
Однако применение тепловых труб снижает устойчивость к воздействию механических факторов (ударные и вибрационные нагрузки). А в оптическом модуле накачки обеспечены термостабилизацией только элементы накачки (без активного элемента) путем связи с термоэлектрическими модулями через тепловую трубу, что в свою очередь увеличивает время выхода лазера в режим готовности.However, the use of heat pipes reduces the resistance to mechanical factors (shock and vibration loads). And in the optical pumping module, only the pumping elements (without an active element) are provided with thermal stabilization by connecting with the thermoelectric modules through a heat pipe, which in turn increases the time for the laser to enter the ready mode.
Единой задачей, решаемой данными изобретениями, является сокращение времени выхода на рабочий температурный режим, обеспечение стабильности выходных параметров в жестких условиях эксплуатации (таких как изменение наиболее максимального диапазона температур посадочной поверхности, воздействие предельных температур окружающей среды, ударные и вибрационные нагрузки).The single task solved by these inventions is to reduce the time to reach the operating temperature, ensure the stability of the output parameters under harsh operating conditions (such as changing the maximum temperature range of the landing surface, exposure to extreme ambient temperatures, shock and vibration loads).
Единый технический результат, получаемый при использовании предлагаемой группы изобретений, заключается в повышении устойчивости к внешним воздействующим факторам.A single technical result obtained by using the proposed group of inventions is to increase resistance to external influencing factors.
Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - одномодовый лазер достигается тем, что одномодовый лазер с термостабилизацией диодной накачки и пассивной модуляцией добротности, который содержит излучатель с оптическим затвором и формирователь импульсов тока, дополнительно снабжен управляющим микроконтроллером, соединенным с формирователем импульсов тока, соединенным с оптическим модулем накачки излучателя, и последовательно соединенными светоделительными пластинами, оптический вход одной из которых связан с выходом оптического модуля накачки, а выход другой пластины связан с входом фотодатчика, излучатель снабжен термоэлектрическим модулем с драйвером, нагревателем с драйвером и термодатчиками, оптический модуль накачки снабжен диафрагмой, а оптический затвор выполнен пассивным.The specified technical result in the implementation of a group of inventions on an object - a single-mode laser is achieved in that a single-mode laser with thermal stabilization of diode pumping and passive Q-switching, which contains an emitter with an optical shutter and a current pulse shaper, is additionally equipped with a control microcontroller connected to a current pulse shaper connected with an optical pump module of the emitter, and series-connected beam splitters, the optical input of one of which is connected to the output of the optical pump module, and the output of the other plate is connected to the input of the photosensor, the emitter is equipped with a thermoelectric module with a driver, a heater with a driver and thermal sensors, the optical pump module is equipped with diaphragm, and the optical shutter is made passive.
Создание лазера указанным выше образом обеспечило снижение угловой расходимости лазерного излучения, тепловой нагрузки оптического модуля накачки, а также емкостную разгрузку формирователя импульсов тока.The creation of the laser in the above manner ensured a decrease in the angular divergence of laser radiation, the thermal load of the optical pump module, and also the capacitive unloading of the current pulse shaper.
Все это привело одновременно к повышению стабильности выходных параметров, устойчивости лазера к внешним воздействующим факторам (изменение наиболее максимального диапазона температур посадочной поверхности, воздействие предельных температур окружающей среды, ударные и вибрационные нагрузки), к снижению расходимости лазерного пучка, а также времени выхода лазера на рабочий температурный режим.All this led simultaneously to an increase in the stability of the output parameters, the stability of the laser to external influencing factors (changes in the maximum temperature range of the landing surface, exposure to extreme ambient temperatures, shock and vibration loads), to a decrease in the divergence of the laser beam, as well as the time the laser reached the working temperature regime.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - устройству управления достигается тем, что устройство управления лазером, содержащее термоэлектрический модуль с драйвером, нагреватель с драйвером, термодатчики и управляющий микроконтроллер, соединенный с драйверами и формирователем импульсов тока, выход которого соединен с входом элементов накачки, термически связанными с нагревателем и входом одного термодатчика, выходы термодатчиков соединены с управляющим микроконтроллером, элементы накачки оптически связаны с активным элементом, согласно изобретению снабжено фотодатчиком, соединенным с управляющим микроконтроллером, вход фотодатчика через светоделительные пластины связан с выходом активного элемента, термоэлектрический модуль термически связан с элементами накачки.The specified single technical result in the implementation of a group of inventions on an object - a control device is achieved by the fact that the laser control device, containing a thermoelectric module with a driver, a heater with a driver, thermal sensors and a control microcontroller connected to drivers and a current pulse shaper, the output of which is connected to the input of the elements pumping elements, thermally connected to the heater and the input of one thermal sensor, the outputs of the thermal sensors are connected to the control microcontroller, the pumping elements are optically connected to the active element, according to the invention it is equipped with a photo sensor connected to the control microcontroller, the input of the photo sensor is connected through the beam splitter plates to the output of the active element, the thermoelectric module is thermally associated with pump elements.
