RU2802171C1 - Method for stabilizing energy in a pulsed solid-state laser with diode pump and active q-switching - Google Patents

Abstract

FIELD: laser radiation.

SUBSTANCE: method for stabilizing the energy in a radiation pulse of a diode-pumped solid-state laser with active Q-switching, the temperature of the pump elements is determined, control signals are generated for thermoelectric modules or heaters, as well as for the pump current pulse shaper. When the temperature of the elements is above the maximum, a signal is generated for thermoelectric modules, when the temperature of the elements is below the minimum - for heaters, at the temperature of the elements, between max and min, establish the relationship between the pump current pulse duration and temperature, as well as the pump current pulse repetition rate, the operating time of the laser in the radiation generation mode, the time interval between pulse trains, and determine the delay time for the formation of the pump current pulse relative to the leading edge of the external control pump sync pulse on pump elements with a given amplitude and controlled duration of the pump current pulse. The temperature, the frequency of the current pulses, the operating time of the laser and the break time are determined cyclically.

EFFECT: energy stabilization in a solid-state laser radiation pulse.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности, к способам и устройствам управления параметрами лазерного излучения, и может найти применение при создании импульсно-периодических твердотельных лазеров с диодной накачкой и активной модуляцией добротности, предназначенных для эксплуатации в широком температурном диапазоне окружающей среды без термостабилизации элементов накачки.The invention relates to the field of laser technology, in particular, to methods and devices for controlling the parameters of laser radiation, and can be used to create repetitively pulsed diode-pumped solid-state lasers with active Q-switching, designed for operation in a wide temperature range of the environment without thermal stabilization of the elements pumping.

Известен способ, позволяющий обеспечить генерацию импульсного лазерного излучения твердотельного лазера с поперечной диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности без активной системы термостабилизации элементов диодной накачки в диапазоне окружающей среды ≤100°С (Диссертация «Твердотельные квантроны с диодной накачкой ближнего ИК-диапазона, работающие в широком температурном диапазоне без активной системы термостабилизации», Сафронова Елена Сергеевна, ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр «Институт общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук», Москва, 2022 г.). При реализации известного способа в качестве активной среды в макете лазера использовался композитный кристалл из YAG:Nd (1 ат. %) и YAG:Cr⁺⁴ (начальное пропускание 20%) диаметром 5 мм, в качестве накачки использовались матрицы лазерных диодов в количестве 5 штук с общей энергией в импульсе излучения накачки 1,5 Дж при длительности импульса накачки до 250 мкс. Резонатор лазера был образован отражающими покрытиями, нанесенными на плоские торцы композитного активного элемента, с коэффициентами отражения 100% и 20% для длины волны излучения 1064 нм. В результате, экспериментально продемонстрирована генерация импульсного лазерного излучения с сохранением модовой структуры и энергией в импульсе не менее 100 мДж, длительностью = 3,5 не и частотой повторения импульсов до 25 Гц в температурном диапазоне окружающей среды от -50°С до +50°С без активной системы термостабилизации элементов диодной накачки. Существенными недостатками известного технического решения являются низкая стабильность выходной энергии в импульсе выходного излучения, составляющая не менее 70%, а также большой временной джиттер генерируемых наносекундных импульсов излучения в диапазоне более 100 мкс, что в ряде важных практических применений является недопустимым.A known method allows to ensure the generation of pulsed laser radiation from a solid-state laser with transverse diode pumping and passive Q-switching without an active system for thermal stabilization of diode pumping elements in the ambient range temperature range without an active thermal stabilization system", Safronova Elena Sergeevna, Federal State Unitary Enterprise "VNIIA named after N.L. Dukhov, Federal State Budgetary Institution of Science Federal Research Center "AM Prokhorov Institute of General Physics of the Russian Academy of Sciences", Moscow, 2022) . When implementing the known method, a composite crystal of YAG:Nd (1 at. %) and YAG:Cr ⁺⁴ (initial transmission 20%) with a diameter of 5 mm was used as an active medium in the laser layout; arrays of laser diodes in the amount of 5 pieces with a total energy in the pump radiation pulse of 1.5 J with a pump pulse duration of up to 250 μs. The laser resonator was formed by reflective coatings deposited on the flat ends of the composite active element with reflectances of 100% and 20% for a radiation wavelength of 1064 nm. As a result, the generation of pulsed laser radiation with the preservation of the mode structure and an energy per pulse of at least 100 mJ, duration = 3.5 ns and a pulse repetition rate of up to 25 Hz in the ambient temperature range from -50°С to +50°С was experimentally demonstrated. without an active system for thermal stabilization of diode pump elements. Significant disadvantages of the known technical solution are the low stability of the output energy in the output radiation pulse, which is at least 70%, as well as the large temporal jitter of the generated nanosecond radiation pulses in the range of more than 100 μs, which is unacceptable in a number of important practical applications.

Известно изобретение, в котором описан способ стабилизации моноимпульсного режима лазера (п.РФ №1736314, МПК Н01S 3/13, Н01S 3/092, опубл. 1994 г.). Способ стабилизации обеспечивается путем управления энергией накачки активного элемента лазера за счет изменения напряжения, подаваемого с емкостного накопителя блока накачки на лампу накачки, пропорционально разности величин временной задержки τ_зад, измеряемой при каждом импульсе накачки между импульсом накачки и моментом начала импульса генерации излучения, и опорной временной задержки τ_оп, измеряемой между импульсом накачки и моментом начала генерации импульса излучения в начальный момент получения моноимпульсного режима работы лазера при энергии накачки, пороговой для генерации одного импульса излучения. При этом величины τ_зад и τ_оп измеряют от момента окончания разряда емкостного накопителя с целью повышения стабильности моноимпульсного режима и увеличения ресурса работы моноимпульсного лазера, содержащего активную среду и фототропный затвор, помещенные в резонатор, лампу накачки, связанную с блоком накачки, блок управления напряжением накачки, соединенный с управляющим входом блока накачки лазера, и фотоприемник, соединенный с входом блока управления напряжения накачки, цепочку последовательно соединенных диода и резистора, включенную между выходом блока накачки и общей шиной устройства, и формирователь импульсов, вход которого соединен с общей точкой диода и резистора, а выход - со вторым входом блока управления напряжением накачки. Таким образом, стабилизация моноимпульсного режима лазера с ламповой накачкой и пассивной модуляцией добротности достигается за счет реализации системы обратной связи на основе фотоприемника и электронного устройства управления энергией импульса излучения лампы накачки за счет изменения амплитуды напряжения на ней.An invention is known that describes a method for stabilizing a single-pulse laser mode (p. RF No. 1736314, IPC H01S 3/13, H01S 3/092, publ. 1994). The stabilization method is provided by controlling the pump energy of the active element of the laser by changing the voltage supplied from the capacitive storage of the pump unit to the pump lamp, in proportion to the difference in the values of the time delay τ _ass measured with each pump pulse between the pump pulse and the moment the radiation generation pulse starts, and the reference time delay τ _op measured between the pump pulse and the moment of the beginning of the generation of the radiation pulse at the initial moment of obtaining the monopulse mode of laser operation at the pump energy threshold for the generation of one radiation pulse. At the same time, the values of τ _ass and τ _op are measured from the moment the discharge of the capacitive storage is completed in order to increase the stability of the single-pulse mode and increase the service life of a single-pulse laser containing an active medium and a phototropic shutter placed in a resonator, a pump lamp connected to a pump unit, a voltage control unit pump unit connected to the control input of the laser pump unit, and a photodetector connected to the input of the pump voltage control unit, a chain of series-connected diode and resistor connected between the output of the pump unit and the common bus of the device, and a pulse shaper, the input of which is connected to the common point of the diode and resistor, and the output - with the second input of the pump voltage control unit. Thus, the stabilization of the single-pulse mode of a lamp-pumped laser with passive Q-switching is achieved by implementing a feedback system based on a photodetector and an electronic device for controlling the energy of the pump lamp radiation pulse by changing the voltage amplitude across it.

К существенным недостаткам известного способа можно отнести его направленность на генерацию исключительно моноимпульсного излучения, что не гарантирует обеспечение стабильности энергии и малый временной джиттер генерируемых импульсов выходного излучения по причине особенностей развития генерации излучения в лазерах с пассивной модуляцией добротности резонатора.Significant disadvantages of the known method include its focus on the generation of exclusively single-pulse radiation, which does not guarantee energy stability and low temporal jitter of the generated output radiation pulses due to the peculiarities of the development of radiation generation in lasers with passive Q-switching of the resonator.

Известен способ управления твердотельным лазером с пассивной модуляцией добротности (п. ЕА №015641, МПК Н01S 3/091, 3/13, опубл. 2011 г.), который включает в себя контроль выходных параметров излучения при помощи фотоприемного устройства, регулировку амплитуды и длительности импульса тока накачки. Согласно известному изобретению 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.A known method for controlling a solid-state laser with passive Q-switching (p. EA No. 015641, IPC H01S 3/091, 3/13, publ. 2011), which includes monitoring the output radiation parameters using a photodetector, adjusting the amplitude and duration pump current pulse. According to the known invention, 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.

Указанный способ применяется и при необходимости получения генерации групп импульсов. Управление частотой генерации лазерных импульсов (групп импульсов) осуществляют через управление частотой импульсов тока. Способ также применим и 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). Таким образом, задачей известного способа является стабилизация числа генерирующих импульсов в группе, частоты следования групп твердотельного лазера с диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности резонатора с одновременной компенсацией или минимизацией влияния на их параметры изменений условий внешней среды (температуры, давления) без термостабилизации.This method is also used 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 method is also applicable when changing the radiation parameters of the generation of a solid-state laser due to temperature and mechanical changes in the elements of a solid-state laser (heating of the active element and resonator mirrors, contamination of their reflective surfaces, slight misalignment). Thus, the task of the known method is to stabilize the number of generating pulses in a group, the repetition rate of groups of a solid-state laser with diode pumping and passive Q-switching of the resonator with simultaneous compensation or minimization of the influence on their parameters of changes in environmental conditions (temperature, pressure) without thermal stabilization.