Построение устройства управления лазером указанным выше образом обеспечило возможность более качественно контролировать процесс охлаждения и термостабилизации активного элемента и элементов накачки, контролировать состояние лазера, а также параметры выходного лазерного излучения во всех режимах эксплуатацииThe construction of the laser control device in the above manner made it possible to more efficiently control the process of cooling and thermal stabilization of the active element and pump elements, to control the state of the laser, as well as the parameters of the output laser radiation in all operating modes.
Это стало возможным благодаря применению фотодатчика в системе управления лазером, а также прямой взаимосвязи элементов накачки с термоэлектрическим модулем.This became possible due to the use of a photo sensor in the laser control system, as well as the direct interconnection of the pumping elements with the thermoelectric module.
Заявленные изобретения взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел. Действительно, при создании одномодового лазера с термостабилизацией диодной накачки и пассивной модуляцией добротности с требуемыми характеристиками, было изобретено новое устройство - устройство его управления. Использование данного устройства позволяет эффективно управлять лазером и успешно решить поставленную задачу с получением требуемого технического результата - повышение устойчивости к внешним воздействующим факторам. Следовательно, заявленное изобретение удовлетворяет требованию «единства».The claimed inventions are interconnected so that they form a single inventive concept. Indeed, when creating a single-mode laser with thermal stabilization of diode pumping and passive Q-switching with the required characteristics, a new device was invented - its control device. The use of this device allows you to effectively control the laser and successfully solve the problem to obtain the desired technical result - increased resistance to external factors. Therefore, the claimed invention satisfies the requirement of "unity".
При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной группы изобретений. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулы, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, каждый из объектов заявленной группы изобретений соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».When analyzing the prior art, no analogues were found that are characterized by features that are identical to all the essential features of the claimed group of inventions. And also, the fact that the influence of the features included in the formulas on the technical result of the proposed technical solution is not known has not been revealed. Therefore, each of the objects of the claimed group of inventions meets the conditions of "novelty" and "inventive step".
На фиг. 1 представлена структурно-функциональная схема лазера.In FIG. 1 shows the structural and functional diagram of the laser.
На фиг. 2 - оптическая схема резонатора.In FIG. 2 - optical scheme of the resonator.
Одномодовый твердотельный лазер с диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности содержит излучатель 1 с оптическим модулем накачки 2, блок электроники 3, формирователь импульсов тока 4, светоделительные пластины 5, 6 и фотодатчик 7 (фиг. 1). Оптический модуль накачки 2 содержит элементы накачки 8, оптически связанные с активным элементом 9. Излучатель также содержит термоэлектрический модуль 10, нагреватель 11, первый 12 и второй 13 термодатчики. Первый термодатчик 12, а также термоэлектрический модуль 10 и нагреватель 11 термически связаны с элементами накачки 8.A single-mode solid-state laser with diode pumping and passive Q-switching contains an emitter 1 with an optical pump module 2, an electronics unit 3, a current pulse shaper 4,
В несущей части резонатора 14 излучателя 1 располагается активный элемент 9, глухое зеркало 15, диафрагмы 16, пассивный затвор 17 и выходное зеркало 18 (фиг. 2). Блок электроники 3 содержит управляющий микроконтроллер 19 и драйверы 20, 21 термоэлектрического модуля и нагревателя. Светоделительные пластины 5, 6 соединены между собой последовательно, при этом оптический вход пластины 5 связан с выходом оптического модуля накачки 2, а выход пластины 6 связан с входом фотодатчика 7. Первая светоделительная пластина 5 обеспечивает обратную связь с элементами накачки 8. Вторая светоделительная пластина 6 предназначена для синхронизации запуска системы управления внешнего устройства 22. Обе светоделительные пластины размещены под углом к оси активного элемента 9 таким образом, чтобы избежать обратного отражения от светоделительной пластины 5 и обеспечить попадание части отражаемого излучения от светоделительной пластины 6 во вход фотодатчика 7. Управляющий микроконтроллер 19 соединен с формирователем импульсов тока 4, который соединен с оптическим модулем накачки 2.In the bearing part of the resonator 14 of the emitter 1, there is an
Устройство управления лазером содержит: оптический модуль накачки 2, управляющий микроконтроллер 19, формирователь импульсов тока 4, первый и второй термодатчики 12, 13, термоэлектрический модуль 10 с драйвером 20, нагреватель 11 с драйвером 21, фотодатчик 7.The laser control device contains: optical pump module 2, control microcontroller 19, current pulse shaper 4, first and second temperature sensors 12, 13, thermoelectric module 10 with driver 20, heater 11 with driver 21, photosensor 7.
Управляющий микроконтроллер 19 соединен с драйверами 20, 21 и формирователем импульсов тока 4, выход которого соединен с входом элементов накачки 8. Выход фотодатчика 7 соединен с управляющим микроконтроллером 19, а вход фотодатчика через светоделительные пластины 5, 6 связан с выходом активного элемента 9. Термоэлектрический модуль 10 термически связан с элементами накачки 8, которые в свою очередь термически связаны с нагревателем 11 и входом первого термодатчика 12. Выходы термодатчиков 12, 13 соединены с управляющим микроконтроллером 19, элементы накачки 8 оптически связаны с активным элементом 9.The control microcontroller 19 is connected to the drivers 20, 21 and the current pulse shaper 4, the output of which is connected to the input of the
Одномодовый твердотельный лазер с термостабилизацией диодной накачки и пассивной модуляцией добротности и устройство его управления работают следующим образом. Синхроимпульс от системы управления внешнего устройства 22 поступает на управляющий микроконтроллер 19, который подает сигнал формирователю импульсов тока 4, который в свою очередь формирует импульс управления до тех пор, пока не придет сигнал с фотодатчика 7 на управляющий микроконтроллер. Формирование импульса тока завершается, и сформированный импульс тока подается на элементы накачки 8 (фиг. 1, 2), которые начинают генерировать излучение накачки, при этом часть излучения поглощается активным элементом 9, размещенным в несущей части резонатора 14, часть поглощенной энергии накачки идет на тепловые потери. Таким образом, возбуждается активная среда, заполняющая корпус несущей части резонатора 14, и возникает генерация излучения между глухим 15 и выходным 18 зеркалами, при этом пассивный затвор 17 обеспечивает модуляцию добротности, а диафрагмы 16 формируют выходное излучение пучком с заданным параметром М2. Выходное излучение проходит через светоделительные пластины 5 и 6, при этом часть излучения от пластины 6 отбрасывается на фотодатчик 7.A single-mode solid-state laser with thermally stabilized diode pumping and passive Q-switching and its control device operate as follows. The sync pulse from the control system of the external device 22 is fed to the control microcontroller 19, which sends a signal to the current pulse shaper 4, which in turn generates a control pulse until the signal from the photosensor 7 arrives at the control microcontroller. The formation of the current pulse is completed, and the generated current pulse is applied to the pump elements 8 (Fig. 1, 2), which begin to generate pump radiation, while part of the radiation is absorbed by the
Управляющий микроконтроллер 19 получает информацию с первого термодатчика 12, термически связанного с элементами накачки 8, и второго термодатчика 13. Управляющий микроконтроллер 19 в зависимости от поступающих данных с фотодатчика 7 и двух термодатчиков 12, 13 формирует сигнал на нагреватель 11 и термоэлектрический модуль 10 через драйвера 20, 21 термоэлектрического модуля и нагревателя. Таким образом, осуществляется термостабилизация элементов накачки 8.The control microcontroller 19 receives information from the first temperature sensor 12, thermally connected to the
Управляющий микроконтроллер 19 получает информацию с первого 12 и второго 13 термодатчиков и фотодатчика 7, обрабатывает ее и формирует телеметрическую информацию для системы управления внешнего устройства 22. Под внешним устройством понимается оптико-электронная аппаратура, в которой лазер применяется в качестве лазерного передатчика. Управляющий микроконтроллер 19 выдает внешнему устройству 22 информацию о готовности лазера к работе, о рабочем режиме и параметрах выходного излучения.The control microcontroller 19 receives information from the first 12 and second 13 thermal sensors and photo sensor 7, processes it and generates telemetric information for the control system of the external device 22. An external device is understood to be optoelectronic equipment in which a laser is used as a laser transmitter. The control microcontroller 19 provides the external device 22 with information about the readiness of the laser for operation, about the operating mode and parameters of the output radiation.