Однако данный способ также направлен на генерацию исключительно моноимпульсного или групп импульсов излучения, что не гарантирует обеспечение стабильности энергии в импульсе и малый временной джиттер генерируемых импульсов выходного излучения лазера по причине особенностей развития генерации излучения в лазерах с пассивной модуляцией добротности резонатора.However, this method is also aimed at generating exclusively single-pulse or groups of radiation pulses, which does not guarantee the stability of the energy in the pulse and the low temporal jitter of the generated laser output pulses due to the development of radiation generation in lasers with passive Q-switching of the resonator.

Известно изобретение, в котором описаны способы стабилизации энергии и периода повторения выходных импульсов лазера с постоянным режимом работы блока накачки и активной модуляцией добротности резонатора (п. РФ №2689846, МПК Н01S 3/136, опубл. 2019 г. под названием «Лазер с модуляцией добротности резонатора и стабилизацией выходных импульсов (варианты)»).An invention is known that describes methods for stabilizing the energy and the repetition period of the output pulses of a laser with a constant mode of operation of the pump unit and active Q-switching of the resonator (p. RF No. 2689846, IPC H01S 3/136, publ. quality factor of the resonator and stabilization of the output pulses (options)”).

Способ стабилизации выходных импульсов излучения в варианте 1 изобретения заключается в том, что блок накачки работает непрерывно. До момента t₁ напряжение на выходе задающего генератора равно логическому «0», инвертор сигнала имеет на выходе логический «1», поэтому силовой ключ открыт, ячейка Поккельса подключена к источнику четвертьволнового напряжения, добротность резонатора нулевая, лазерной генерации нет. При этом дополнительный силовой ключ закрыт.В момент времени t₁ сигнал на выходе задающего генератора меняется с логического «0» на «1», вследствие чего инвертор меняет напряжение на своем выходе с «1» на «0», поэтому силовой ключ закрывается. Напряжение на ячейке Поккельса выключается, добротность резонатора становится высокой. В случайный момент времени в резонаторе зарождается и усиливается лазерное излучение. Фотодиод регистрирует лазерное излучение, проходящее через первое глухое зеркало, и выдает напряжение U_ф, пропорциональное интенсивности падающего на него лазерного излучения, на компаратор блока управления. В момент времени t₂ напряжение U_ф с фотодиода превышает значение U_к, поэтому компаратор подает сигнал на положительный вход дополнительного компаратора, при этом отсутствует сигнал на отрицательном входе последнего. Вследствие этого дополнительный компаратор подает сигнал «1» на дополнительный силовой ключ, открывает его, и источник промежуточного напряжения подключается к ячейке Поккельса. При этом потери резонатора становятся равны усилению в активном элементе, и интенсивность лазерного излучения в резонаторе остается постоянной до момента времени t₃, определяемого линией задержки. В момент времени t₃ выходное напряжение линии задержки меняется с «0» на «1», т.е. становится равным выходному напряжению компаратора, поэтому дополнительный компаратор меняет выходной сигнал с «1» на «0», дополнительный силовой ключ закрывается, и напряжение на ячейке Поккельса выключается. Добротность резонатора снова становится высокой. Имеющееся лазерное излучение усиливается до максимума через фиксированный промежуток времени. После этого задающий генератор меняет выходной сигнал с «1» на «0», инвертор с «0» на «1», силовой ключ открывается. Четвертьволновое напряжение U_λ/4 подается на ячейку Поккельса. Лазерное излучение, циркулирующее до этого момента в резонаторе, проходит ячейку Поккельса, меняет поляризацию с вертикальной на циркулярную, отражается от второго глухого зеркала и снова проходит ячейку Поккельса, меняет поляризацию с циркулярной на горизонтальную, отражается от поляризатора, стабилизированное как по энергии, так и по времени.The method for stabilizing the output radiation pulses in version 1 of the invention lies in the fact that the pumping unit operates continuously. Until the moment t ₁ , the voltage at the output of the master oscillator is equal to logical "0", the signal inverter has a logical "1" at the output, therefore the power switch is open, the Pockels cell is connected to a quarter-wave voltage source, the quality factor of the resonator is zero, there is no laser generation. In this case, the additional power switch is closed. At time t ₁ , the signal at the output of the master oscillator changes from logical "0" to "1", as a result of which the inverter changes the voltage at its output from "1" to "0", so the power switch closes. The voltage on the Pockels cell is turned off, the quality factor of the resonator becomes high. At a random moment of time, laser radiation is generated and amplified in the resonator. The photodiode registers laser radiation passing through the first blind mirror, and outputs a voltage U _f proportional to the intensity of the laser radiation incident on it, to the comparator of the control unit. At time t ₂ voltage U _f from the photodiode exceeds the value U _to therefore the comparator sends a signal to the positive input of the additional comparator, while there is no signal at the negative input of the latter. As a result, the additional comparator sends a “1” signal to the additional power switch, opens it, and the intermediate voltage source is connected to the Pockels cell. In this case, the resonator losses become equal to the gain in the active element, and the intensity of laser radiation in the resonator remains constant until the time t ₃ determined by the delay line. At time t ₃ the output voltage of the delay line changes from "0" to "1", i.e. becomes equal to the output voltage of the comparator, so the additional comparator changes the output signal from "1" to "0", the additional power switch closes, and the voltage on the Pockels cell is turned off. The quality factor of the resonator becomes high again. The available laser radiation is amplified to a maximum after a fixed period of time. After that, the master oscillator changes the output signal from "1" to "0", the inverter from "0" to "1", the power switch opens. A quarter-wave voltage U _λ/4 is applied to the Pockels cell. The laser radiation circulating in the resonator up to this point passes through the Pockels cell, changes polarization from vertical to circular, is reflected from the second blind mirror and again passes through the Pockels cell, changes polarization from circular to horizontal, is reflected from the polarizer, stabilized both in energy and by time.

Благодаря использованию источника промежуточного напряжения добротность резонатора принимает промежуточное значение во временном интервале, который лежит внутри интервала усиления импульса между t₁ и t₄, поэтому происходит стабилизация выходных импульсов по времени с сохранением стабилизации по энергии.Due to the use of an intermediate voltage source, the quality factor of the resonator takes an intermediate value in the time interval that lies within the pulse amplification interval between t ₁ and t ₄ , therefore, the output pulses are stabilized in time while maintaining energy stabilization.

Способ стабилизации выходных импульсов излучения в варианте 2 изобретения заключается в том, что блок накачки работает непрерывно. До момента t₁ напряжение на выходе задающего генератора равно логическому «О», поэтому силовой ключ закрыт, источник четвертьволнового напряжения отключен от ячейки Поккельса. Дополнительный силовой ключ также закрыт, поэтому источник промежуточного напряжения отключен от дополнительной ячейки Поккельса. В момент времени t₁ сигнал на выходе задающего генератора меняется с логического «0» на «1», вследствие чего силовой ключ открывается. Напряжение на ячейке Поккельса становится четвертьволновым, добротность резонатора становится высокой. В случайный момент времени в резонаторе зарождается и усиливается лазерное излучение. Фотодиод регистрирует лазерное излучение, проходящее через первое глухое зеркало, и выдает напряжение U_ф, пропорциональное интенсивности падающего лазерного излучения, на компаратор блока управления. В момент времени напряжение с фотодиода превышает значение U_к, поэтому компаратор подает положительный сигнал на положительный вход дополнительного компаратора, при этом отсутствует сигнал на отрицательном входе последнего. Вследствие этого дополнительный компаратор подает сигнал «1» на дополнительный силовой ключ, открывает его, и источник промежуточного напряжения подключается к дополнительной ячейке Поккельса. При этом потери резонатора становятся равны усилению в активном элементе, и интенсивность лазерного излучения в резонаторе остается постоянной до момента времени t₃, определяемого линией задержки. В момент времени t₃ выходное напряжение линии задержки меняется с «0» на «1», т.е. становится равным выходному напряжению компаратора, поэтому дополнительный компаратор меняет выходной сигнал с «1» на «0», дополнительный силовой ключ закрывается, и напряжение на дополнительной ячейке Поккельса выключается. Добротность резонатора снова становится высокой. Имеющееся лазерное излучение усиливается до максимума через фиксированный промежуток времени. После этого задающий генератор меняет выходной сигнал с «1» на «0», силовой ключ закрывается. Четвертьволновое напряжение U_W4 отключается от ячейки Поккельса. Лазерное излучение, циркулирующее до этого момента в резонаторе, проходит четвертьволновую пластинку, меняет поляризацию с вертикальной на циркулярную, отражается от второго глухого зеркала и снова проходит четвертьволновую пластинку, меняет поляризацию с циркулярной на горизонтальную, отражается от поляризатора, формируя выходной импульс, стабилизированный как по энергии, так и по времени.The method for stabilizing the output radiation pulses in version 2 of the invention is that the pumping unit operates continuously. Until the moment t _1, the voltage at the output of the master oscillator is equal to the logical "O", therefore the power switch is closed, the quarter-wave voltage source is disconnected from the Pockels cell. The additional power switch is also closed, so the intermediate voltage source is disconnected from the additional Pockels cell. At time t _1, the signal at the output of the master oscillator changes from logical "0" to "1", as a result of which the power switch opens. The voltage on the Pockels cell becomes a quarter-wave, the quality factor of the resonator becomes high. At a random moment of time, laser radiation is generated and amplified in the resonator. The photodiode registers the laser radiation passing through the first blind mirror and outputs a voltage U _f proportional to the intensity of the incident laser radiation to the comparator of the control unit. At the moment, the voltage from the photodiode exceeds the value of U _to , so the comparator gives a positive signal to the positive input of the additional comparator, while there is no signal at the negative input of the latter. As a result, the additional comparator sends a “1” signal to the additional power switch, opens it, and the intermediate voltage source is connected to the additional Pockels cell. In this case, the resonator losses become equal to the gain in the active element, and the intensity of laser radiation in the resonator remains constant until the time t ₃ determined by the delay line. At time t ₃ the output voltage of the delay line changes from "0" to "1", i.e. becomes equal to the output voltage of the comparator, so the additional comparator changes the output signal from "1" to "0", the additional power switch closes, and the voltage on the additional Pockels cell is turned off. The quality factor of the resonator becomes high again. The available laser radiation is amplified to a maximum after a fixed period of time. After that, the master oscillator changes the output signal from "1" to "0", the power switch closes. The quarter-wave voltage U _W4 is disconnected from the Pockels cell. The laser radiation circulating in the resonator up to this point passes through a quarter-wave plate, changes polarization from vertical to circular, is reflected from the second blind mirror and again passes through the quarter-wave plate, changes polarization from circular to horizontal, is reflected from the polarizer, forming an output pulse stabilized as energy as well as time.

Четвертьволновая пластинка, вставленная в резонатор, позволяет инвертировать сигнал от источника четвертьволнового напряжения, поступающего на ячейку Поккельса. Таким образом, высокое напряжение на ней включено в течение короткого интервала времени, что снижает требования к источнику четвертьволнового напряжения. Кроме того, поскольку источники напряжений подключены к разным ячейкам Поккельса, они не имеют общих высоковольтных проводников, что исключает их замыкание между собой.A quarter-wave plate inserted into the resonator makes it possible to invert the signal from the quarter-wave voltage source applied to the Pockels cell. Thus, the high voltage on it is turned on for a short period of time, which reduces the requirements for a quarter-wave voltage source. In addition, since the voltage sources are connected to different Pockels cells, they do not have common high-voltage conductors, which prevents them from shorting to each other.

Таким образом, известные способы (варианты 1 и 2) позволяют реализовать одновременную стабилизацию выходных импульсов излучения как по энергии, так и по времени (периода повторения импульсов), что достигается за счет применения системы обратной связи на основе фотодиода и электронного устройства управления добротностью резонатора посредством формирования заданного временного профиля высоковольтного напряжения на электрооптическом затворе, что позволяет внести задержку необходимой длительности во время усиления лазерного импульса от шумов до насыщения (максимума интенсивности импульса излучения), тем самым скомпенсировать разброс начального момента его зарождения, имеющего случайный характер. При этом резонатор лазера образован двумя глухими зеркалами с выходом пучка излучения через внутрирезонаторный поляризатор.Thus, the known methods (options 1 and 2) make it possible to implement simultaneous stabilization of the output radiation pulses both in energy and in time (pulse repetition period), which is achieved through the use of a feedback system based on a photodiode and an electronic device for controlling the resonator quality factor by means of formation of a predetermined time profile of high-voltage voltage on the electro-optical shutter, which allows introducing a delay of the required duration during amplification of the laser pulse from noise to saturation (maximum intensity of the radiation pulse), thereby compensating for the spread of the initial moment of its generation, which has a random character. In this case, the laser resonator is formed by two blind mirrors with the output of the radiation beam through the intracavity polarizer.

Существенными недостатками известных способов в вариантах 1 и 2 изобретения являются:Significant disadvantages of the known methods in options 1 and 2 of the invention are:

- сложность схемотехнических решений, а также увеличение габаритов и массы лазера из-за необходимости использования в его блоке управления двух источников напряжения для ячейки Поккельса (четвертьволнового и промежуточного напряжения), а также инвертора сигнала (в схеме варианта 1), либо использования в рабочем объеме резонатора дополнительной ячейки Поккельса и четвертьволновой фазовой пластинки (в схеме варианта 2),- the complexity of circuit solutions, as well as an increase in the dimensions and mass of the laser due to the need to use in its control unit two voltage sources for the Pockels cell (quarter-wave and intermediate voltage), as well as a signal inverter (in the circuit of option 1), or use in the working volume resonator of an additional Pockels cell and a quarter-wave phase plate (in the scheme of option 2),

- затягивание и искажение временного профиля генерируемого импульса излучения, а именно его переднего фронта, что в ряде практических применений является нежелательным или недопустимым,- delay and distortion of the time profile of the generated radiation pulse, namely its leading edge, which is undesirable or unacceptable in a number of practical applications,

- неопределенность в сохранении стабилизации параметров выходных импульсов излучения при эксплуатации лазера в широких диапазонах температур оптических элементов лазера (блока накачки, четвертьволновой пластины) или окружающей среды.- uncertainty in maintaining the stabilization of the parameters of the output radiation pulses during operation of the laser in a wide range of temperatures of the optical elements of the laser (pumping unit, quarter-wave plate) or the environment.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является способ термостабилизации элементов накачки, известный из п. РФ №2614084, МПК Н01S 3/042, опубл. 2017 г. Способ заключается в том, что измеряют температуру элементов накачки и формируют управляющие сигналы на термоэлектрические модули и нагреватели, тем самым обеспечивается термостабилизация элементов диодной накачки и, соответственно, работоспособность лазера со стабилизацией энергии в импульсе выходного излучения в широком диапазоне температур окружающей среды.The closest analogue of the claimed invention, selected as a prototype, is a method of thermal stabilization of the pump elements, known from p. RF No. 2614084, IPC H01S 3/042, publ. 2017. The method consists in measuring the temperature of the pumping elements and generating control signals to thermoelectric modules and heaters, thereby ensuring thermal stabilization of the diode pumping elements and, accordingly, the operability of the laser with energy stabilization in the output radiation pulse in a wide range of ambient temperatures.

Управляющий микроконтроллер получает информацию с термодатчиков элементов накачки, термически связанных с элементами накачки, первого термодатчика, термически связанного с контурной тепловой трубой (КТТ) и второго термодатчика, термически связанного с теплоотводящей поверхностью внешнего устройства. Далее, в зависимости от поступающих данных с датчиков системы диагностики (термодатчиков элементов накачки и двух термодатчиков), управляющий микроконтроллер формирует сигнал на систему термостабилизации, а, именно, на нагреватели и термоэлектрические модули, КТТ через драйвера термоэлектрических модулей, нагревателей и контурной тепловой трубы, а также на электрооптический затвор через драйвер электрооптического затвора. Таким образом, осуществляется термостабилизация элементов накачки. При возникновении внештатной ситуации, например, повышении температуры теплоотводящей поверхности выше установленной режимами лазера, по показаниям второго термодатчика микроконтроллер прерывает работу лазера.The control microcontroller receives information from the temperature sensors of the pump elements, thermally connected to the pump elements, the first temperature sensor, thermally connected to the loop heat pipe (LHP), and the second temperature sensor, thermally connected to the heat-removing surface of the external device. Further, depending on the incoming data from the sensors of the diagnostic system (thermal sensors of the pump elements and two thermal sensors), the control microcontroller generates a signal to the thermal stabilization system, namely, to heaters and thermoelectric modules, LHP through the drivers of thermoelectric modules, heaters and a loop heat pipe, as well as to the electro-optical shutter through the electro-optical shutter driver. Thus, the thermal stabilization of the pump elements is carried out. In the event of an emergency situation, for example, an increase in the temperature of the heat-removing surface above that set by the laser modes, the microcontroller interrupts the laser operation based on the readings of the second temperature sensor.

Обеспечение выхода на температурный рабочий режим элементов накачки происходит следующим образом. Нагреватели и термоэлектрические модули, работающие в реверсном режиме, повышают температуру элементов накачки от исходной до рабочей температуры. Термоэлектрические модули обеспечивают охлаждение элементов накачки от исходной повышенной температуры, образованной внешними климатическими условиями эксплуатации, а также в процессе работы элементов накачки, до рабочей температуры через КТТ. Теплообмен между испарителем КТТ и конденсатором происходит за счет разности температур.Ensuring access to the temperature operating mode of the pump elements occurs as follows. Heaters and thermoelectric modules operating in reverse mode increase the temperature of the pump elements from the initial temperature to the operating temperature. Thermoelectric modules provide cooling of the pumping elements from the initial elevated temperature formed by the external climatic conditions of operation, as well as during the operation of the pumping elements, to the operating temperature through the LHP. Heat exchange between the evaporator and the condenser occurs due to the temperature difference.

Данный способ позволяет контролировать процесс и точность термостабилизации элементов диодной накачки, обеспечить необходимый уровень энергии в импульсе выходного излучения при стабилизированной температуре и фиксированной частоте следования импульсов излучения элементов диодной накачки, а также производить диагностику состояния лазера во всех режимах его эксплуатации, контролировать температуру теплоотводящей поверхности и по результатам диагностики реагировать на изменения внешних условий.This method makes it possible to control the process and accuracy of thermal stabilization of diode pump elements, to provide the necessary energy level in the output radiation pulse at a stabilized temperature and a fixed repetition rate of radiation pulses of diode pump elements, as well as to diagnose the state of the laser in all modes of its operation, control the temperature of the heat-removing surface and according to the diagnostic results, respond to changes in external conditions.

Однако данное техническое решение не позволяет обеспечить работоспособность лазера со стабилизацией энергии в импульсе выходного излучения при изменении в широких диапазонах температур элементов диодной накачки и частот повторения импульсов излучения накачки.However, this technical solution does not make it possible to ensure the operability of a laser with energy stabilization in an output radiation pulse when the temperature of the diode pump elements and the pump radiation pulse repetition frequency change over a wide range.