Таким образом, устройство управления лазера управляет термостабилизацией элементов накачки 8 для сокращения времени выхода лазера на рабочий режим при воздействии внешних факторов, таких как воздействие предельных температур окружающей среды, изменение температуры посадочной поверхности.Thus, the laser control device controls the thermal stabilization of the
Для обеспечения заданных режимов работы лазера и минимального времени выхода лазера на рабочий режим при эксплуатации в условиях воздействия внешних климатических факторов возникает необходимость термостабилизации элементов накачки 8, при этом обеспечение выхода на температурный рабочий режим элементов накачки происходит следующим образом. Нагреватель 11 и термоэлектрический модуль 10 повышают температуру элементов накачки 8 от исходной до рабочей температуры. Термоэлектрический модуль 10 обеспечивает охлаждение элементов накачки 8 от исходной повышенной температуры, образованной внешними климатическими условиями эксплуатации, а также в процессе работы элементов накачки, до рабочей.To ensure the specified operating modes of the laser and the minimum time for the laser to reach the operating mode when operating under the influence of external climatic factors, it becomes necessary to thermally stabilize the
Примером практического применения устройства может служить созданный одномодовый лазер с термостабилизацией диодной накачки и пассивной модуляцией добротности с активным элементом в виде стержня из алюмоиттриевого граната с неодимом YAG:Nd3+ (∅2×45 мм). В качестве пассивного модулятора добротности был применен пассивный затвор YAG:Cr4+ (∅10×3 мм), элементы накачки производства ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ.An example of the practical application of the device is the created single-mode laser with thermal stabilization of diode pumping and passive Q-switching with an active element in the form of a rod of yttrium aluminum garnet with neodymium YAG:Nd 3+ (∅2×45 mm). A passive Q-switch YAG:Cr 4+ (∅10×3 mm) was used as a passive Q-switch, pump elements produced by Federal State Unitary Enterprise RFNC-VNIITF.
Основные характеристики созданного одномодового лазера с термостабилизацией диодной накачки и пассивной модуляцией добротности: генерация излучения на длине волны 1,064 мкм, ТЕМ00 с М2<2, частота следования импульсов ~5 Гц, длительность импульса ~10 нс, устойчивость к воздействию ударов и вибраций, а также к воздействию широкого диапазона температур посадочной поверхности (окружающей среды), минимальные массогабаритные характеристики.The main characteristics of the created single-mode laser with thermal stabilization of diode pumping and passive Q-switching are: generation of radiation at a wavelength of 1.064 μm, TEM 00 s M 2 <2, a pulse repetition rate of ~5 Hz, a pulse duration of ~10 ns, resistance to shocks and vibrations, as well as to the impact of a wide range of temperatures of the landing surface (environment), minimum weight and size characteristics.
Таким образом, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой группы изобретений следующей совокупности условий:Thus, the presented information testifies to the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed group of inventions:
- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в электронной и оптико-механической промышленности при изготовлении лазерных устройств;- a tool that embodies the claimed device in its implementation, is intended for use in the electronic and optical-mechanical industries in the manufacture of laser devices;
- для заявляемой группы устройств в том виде, в котором она охарактеризована в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета конструкций.- for the claimed group of devices in the form in which it is characterized in the claims, the possibility of its implementation using the structures described in the application and known before the priority date is confirmed.
Следовательно, заявляемая группа изобретений соответствует условию «промышленная применимость».Therefore, the claimed group of inventions meets the condition of "industrial applicability".