Важными характеристиками лазерных источников на основе твердотельных лазеров, востребованных в дальнометрии и локации, системах оптической связи и научных исследованиях, являются высокая кратковременная (от импульса к импульсу) и долговременная (в течение рабочей серии импульсов излучения) стабильность выходных параметров лазерного излучения. При эксплуатации твердотельных лазеров с диодной накачкой в широких диапазонах температур окружающей среды и/или частот следования импульсов излучения накачки без термостабилизации элементов диодной накачки изменяется собственная температура элементов накачки, что приводит к рассогласованию спектра излучения накачки со спектральными линиями поглощения ионов кристаллических активных сред с характерным температурным сдвигом ≈0,25 нм/°С и, соответственно, к нестабильности энергетических, временных и пространственных параметров выходного излучения.Important characteristics of laser sources based on solid-state lasers, which are in demand in ranging and location, optical communication systems, and scientific research, are high short-term (from pulse to pulse) and long-term (during the working series of radiation pulses) stability of the output parameters of laser radiation. When diode-pumped solid-state lasers are used in a wide range of ambient temperatures and/or pump pulse repetition rates without thermal stabilization of the diode pump elements, the intrinsic temperature of the pump elements changes, which leads to a mismatch between the pump radiation spectrum and the spectral absorption lines of ions of crystalline active media with a characteristic temperature shift ≈0.25 nm/°C and, accordingly, to the instability of the energy, temporal and spatial parameters of the output radiation.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения, - стабилизация энергии в импульсе излучения твердотельного лазера с диодной накачкой и активной модуляцией добротности при его эксплуатации в условиях широких диапазонов температур и частот следования импульсов излучения элементов накачки.The technical result obtained by using the proposed technical solution is the stabilization of the energy in the radiation pulse of a diode-pumped solid-state laser with active Q-switching during its operation in a wide range of temperatures and pulse repetition rates of the radiation pulses of the pump elements.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе стабилизации энергии в импульсе излучения твердотельного лазера с диодной накачкой и активной модуляцией добротности определяют температуру элементов накачки, формируют управляющие сигналы на термоэлектрические модули или нагреватели, а также на формирователь импульсов тока накачки. При значении температуры элементов накачки выше максимальной формируют управляющий сигнал на термоэлектрические модули, при значении температуры элементов накачки ниже минимальной формируют управляющий сигнал на нагреватели, при значениях температур элементов накачки, находящихся между максимальной и минимальной температурами, устанавливают взаимосвязь между длительностью импульса тока накачки и температурой элементов накачки, а также частотой следования импульсов тока накачки, временем работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения, временем перерыва между рабочими сериями импульсов излучения и определяют относительно переднего фронта внешнего управляющего синхроимпульса накачки время задержки формирования импульса тока накачки на элементах накачки с заданной амплитудой, частотой следования импульсов тока накачки и управляемой длительностью по следующей функциональной зависимости:The specified technical result is achieved by the fact that in the method of stabilizing the energy in a radiation pulse of a solid-state laser with diode pumping and active Q-switching, the temperature of the pump elements is determined, control signals are generated for thermoelectric modules or heaters, as well as for the pump current pulse shaper. When the temperature of the pump elements is above the maximum, a control signal is generated for the thermoelectric modules, when the temperature of the pump elements is below the minimum, a control signal is generated for the heaters, at temperatures of the pump elements that are between the maximum and minimum temperatures, a relationship is established between the duration of the pump current pulse and the temperature of the elements the pump current pulse repetition rate, the operating time of the laser in the mode of generating a series of radiation pulses, the interval time between the working series of radiation pulses, and relative to the leading edge of the external control pump sync pulse, the delay time for the formation of a pump current pulse on the pump elements with a given amplitude, frequency is determined pump current pulse repetition and controlled duration according to the following functional dependence:

t_г - время генерационного перехода ионов активной среды, t_н0(T_{н_ср}) -целевая длительность импульса тока накачки в импульсном (при частоте cледования <1 Гц) режиме работы лазера с заданной энергией в импульсе выходного излучения, зависящая от температуры элементов накачки - компенсационная функция энергетических потерь, связанных с деполяризацией в активном элементе, и зависящая от f_н - частоты следования импульсов тока накачки, t_reн - времени работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения, f(t_п) - функция, характеризующая распад крайнего значения длительности импульса тока накачки, вычисленного управляющим микроконтроллером лазера в режиме генерации серии импульсов излучения, и зависящая от времени перерыва между сериями импульсов излучения t_п, при этом температуру элементов накачки, частоту следования импульсов тока накачки, время работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения и время перерыва между рабочими сериями импульсов излучения определяют циклически.t _g is the time of the lasing transition of the ions of the active medium, t _n0 (T _{n_sr} ) is the target duration of the pump current pulse in the pulsed (at a repetition rate <1 Hz) laser operation mode with a given energy in the output radiation pulse, depending on the temperature of the pump elements - compensation function of energy losses associated with depolarization in the active element, and depending on f _n - the repetition rate of the pump current pulses, t _ren - the operating time of the laser in the mode of generating a series of radiation pulses, f(t _p ) - a function characterizing the decay of the extreme value the duration of the pump current pulse calculated by the control microcontroller of the laser in the mode of generating a series of radiation pulses, and depending on the time interval between the series of radiation pulses t _p the break time between the working series of radiation pulses is determined cyclically.

Всей совокупностью существенных признаков достигается стабилизация энергии в импульсе излучения твердотельного лазера с диодной накачкой и активной модуляцией добротности в широких диапазонах температур и частот следования импульсов излучения элементов накачки. Это стало возможным за счет того, что обеспечили адаптивное управление временными параметрами импульса тока накачки на элементах накачки, зависящее от эксплуатационных условий (в первую очередь климатических) и режимов работы (импульсный или импульсно-периодический) лазера, когда учитываются текущие значения температур элементов накачки и частот следования внешних управляющих синхроимпульсов накачки, которые диагностируют постоянно (циклами) и, в зависимости от их значений, формируют управляющие сигналы либо на формирование импульсов тока с требуемой для стабилизации энергетических характеристик лазера длительностью, либо для возврата текущей температуры элементов накачки в их рабочий диапазон. При этом также циклически определяют время работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения и время перерыва между рабочими сериями импульсов излучения.The whole set of essential features achieves stabilization of the energy in a radiation pulse of a diode-pumped solid-state laser with active Q-switching in a wide range of temperatures and pulse repetition rates of the radiation of the pump elements. This became possible due to the fact that we provided adaptive control of the time parameters of the pump current pulse on the pump elements, depending on the operating conditions (primarily climatic) and operating modes (pulsed or repetitively pulsed) of the laser, when the current temperatures of the pump elements and repetition rates of external control pump clock pulses, which are diagnosed constantly (in cycles) and, depending on their values, form control signals either to generate current pulses with the duration required to stabilize the laser energy characteristics, or to return the current temperature of the pump elements to their operating range. At the same time, the operating time of the laser in the mode of generating a series of radiation pulses and the time of a break between the working series of radiation pulses are also cyclically determined.

Это позволяет стабилизировать энергию в импульсе выходного излучения лазера в широком диапазоне значений температур элементов накачки как в условиях их импульсно-периодического режима работы с высокой частотой следования импульсов тока накачки, так и в условиях изменения значений температур окружающей среды.This makes it possible to stabilize the energy in a laser output pulse over a wide temperature range of pump elements, both under conditions of their repetitively pulsed operation with a high pump current pulse repetition rate, and under conditions of varying ambient temperatures.

При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленное изобретение 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 this invention. And also, the fact of the popularity of the influence of the features included in the formula on the technical result of the proposed technical solution has not been revealed. Therefore, the claimed invention 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 лазера.In FIG. 2 - optical scheme of the laser.

На фиг. 3 - график зависимости длительности импульса тока накачки от температуры элементов накачки при заданной энергии в импульсе выходного излучения и импульсном режиме генерации, где T_min, T_max - минимальное и максимальное значения температур на элементах накачки лазера, при котором длительность импульса тока накачки t_н__max≤t_г (например, для активной среды YAG:Nd t_г ≈ 230 мкс), a t_{н_mm} - минимальная длительность импульса тока накачки, соответствующая наиболее интенсивным спектральным линиям поглощения излучения накачки с длинами волн λ₁ и λ₂ активной среды при значениях температур элементов накачки T₁ и Т₂ (например для активной среды YAG:Nd λ₁≈796 нм, λ₂ ≈808,5 нм).In FIG. 3 is a graph of the duration of the pump current pulse as a function of the temperature of the pump elements at a given energy in the output radiation pulse and the pulsed generation mode, where T _min , T _max are the minimum and maximum temperatures on the laser pump elements, at which the duration of the pump current pulse t _n _ _max ≤t _g (for example, for the active medium YAG:Nd t _g ≈ 230 μs), at _{n_mm} - the minimum duration of the pump current pulse corresponding to the most intense spectral absorption lines of pump radiation with wavelengths λ ₁ and λ ₂ of the active medium at temperatures pump elements T ₁ and T ₂ (for example, for the active medium YAG:Nd λ ₁ ≈796 nm, λ ₂ ≈808.5 nm).

На фиг. 4 - график зависимости амплитуд внешних управляющих синхроимпульсов накачки СИН и излучения СИИ (а), импульса тока накачки (б) и высокого напряжения на ячейке Поккельса (в) от времени, где to - время поступления на входные цепи лазера внешнего управляющего синхроимпульса накачки (СИН) с амплитудой U_CH и длительностью t_син, t₁ - время поступления на входные цепи лазера внешнего управляющего синхроимпульса излучения (СИИ) с амплитудой U_си и длительностью t_син, t_г - длительность генерационного перехода ионов активной среды, t_н - длительность импульса тока накачки, - средняя температура элементов накачки, f_н - частота следования импульсов тока накачки, t₃ - время задержки формирования импульса тока накачки относительно переднего фронта синхроимпульса СИН, I_н - амплитуда тока накачки, U_λ/2- амплитуда полуволнового напряжения на ячейке Поккельса, t_п - время перерыва между рабочими сериями импульсов излучения.In FIG. 4 is a plot of the amplitudes of the external control pump sync pulses of the SYN and the SR radiation (a), the pump current pulse (b) and the high voltage on the Pockels cell (c) versus time, where to is the time of arrival at the input circuits of the laser of the external control pump sync pulse (SIN ) with amplitude U _CH and duration t _syn , t ₁ is the time of arrival at the input circuits of the laser of an external control clock pulse of radiation (SII) with amplitude U _si and duration t _syn , t _g is the duration of the lasing transition of ions of the active medium, t _n is the pulse duration pump current, - the average temperature of the pump elements, f _n - the repetition rate of the pump current pulses, t ₃ - the delay time of the formation of the pump current pulse relative to the leading edge of the SIN clock pulse, I _n - the amplitude of the pump current, U _λ/2 - the amplitude of the half-wave voltage on the Pockels cell, t _n - break time between working series of radiation pulses.

На фиг. 5 - динамика длительности импульса тока накачки, вычисляемая управляющим микроконтроллером, в режимах «Работа» при частоте следования импульсов тока накачки f_н и «Ожидание» в течение времени генерации серии импульсов излучения t_гeн и перерыва между рабочими сериями импульсов излучения t_п соответственно.In FIG. 5 - the dynamics of the duration of the pump current pulse, calculated by the control microcontroller, in the "Operation" modes at the repetition rate of the pump current pulses f _n and "Waiting" during the generation time of a series of radiation pulses t _gen and a break between the working series of radiation pulses t _p , respectively.

На фиг. 6 - представлены экспериментальные (маркеры) зависимости длительности импульса тока накачки t_н0 от средней температуры элементов накачки в импульсном режиме работы лазера с активной модуляцией добротности.In FIG. 6 - experimental (markers) dependences of the duration of the pump current pulse t _n0 on the average temperature of the pump elements are presented in the pulsed operating mode of the laser with active Q-switching.

Твердотельный лазер с диодной накачкой и активной модуляцией добротности, реализующий заявляемый способ, содержит излучатель 1 с оптическим модулем накачки 2, формирователь импульсов 3 и блок электроники 4 (фиг. 1). Оптический модуль накачки 2 содержит элементы накачки 5, активный элемент 6, нагреватели 7 и термодатчики 8 элементов накачки. Оптический резонатор 9 излучателя 1 содержит активный элемент 6, глухое зеркало 10, поляризаторы 11, 12, ячейку Поккельса 13 (например, на основе сборки высокоомных кристаллов КТР по термокомпенсированной схеме), выходное зеркало 14 (фиг. ). Поляризаторы 11 и 12, а также ячейка Поккельса 13 образуют электрооптический затвор (ЭОЗ) 15 для активной модуляции добротности оптического резонатора 9, управление которым осуществляется с помощью подачи на ячейку Поккельса импульсного полуволнового напряжения с амплитудой U_λ/2. A diode-pumped solid-state laser with active Q-switching, which implements the proposed method, contains an emitter 1 with an optical pump module 2, a pulse shaper 3 and an electronics unit 4 (Fig. 1). The optical pump module 2 contains pump elements 5, an active element 6, heaters 7 and temperature sensors 8 of the pump elements. The optical resonator 9 of the emitter 1 contains an active element 6, a blind mirror 10, polarizers 11, 12, a Pockels cell 13 (for example, based on an assembly of high-resistance KTP crystals according to a thermally compensated circuit), an output mirror 14 (Fig.). Polarizers 11 and 12, as well as the Pockels cell 13, form an electro-optical shutter (EOS) 15 for active Q-switching of the optical resonator 9, which is controlled by applying a pulsed half-wave voltage with amplitude U _{λ/2 to the Pockels cell.}

Излучатель 1 содержит теплообменник 16, первый 17 и второй 18 термодатчики и термоэлектрические модули 19. Блок электроники 4 содержит управляющий микроконтроллер 20 и драйверы нагревателей 21, термоэлектрических модулей 22 и электрооптического затвора 23. Управляющий микроконтроллер 20 соединен с формирователем импульсов 3, который соединен с элементами накачки 5, оптически связанными с активным элементом 6. Термоэлектрические модули 19 через медную пластину из состава теплообменника 16 имеют тепловой контакт с теплоотводящей поверхностью внешнего устройства. Под внешним устройством понимается оптико-электронная аппаратура, в которой лазер применяется в качестве источника лазерного излучения. Первый 17 и второй 18 термодатчики расположены в объеме теплообменника 16 со стороны холодной и горячей поверхностей термоэлектрических модулей 19 соответственно.The emitter 1 contains a heat exchanger 16, the first 17 and second 18 temperature sensors and thermoelectric modules 19. The electronics unit 4 contains a control microcontroller 20 and drivers of heaters 21, thermoelectric modules 22 and an electro-optical shutter 23. The control microcontroller 20 is connected to the pulse shaper 3, which is connected to the elements pumping 5, optically connected with the active element 6. Thermoelectric modules 19 through a copper plate from the composition of the heat exchanger 16 have thermal contact with the heat-removing surface of the external device. An external device is understood as optoelectronic equipment in which a laser is used as a source of laser radiation. The first 17 and second 18 temperature sensors are located in the volume of the heat exchanger 16 on the side of the cold and hot surfaces of the thermoelectric modules 19, respectively.

Система управления (СУ) лазера содержит термоэлектрические модули 19, управляющий микроконтроллер 20, первый 17 и второй 18 термодатчики, формирователь импульсов 3, термодатчики элементов накачки 8, нагреватели 7, драйверы нагревателей 21, термоэлектрических модулей 22 и электрооптического затвора 23.The control system (CS) of the laser contains thermoelectric modules 19, a control microcontroller 20, the first 17 and second 18 thermal sensors, a pulse shaper 3, thermal sensors of the pumping elements 8, heaters 7, drivers of heaters 21, thermoelectric modules 22 and an electro-optical shutter 23.

Выходы термодатчиков 17, 18 соединены с входами управляющего микроконтроллера 20, выход которого соединен с входом драйвера 22 термоэлектрических модулей, выход которого соединен с входом термоэлектрических модулей 19. Входы термодатчиков элементов накачки 8 термически связаны с выходом элементов накачки 5.The outputs of the temperature sensors 17, 18 are connected to the inputs of the control microcontroller 20, the output of which is connected to the input of the thermoelectric module driver 22, the output of which is connected to the input of the thermoelectric modules 19. The inputs of the temperature sensors of the pump elements 8 are thermally connected to the output of the pump elements 5.

Выход управляющего микроконтроллера 20 соединен с входами драйвера нагревателей 21 и драйвера электрооптического затвора 23. Выход нагревателей 7 термически связан с входом элементов накачки 5, а вход - с выходом драйвера нагревателей 21. Теплообменник 16 термически связан с элементами накачки 5, активным элементом 6, первым термодатчиком 17, вторым термодатчиком 18 и термоэлектрическими модулями 19.The output of the control microcontroller 20 is connected to the inputs of the heater driver 21 and the driver of the electro-optical shutter 23. The output of the heaters 7 is thermally connected to the input of the pump elements 5, and the input is connected to the output of the heater driver 21. The heat exchanger 16 is thermally connected to the pump elements 5, the active element 6, the first temperature sensor 17, second temperature sensor 18 and thermoelectric modules 19.

Выходы термодатчиков 8 элементов накачки соединены с входом управляющего микроконтроллера 20, вход ячейки Поккельса 13 связан с выходом драйвера электрооптического затвора 23, ячейка Поккельса 13, поляризаторы 11 и 12, а также зеркала 14 и 10, оптически связаны с активным элементом 6. Выход управляющего микроконтроллера 20 соединен с входом формирователя импульсов 3, выход которого соединен с входом элементов накачки 5.The outputs of thermal sensors 8 of the pump elements are connected to the input of the control microcontroller 20, the input of the Pockels cell 13 is connected to the output of the electro-optical shutter driver 23, the Pockels cell 13, the polarizers 11 and 12, and also the mirrors 14 and 10 are optically connected to the active element 6. The output of the control microcontroller 20 is connected to the input of the pulse shaper 3, the output of which is connected to the input of the pump elements 5.

Способ осуществляют следующим образом.The method is carried out as follows.

При подаче на входные цепи лазера внешнего питающего напряжения от системы управления внешнего устройства 24 лазер переходит в режим работы «Подготовка» и СУ лазера посредством блока электроники 4 формирует выходной ШИМ сигнал с частотой следования импульсов 1±0,05 Гц и коэффициентом заполнения γ=t_ф/t_пр, где t_ф - время функционирования лазера в режиме «Подготовка» после подачи на его входные цепи внешнего электропитания, t_np - прогнозируемое СУ лазера в зависимости от текущих эксплуатационных условий время его выхода в режим «Ожидание» с формированием непрерывного сигнала «Готов».When an external supply voltage is applied to the input circuits of the laser from the control system of the external device 24, the laser switches to the "Preparation" operating mode and the laser control system by means of the electronics unit 4 generates an output PWM signal with a pulse repetition rate of 1 ± 0.05 Hz and a duty cycle γ=t _f /t _pr , where t _f is the operating time of the laser in the “Preparation” mode after the external power supply is applied to its input circuits, t _np is the predicted CS of the laser, depending on the current operating conditions, the time it takes to enter the “Standby” mode with the formation of a continuous signal "Ready".