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2786619C1 true RU2786619C1 (en) | 2022-12-22 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2802171C1 (en) * | 2023-03-30 | 2023-08-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Method for stabilizing energy in a pulsed solid-state laser with diode pump and active q-switching |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2266594C1 (en) * | 2004-07-16 | 2005-12-20 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Рязанский Приборный Завод" | Longitudinal pumped solid state laser |
| RU2367072C1 (en) * | 2008-04-02 | 2009-09-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Рязанский Приборный Завод" | Device for stabilising laser radiation parametres of longitudinally pumped solid-state laser |
| US7852887B2 (en) * | 2005-08-02 | 2010-12-14 | View Holographics Ltd. | Laser |
| US8995052B1 (en) * | 2013-09-09 | 2015-03-31 | Coherent Kaiserslautern GmbH | Multi-stage MOPA with first-pulse suppression |
| RU2614084C1 (en) * | 2015-09-28 | 2017-03-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Solid-state laser with diode pumping thermal stabilization and quality factor electrooptic modulation and its control device |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2266594C1 (en) * | 2004-07-16 | 2005-12-20 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Рязанский Приборный Завод" | Longitudinal pumped solid state laser |
| US7852887B2 (en) * | 2005-08-02 | 2010-12-14 | View Holographics Ltd. | Laser |
| RU2367072C1 (en) * | 2008-04-02 | 2009-09-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Рязанский Приборный Завод" | Device for stabilising laser radiation parametres of longitudinally pumped solid-state laser |
| US8995052B1 (en) * | 2013-09-09 | 2015-03-31 | Coherent Kaiserslautern GmbH | Multi-stage MOPA with first-pulse suppression |
| RU2614084C1 (en) * | 2015-09-28 | 2017-03-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Solid-state laser with diode pumping thermal stabilization and quality factor electrooptic modulation and its control device |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2802171C1 (en) * | 2023-03-30 | 2023-08-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Method for stabilizing energy in a pulsed solid-state laser with diode pump and active q-switching |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0744089B1 (en) | Passively q-switched picosecond microlaser | |
| US5982789A (en) | Pulsed laser with passive stabilization | |
| US8532151B2 (en) | Passively Q-switched microlaser | |
| CN102208742B (en) | High-repetition-frequency Nd-YAG single-frequency laser with conduction cooling | |
| US6931047B2 (en) | Laser light source | |
| US20130294465A1 (en) | HIGHLY EFFICIENT 3rd HARMONIC GENERATION IN Nd: YAG LASER | |
| CA2617857A1 (en) | A laser | |
| US7961772B2 (en) | Optimized pulse pumped laser system using feedback | |
| RU2786619C1 (en) | Single-mode solid-state laser with thermal stabilization of the diode pump and passive q-switch and its control device | |
| JP2000156535A (en) | Injection locked narrow-band pulse laser system | |
| WO2013079943A1 (en) | Stable thermal lens in a q- switched solid-state laser by pump light control | |
| Zayhowski et al. | Miniature, pulsed Ti: sapphire laser system | |
| CN115967001A (en) | Passive Q-switched laser with full-automatic stable control | |
| CN112003122B (en) | Subnanosecond infrared solid laser for acousto-optic Q-switching and control method thereof | |
| JP2001185794A (en) | Semiconductor laser excitation solid laser | |
| Cerný et al. | Actively stabilised diode pumped Tm: YAlO laser | |
| CN111509550A (en) | High-peak power narrow linewidth 1064nm all-solid-state pulse laser | |
| RU2614084C1 (en) | Solid-state laser with diode pumping thermal stabilization and quality factor electrooptic modulation and its control device | |
| RU2802171C1 (en) | Method for stabilizing energy in a pulsed solid-state laser with diode pump and active q-switching | |
| CN112688151A (en) | 266nm deep ultraviolet solid laser | |
| Šulc et al. | Stable 1318 nm emission from compact Nd: YAG/V: YAG Q-switched laser | |
| RU2367072C1 (en) | Device for stabilising laser radiation parametres of longitudinally pumped solid-state laser | |
| WO1997045901A1 (en) | Pulsed laser with passive stabilization | |
| CN116845681B (en) | Pulse pumping laser for compensating jitter of external trigger signal and compensation method | |
| Kubecek et al. | Bidirectional operation of a ring diode-pumped mode-locked Nd: YVO 4 laser |