При этом, если температура элементов накачки 5 ниже значения T_min (фиг. 3), то СУ лазера подает сигнал нагревателям 7 для повышения температуры элементов накачки 5 от исходной до рабочей температуры T_min. Если температура элементов накачки 5 выше температуры Т₂ и меньше Т_mах, то СУ лазера подает сигнал на включение термоэлектрических модулей 21, которые обеспечивают охлаждение элементов накачки 5 до значения температуры (фиг. 4). Тепло, выделяемое термоэлектрическими модулями 19 при охлаждении элементов накачки 5, отводится либо кондуктивно через теплоотводящую поверхность внешнего устройства, либо за счет конвективного теплообмена.In this case, if the temperature of the pump elements 5 is below the value T _min (Fig. 3), then the laser control system sends a signal to the heaters 7 to increase the temperature of the pump elements 5 from the initial temperature to the operating temperature T _min . If the temperature of the pump elements 5 is higher than the temperature T ₂ and less than T _max , then the laser control system sends a signal to turn on the thermoelectric modules 21, which provide cooling of the pump elements 5 to the temperature value (Fig. 4). The heat released by the thermoelectric modules 19 during cooling of the pumping elements 5 is removed either conductively through the heat-removing surface of the external device or due to convective heat exchange.

При достижении температуры элементов накачки 5 Т_{н_ср}>Tmin СУ лазера через блок электроники 4 сообщает системе управления внешнего устройства 24 посредством формирования непрерывного (γ=1) выходного сигнала о готовности лазера к работе, что означает переход лазера в режим «Ожидание».When the temperature of the pump elements reaches 5 T _{n_sr} >Tmin, the laser control system through the electronics unit 4 informs the control system of the external device 24 by generating a continuous (γ=1) output signal about the readiness of the laser for operation, which means the transition of the laser to the “Standby” mode.

Если при подаче на входные цепи лазера внешнего питающего напряжения текущая температура элементов накачки 5 находится в диапазоне то лазер в течение не более 3 секунд переходит в режим работы «Ожидание» с формированием непрерывного (γ=1) выходного сигнала «Готов».If, when an external supply voltage is applied to the input circuits of the laser, the current temperature of the pump elements 5 is in the range then the laser for no more than 3 seconds switches to the "Waiting" mode with the formation of a continuous (γ=1) output signal "Ready".

При нахождении лазера в режиме работы «Ожидание», т.е. выполняется условие СУ лазера при помощи термодатчиков 8 производит циклическое (например, с периодичностью не более 1 секунды) считывание данных о текущей температуре элементов накачки 5 и циклически (например, с периодичностью не более 1 секунды) вычисляет соответствующее текущей температурезначение целевой длительности импульса тока накачки (фиг. 3).When the laser is in the "Standby" mode, i.e. the condition The laser control system using thermal sensors 8 performs cyclic (for example, with a frequency of no more than 1 second) reading data on the current temperature of the pump elements 5 and cyclically (for example, with a frequency of no more than 1 second) calculates the corresponding current temperature the value of the target duration of the pump current pulse (Fig. 3).

Система управления внешнего устройства 24 посылает на входные цепи СУ лазера синхроимпульсы СИН в момент времени t₀ и СИИ в момент времени ti с заданным временным интервалом t_г (фиг. 4а), тем самым запускается процесс перехода лазера из режима «Ожидание» в режим «Работа».The control system of the external device 24 sends to the input circuits of the control system of the laser synchro pulses SIN at time t ₀ and SII at time ti with a given time interval t _g (Fig. 4a), thereby starting the process of switching the laser from the “Standby” mode to the “ Job".

Внешние управляющие синхроимпульсы накачки (СИН) и излучения (СИИ) (фиг. 4а) поступают на управляющий микроконтроллер 20 СУ лазера, который циклически (например, с периодичностью не более 1 секунды) осуществляет контроль частоты следования f_си внешних управляющих синхроимпульсов СИН и СИИ.External control clock pulses of pumping (SIN) and radiation (SII) (Fig. 4a) are fed to the control microcontroller 20 SU of the laser, which cyclically (for example, with a frequency of no more than 1 second) controls the repetition rate f _of external control clock pulses of SIN and SII.

Если f_си<1 Гц управляющий микроконтроллер 20 СУ лазера передает сигнал на формирователь импульсов 3, который формирует на элементах накачки 5 импульсы тока накачки с заданной амплитудой I_н (например, I_н=120 А), частотой следования f_н=f_cи<1 Гц и длительностью соответствующей текущей температуре (фиг. 3).If f _si <1 Hz, the control microcontroller 20 of the laser control system transmits a signal to the pulse shaper 3, which generates pump current pulses on the pump elements 5 with a given amplitude I _n (for example, I _{n \} u003d 120 A), repetition rate f _n \u003d f _ci < 1 Hz and duration corresponding current temperature (Fig. 3).

Если f_си>1 Гц управляющий микроконтроллер 20 СУ лазера передает сигнал на формирователь импульсов 3, который формирует на элементах накачки 5 импульсы тока накачки с заданной амплитудой I_п (например, I_н=120 А), частотой следования f_н=f_си≥1 Гц и длительностью cоответствующей текущей температуре элементов накачки 5 Т_н__ср, текущей частоте следования импульсов тока накачки f„ и времени работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения t_ieн (например, в течение Δt_ген=t_ген3-t_ген0=25 секунд (конкретное значение определяется максимально допустимой частотой следования импульсов излучения при импульсно-периодическом режиме работы лазера)) (фиг. 4, фиг. 5).If f _si >1 Hz, the control microcontroller 20 of the laser control system transmits a signal to the pulse shaper 3, which generates pump current pulses on the pump elements 5 with a given amplitude I _p (for example, I _n \u003d 120 A), repetition rate f _n \u003d f _si ≥ 1 Hz and duration corresponding to the current temperature of the pump elements 5 T _n _ _sr , the current pulse repetition rate of the pump current f„ and the operating time of the laser in the mode of generating a series of radiation pulses t _ien (for example, during Δt _gene =t _gene3 -t _gene0 =25 seconds (specific value is determined by the maximum allowable repetition rate of radiation pulses in the repetitively pulsed mode of laser operation)) (Fig. 4, Fig. 5).

В случае если при функционировании лазера в режиме «Работа» с генерацией серии импульсов излучения на входные цепи СУ лазера прерывается поступление внешнего управляющего синхроимпульса СИН, лазер переходит в режим «Ожидание» с временем перерыва t_п между рабочими сериями импульсов излучения (т.е. режимами «Работа»). При этом, управляющий микроконтроллер 20 СУ лазера в течение времени перерыва t_п циклически (например, с периодичностью не более 1 секунды) определяет длительность импульса тока накачки в соответствии с функцией f(t_п), инвертированного относительно функции f(f_н, t_ген) вида, характеризующей распад крайнего значения длительности импульса тока накачки, вычисленного управляющим микроконтроллером лазера в режиме генерации серии импульсов излучения, и зависящей только от времени перерыва между сериями импульсов излучения t_n (например, в течении Δt_п=I_п3-t_п0=25 секунд (конкретное значение определяется максимально допустимой частотой следования импульсов излучения при импульсно-периодическом режиме работы лазера)) (фиг. 5).If, during the operation of the laser in the "Operation" mode with the generation of a series of radiation pulses, the input circuits of the CS of the laser interrupt the supply of an external control synchropulse SIN, the laser switches to the "Standby" mode with a break time t _p between the working series of radiation pulses (i.e. work modes). At the same time, the control microcontroller 20 of the laser control system during the break time t _p cyclically (for example, with a frequency of no more than 1 second) determines the duration of the pump current pulse in accordance with the function f(t _p ), inverted with respect to the function f(f _n , t _gene ) of the form that characterizes the decay of the extreme value of the duration of the pump current pulse, calculated by the control microcontroller of the laser in the mode of generating a series of radiation pulses, and depending only on the time interval between series of radiation pulses t _n (for example, during Δt _p =I _p3 -t _p0 =25 seconds (the specific value is determined by the maximum allowable repetition rate of radiation pulses in the repetitively pulsed mode of laser operation)) (Fig. 5).

В случае если на входные цепи СУ лазера от системы внешнего устройства 24 вновь поступают управляющие синхроимпульсы СИН и СИИ с частотой следования f_си для перехода лазера в режим «Работа» в момент времени t_пl≤t_п≤t_п3, то управляющий микроконтроллер 20 СУ лазера передает сигнал на формирователь импульсов 3, который формирует на элементах накачки 5 импульсы тока накачки с заданной амплитудой I_н (например, I_н=120 А), частотой следования f_н=f_си и длительностью t_н1≤t_н≤t_н2 в соответствии с функцией вида If the input circuits of the control system of the laser from the system of the external device 24 again receive control clock pulses SIN and SII with a repetition rate f _SI to switch the laser to the "Operation" mode at the time t _pl ≤t _p ≤t _p3 , then the control microcontroller 20 CS the laser transmits a signal to the pulse shaper 3, which generates pump current pulses on the pump elements 5 with a given amplitude I _n (for example, I _n \u003d 120 A), repetition rate f _n \u003d f _si and duration t _n1 ≤t _n ≤t _n2 in according to the view function

Таким образом, СУ лазера циклически определяет температуру элементов накачки, частоту следования импульсов внешних управляющих синхроимпульсов, время работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения и время перерыва между рабочими сериями импульсов излучения и задерживает управляющий сигнал на формирование импульсов тока накачки на элементах накачки 5 с заданной амплитудой I_н и изменяемой длительностью относительно переднего фронта внешнего синхроимпульса СИН с временем задержки при f_н=f_си<1 Гц или при f_н=f_си>1 Гц (фиг. 3, фиг. 4б, фиг. 5), тем самым обеспечивается адаптивное управление временными параметрами импульса тока накачки на элементах накачки, зависящее от эксплуатационных условий (в первую очередь климатических) и режимов работы лазера (импульсный или импульсно-периодический).Thus, the laser control system cyclically determines the temperature of the pump elements, the pulse repetition rate of external control clock pulses, the operating time of the laser in the mode of generating a series of radiation pulses and the time interval between the working series of radiation pulses, and delays the control signal for the formation of pump current pulses on the pump elements 5 with a given amplitude I _n and variable duration relative to the rising edge of the external sync pulse LSS with a delay time when f _n \u003d f _si <1 Hz or at f _n =f _si >1 Hz (Fig. 3, Fig. 4b, Fig. 5), this ensures adaptive control of the time parameters of the pump current pulse on the pump elements, depending on the operating conditions (primarily climatic) and operating modes laser (pulsed or repetitively pulsed).

Сформированный формирователем импульсов 3 импульс тока накачки заданной амплитуды I_н с частотой следования f_сн=f_н<f_{н_max} и циклически изменяемой (с периодом не более 1 секунды) в процессе функционирования лазера в режиме «Работа» длительностью подается на элементы накачки 5 (фиг. 1), которые начинают генерировать излучение накачки с циклически (не более 1 секунды) изменяемой общей энергией в импульсе. При этом, независимо от температуры элементов накачки и, соответственно, спектра их излучения энергия в импульсе излучения накачки, поглощенная в объеме активного элемента 6, размещенного в оптическом резонаторе 9, остается постоянной в широком диапазоне температур элементов накачки (в пределах значений между максимальной и минимальной температурами). Доля энергии излучения накачки, не поглощенная в активном элементе, а также поглощенная в его объеме идет на тепловые потери. Тепло, выделяемое в квантроне лазера, элементами накачки 5 и в активном элементе 6 в режиме генерации излучения, транспортируется до термоэлектрических модулей 19 при помощи теплообменника 16. Таким образом, возбуждается активная среда между глухим 10 и выходным 14 зеркалами оптического резонатора 9.The pump current pulse of a given amplitude I _n generated by the pulse shaper 3 with a repetition rate f _cn =f _n <f _{n_max} and cyclically changed (with a period of not more than 1 second) during the operation of the laser in the "Operation" mode with a duration is fed to the pump elements 5 (Fig. 1), which begin to generate pump radiation with a cyclically (no more than 1 second) change in the total energy per pulse. In this case, regardless of the temperature of the pump elements and, accordingly, the spectrum of their radiation, the energy in the pump radiation pulse absorbed in the volume of the active element 6 placed in the optical resonator 9 remains constant over a wide temperature range of the pump elements (within values between the maximum and minimum temperatures). The fraction of the pump radiation energy that is not absorbed in the active element, as well as absorbed in its volume, goes to heat losses. The heat released in the laser head, the pump elements 5 and in the active element 6 in the radiation generation mode is transported to the thermoelectric modules 19 by means of the heat exchanger 16. Thus, the active medium is excited between the deaf 10 and output 14 mirrors of the optical resonator 9.

Внешний управляющий синхроимпульс излучения (СИИ) (фиг. 3а) в момент времени t₁ поступает на управляющий микроконтроллер 20 СУ лазера. После чего СУ лазера посылает сигнал на запуск драйвера электрооптического затвора 23, формирующего высоковольтный импульс напряжения с амплитудой U_λ/2 на ячейке Поккельса 13 из состава электрооптического затвора (фиг. 3в), в результате чего возникает стабильная по энергии генерация наносекундного моноимпульса лазерного излучения с минимальным временным джиттером. Таким образом, в лазере осуществляется электрооптическая (активная) модуляция добротности. Конфигурация оптического резонатора в совокупности позволяет сформировать пучок выходного излучения с заданными пространственными характеристиками, а именно диаметром и расходимостью. Направление выходного излучения показано на фиг. 2.An external control pulse of radiation (SII) (Fig. 3a) at time t ₁ is supplied to the control microcontroller 20 SU of the laser. After that, the control system of the laser sends a signal to start the driver of the electro-optical shutter 23, which forms a high-voltage voltage pulse with amplitude U _λ/2 on the Pockels cell 13 from the composition of the electro-optical shutter (Fig. 3c), resulting in an energy-stable generation of a nanosecond monopulse of laser radiation with minimum time jitter. Thus, electro-optical (active) Q-switching is carried out in the laser. The configuration of the optical resonator together makes it possible to form an output radiation beam with specified spatial characteristics, namely, diameter and divergence. The direction of the output radiation is shown in Fig. 2.

В результате, обеспечивается стабилизация энергии в импульсе выходного излучения лазера в широком диапазоне температур элементов накачки как в условиях их импульсно-периодического режима работы с высокой частотой следования импульсов тока накачки, так и в условиях изменения значений температур окружающей среды, минимальный временной джиттер генерируемого моноимпульса излучения, снижение тепловыделения в лазере и общего энергопотребления в целом, сокращение времени выхода лазера на рабочий температурный режим элементов накачки при предельных пониженных и повышенных рабочих температурах окружающей среды, а также мгновенная готовность лазера к функционированию по предназначению в широком диапазоне рабочих температур окружающей среды.As a result, the stabilization of the energy in the laser output pulse is ensured in a wide temperature range of the pump elements, both under the conditions of their repetitively pulsed operation with a high repetition rate of the pump current pulses, and under conditions of changing ambient temperatures, the minimum temporal jitter of the generated monopulse of radiation , reducing heat generation in the laser and overall power consumption in general, reducing the time it takes for the laser to reach the operating temperature regime of the pump elements at extreme low and high operating ambient temperatures, as well as the instantaneous readiness of the laser to operate as intended in a wide range of operating ambient temperatures.

В процессе функционирования лазера его СУ обеспечивает защиту всей лазерной системы от внештатных эксплуатационных режимов работы. При возникновении внештатной ситуации, например, повышении температуры теплоотводящей поверхности внешнего устройства выше заданной, по показаниям второго термодатчика 18 микроконтроллер 20 прерывает работу лазера. Если значение температуры элементов накачки 5 то СУ лазера блокирует формирование импульсов тока накачки, а также отключает термоэлектрические модули 19. Если частота следования импульсов внешних управляющих синхроимпульсов СИН и СИИ (например, Гц), то СУ лазера ограничивает частоту следования формируемых на элементах накачки импульсов тока накачки, так что f_н<f_{н max}.During the operation of the laser, its control system ensures the protection of the entire laser system from abnormal operating modes. If an emergency situation occurs, for example, the temperature of the heat-removing surface of the external device rises above the set value, according to the readings of the second temperature sensor 18, the microcontroller 20 interrupts the operation of the laser. If the temperature value of the pump elements is 5 then the laser control system blocks the formation of pump current pulses and also turns off the thermoelectric modules 19. If the pulse repetition rate of the external control sync (For example, Hz), then the control system of the laser limits the repetition rate of the pump current pulses formed on the pump elements, so that f _n <f _{n max} .

Управляющий микроконтроллер 20 получает информацию с термодатчиков 8, элементов накачки 5, первого 17 и второго 18 термодатчиков, хранит в энергонезависимой памяти данные о суммарном количестве сформированных на элементах накачки 5 импульсов тока накачки и общей продолжительности наработки лазера во всех режимах его функционирования («Подготовка», «Ожидание» и «Работа») в течение жизненного цикла, обрабатывает их и формирует на выходе лазера информацию для обмена с системой управления внешнего устройства 24.The control microcontroller 20 receives information from temperature sensors 8, pump elements 5, the first 17 and second 18 temperature sensors, stores in non-volatile memory data on the total number of pump current pulses generated on the pump elements 5 and the total duration of the laser in all modes of its operation ("Preparation" , "Waiting" and "Work") during the life cycle, processes them and generates information at the output of the laser for exchange with the control system of the external device 24.

Таким образом, в твердотельном лазере с диодной накачкой и активной модуляцией добротности осуществляется контроль и диагностика текущей температуры на элементах накачки, частоты следования импульсов внешних управляющих сигналов, времени работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения и времени перерыва между рабочими сериями импульсов излучения, а адаптивное управление длительностью импульса тока накачки заданной амплитуды на элементах накачки, позволяет обеспечить:Thus, in a solid-state laser with diode pumping and active Q-switching, the control and diagnostics of the current temperature on the pump elements, the pulse repetition rate of external control signals, the operating time of the laser in the mode of generating a series of radiation pulses and the interval time between working series of radiation pulses are carried out, and adaptive Controlling the duration of the pump current pulse of a given amplitude on the pump elements makes it possible to provide:

- высокую кратковременную (от импульса к импульсу) и долговременную стабильность энергии в импульсе выходного излучения в широком диапазоне рабочих температур и частот следования импульсов излучения элементов накачки без их термостабилизации;- high short-term (pulse-to-pulse) and long-term stability of the energy in the output radiation pulse in a wide range of operating temperatures and pulse repetition rates of the radiation of the pump elements without their thermal stabilization;

- минимальный временной джиттер генерируемого импульса излучения;- minimum temporal jitter of the generated radiation pulse;

- сокращение времени выхода лазера на рабочий режим при предельных пониженных и повышенных рабочих температурах окружающей среды;- reduction of the time for the laser to reach the operating mode at extreme low and high ambient operating temperatures;

- мгновенную готовность лазера к функционированию по предназначению в широком диапазоне рабочих температур окружающей среды;- instant readiness of the laser to function as intended in a wide range of operating ambient temperatures;

- минимальное тепловыделение в лазере и его общее энергопотребление.- minimum heat generation in the laser and its total power consumption.

Примером практического применения заявленного способа может служить созданный импульсно-периодический (до 30 Гц) YAG:Nd-лазер с поперечной диодной накачкой (максимальная суммарная энергия в импульсе излучения накачки ≤1,5 Дж при максимальной длительности импульса накачки t_н≤230 мкс и ширине спектра излучения накачки<5 нм) и электрооптической модуляцией добротности с активным элементом в виде стержня цилиндрической геометрии из алюмоиттриевого граната с неодимом YAG:Nd³⁺ (∅ × 65) мм с концентрацией активатора 1,1 ат. %. В качестве электрооптического модулятора добротности была применена сборка из высокоомных кристаллов КТР (8 × 8 × 25) мм. В качестве элементов накачки применены матрицы лазерных диодов производства ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ, патент РФ №2544875, в количестве 3 штук. На фиг. 6 представлены экспериментальные (маркеры) зависимости вышеуказанного лазера с активной модуляцией добротности при стабилизации уровня энергии в импульсе выходного излучения 100 мДж, 120 мДж, 140 мДж и 160 мДж со среднеквадратическим отклонением не более 5% и длиной волны ≈ 1064 нм.An example of the practical application of the claimed method is the created repetitively pulsed (up to 30 Hz) YAG:Nd laser with transverse diode pumping (maximum total energy in the pump radiation pulse ≤1.5 J with a maximum pump pulse duration t _n ≤230 μs and width pump emission spectrum <5 nm) and electro-optical Q-switching with an active element in the form of a rod of cylindrical geometry made of yttrium aluminum garnet with neodymium YAG:Nd ³⁺ (∅ × 65) mm with an activator concentration of 1.1 at. %. An assembly of high-resistance KTP crystals (8 × 8 × 25) mm was used as an electro-optical Q-switch. As pumping elements, laser diode arrays manufactured by Federal State Unitary Enterprise RFNC-VNIITF, RF patent No. 2544875, in the amount of 3 pieces, were used. In FIG. 6 shows the experimental (markers) dependencies of the above laser with active Q-switching when stabilizing the energy level in the output radiation pulse of 100 mJ, 120 mJ, 140 mJ and 160 mJ with a standard deviation of no more than 5% and a wavelength of ≈ 1064 nm.

За счет наличия спектральных линий поглощения излучения в активной среде лазера (например, для YAG:Nd в спектральном диапазоне от 792 нм до 812 нм) и характерного температурного сдвига центральной длины волны излучения элементов накачки, составляющего ≈ 0,25 нм/°С, а также циклического диагностического контроля значений температур элементов накачки, частоты следования импульсов внешних управляющих сигналов и внедрения в систему электропитания и управления лазера алгоритма адаптивного управления длительностью импульса тока накачки (фиг. 4, фиг. 5) удалось обеспечить высокую (среднеквадратическое отклонение не хуже 8,5%) стабилизацию энергии в импульсе излучения лазера в широком диапазоне температур элементов накачки (≤100°С) без термостабилизации при частоте следования импульсов излучения до 30 Гц.Due to the presence of spectral lines of absorption of radiation in the active medium of the laser (for example, for YAG:Nd in the spectral range from 792 nm to 812 nm) and a characteristic temperature shift of the central wavelength of the radiation of the pump elements, which is ≈ 0.25 nm/°С, and as well as cyclic diagnostic monitoring of the temperature values of the pump elements, the pulse repetition rate of external control signals and the introduction of an adaptive control algorithm for the pump current pulse duration (Fig. 4, Fig. 5) into the power supply and control system of the laser, it was possible to provide a high (root-mean-square deviation no worse than 8.5 %) energy stabilization in a laser radiation pulse in a wide temperature range of pump elements (≤100°C) without thermal stabilization at a radiation pulse repetition rate of up to 30 Hz.

Основные характеристики созданного твердотельного лазера с диодной накачкой и электрооптической модуляцией добротности: длина волны излучения - ≈ 1064 нм, энергия в импульсе выходного излучения - (120±10) мДж, расходимость лазерного пучка излучения по уровню интенсивности 1/с² - не более 2,5 мрад, частота следования импульсов излучения - до 30 Гц, диаметр пучка излучения - не более 5 мм, длительность импульса излучения на полувысоте ≈ 5 нс, временной джиттер - не более 10 нс, время выхода лазера в режим работы «Ожидание» не более 5 мин при температуре окружающей среды минус 50°С и не более 3 секунд при температуре элементов накачки от 0°С до плюс 85°С, диапазон рабочих температур окружающей среды, в условиях которого допускается эксплуатация лазера - от минус 50°С до плюс 65°С.The main characteristics of the created solid-state laser with diode pumping and electro-optical Q-switching: radiation wavelength - ≈ 1064 nm, output radiation pulse energy - (120 ± 10) mJ, laser beam divergence in intensity level 1/s ² - no more than 2, 5 mrad, radiation pulse repetition rate - up to 30 Hz, radiation beam diameter - no more than 5 mm, radiation pulse duration at half-height ≈ 5 ns, temporal jitter - no more than 10 ns, time for the laser to enter the "Standby" mode of operation, no more than 5 min at an ambient temperature of minus 50°С and no more than 3 seconds at a temperature of the pumping elements from 0°С to plus 85°С, the range of ambient operating temperatures under which laser operation is allowed is from minus 50°С to plus 65° WITH.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании способа по заявляемому изобретению следующей совокупности условий:Thus, the data presented indicate that when using the method according to the claimed invention, the following set of conditions is met:

- процесс, воплощающий заявленный способ при его осуществлении, предназначен для использования в общепромышленных оптических измерительных системах (машиностроение, авиастроение, ядерная промышленность);- the process that embodies the claimed method in its implementation, is intended for use in general industrial optical measuring systems (engineering, aircraft building, nuclear industry);

- для заявляемого способа в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.- for the proposed method in the form in which it is characterized in the claims, the possibility of its implementation is confirmed.

Следовательно, заявляемый способ соответствует условию «промышленная применимость».Therefore, the claimed method meets the condition of "industrial applicability".

Claims (7)

Способ стабилизации энергии в импульсе излучения твердотельного лазера с диодной накачкой и активной модуляцией добротности, заключающийся в том, что определяют температуру элементов накачки, формируют управляющие сигналы на термоэлектрические модули или нагреватели, а также на формирователь импульсов тока накачки, отличающийся тем, что при значении температуры элементов накачки выше максимальной формируют управляющий сигнал на термоэлектрические модули, при значении температуры элементов накачки ниже минимальной формируют управляющий сигнал на нагреватели, при значениях температур элементов накачки, находящихся между максимальной и минимальной температурами, устанавливают взаимосвязь между длительностью импульса тока накачки и температурой элементов накачки, а также частотой следования импульсов тока накачки, временем работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения, временем перерыва между рабочими сериями импульсов излучения и определяют относительно переднего фронта внешнего управляющего синхроимпульса накачки время задержки формирования импульса тока накачки на элементах накачки с заданной амплитудой и управляемой длительностью импульса тока накачки t_н=f(T_{н_ср}, f_н, t_ген, t_п) по следующей функциональной зависимости:A method for stabilizing the energy in a radiation pulse of a solid-state laser with diode pumping and active Q-switching, which consists in determining the temperature of the pump elements, generating control signals to thermoelectric modules or heaters, as well as to a pump current pulse shaper, characterized in that at a temperature value pump elements above the maximum, a control signal is generated for the thermoelectric modules, when the temperature of the pump elements is below the minimum, a control signal is generated for the heaters, at temperatures of the pump elements that are between the maximum and minimum temperatures, a relationship is established between the duration of the pump current pulse and the temperature of the pump elements, and also the pump current pulse repetition rate, the operating time of the laser in the mode of generating a series of radiation pulses, the time interval between the working series of radiation pulses, and relative to the leading edge of the external control pump sync pulse, the delay time for the formation of a pump current pulse on the pump elements with a given amplitude and controlled current pulse duration is determined. pumping t _n =f(T _{n_sr} , f _n , t _gene , t _p ) according to the following functional dependence: t_з=t_г-t_н=t_г-t_н0(T_{н_ср})⋅f(f_н, t_ген)⋅f(t_п),t _s \u003d t _g -t _n \u003d t _g -t _n0 (T _{n_sr} )⋅f (f _n , t _gene ) ⋅f (t _p ), где t_г - время генерационного перехода ионов активной среды;where t _g is the time of the generation transition of the ions of the active medium; t_н0(T_{н_ср}) - целевая длительность импульса тока накачки в импульсном (при частоте следования < 1 Гц) режиме работы лазера с заданной энергией в импульсе выходного излучения, зависящая от средней температуры элементов накачки T_{н_ср};t _n0 (T _{n_sr} ) is the target duration of the pump current pulse in the pulsed (at a repetition rate < 1 Hz) laser operation mode with a given energy in the output radiation pulse, depending on the average temperature of the pump elements T _{n_sr} ; f(f_н, t_ген) - компенсационная функция энергетических потерь, связанных с деполяризацией в активном элементе, и зависящая от f_н - частоты следования импульсов тока накачки и t_ген - времени работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения;f(f _n , t _gene ) - compensation function of energy losses associated with depolarization in the active element, and depending on f _n - the repetition rate of the pump current pulses and t _gene - the operating time of the laser in the mode of generating a series of radiation pulses; f(t_п) - функция, характеризующая распад крайнего значения длительности импульса тока накачки, вычисленного управляющим микроконтроллером лазера в режиме генерации серии импульсов излучения, и зависящая от времени перерыва между рабочими сериями импульсов излучения t_п;f(t _p ) is a function characterizing the decay of the extreme value of the duration of the pump current pulse, calculated by the control microcontroller of the laser in the mode of generating a series of radiation pulses, and depending on the time interval between the working series of radiation pulses t _p ; при этом температуру элементов накачки, частоту следования импульсов тока накачки, время работы лазера в режиме генерации серии импульсов излучения и время перерыва между рабочими сериями импульсов излучения определяют циклически.in this case, the temperature of the pumping elements, the repetition rate of the pump current pulses, the operating time of the laser in the mode of generating a series of radiation pulses, and the time of a break between the working series of radiation pulses are determined cyclically.