ЛАЗЕР С ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ДОБРОТНОСТИ

Изобретение относится к технике лазеров, а именно к лазерам с модуляцией добротности лазерного резонатора изменением положения одного из его зеркал.

Известны лазеры для формирования гигантских лазерных импульсов [1] путем включения добротности лазерного резонатора с помощью модуляторов добротности (затворов). Все они имеют те или иные недостатки - большую себестоимость, высокие управляющие напряжения, недостаточную надежность и эксплуатационную стойкость.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является лазер с резонатором, состоящим из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно, а второе снабжено приводом и имеет возможность вращения таким образом, чтобы в одном из положений вращающееся и неподвижное зеркала резонатора становились параллельными [2]. В этом положении зеркал обеспечивается высокая добротность резонатора, достаточная для развития лазерной генерации. Скорость вращения зеркала в момент высокой добротности резонатора должна быть достаточной для возникновения лавинообразной генерации гигантского импульса. Оптимальная скорость вращения зеркала для разных типов лазеров составляет 10-20 тыс. об/мин. В качестве вращающегося зеркала обычно используют призму полного внутреннего отражения, обладающую высокими отражательными характеристиками и некритичную к наклонам оси вращения. В известном устройстве [2] приводом призмы является высокооборотный электродвигатель. Недостатки этого решения - относительно высокие габариты и недостаточная надежность существующих двигателей, а также создаваемые ими электрические и магнитные помехи. Последнее особенно недопустимо при наличии в составе системы, включающей лазер, чувствительных к таким помехам устройств, например электронного компаса. Кроме того, известный лазер с модулированной добротностью не обеспечивает точной временной привязки лазерного импульса вследствие того, что разгон двигателя занимает значительное время, и момент максимальной добротности резонатора имеет произвольное временное положение.

Задачей изобретения является повышение надежности и быстродействия и снижение электрических и магнитных помех и наводок при минимальных габаритах и минимальной себестоимости лазера.

Эта задача решается за счет того, что в известном лазере с оптико-механической модуляцией добротности, включающем корпус, активный элемент и резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых закреплено неподвижно относительно корпуса, а второе имеет возможность вращения, введен по крайней мере один толкатель, основанием закрепленный на корпусе, а вершиной связанный со вторым зеркалом, эксцентрично к его оси вращения, причем толкатель выполнен в виде арки из токопроводящей нити, а также введены последовательно соединенные ключ и источник электропитания, подключенные к концам токопроводящей нити, второе зеркало установлено в исходном положении под углом φ к рабочему положению, в котором зеркала параллельны, а угол

,

где

W₀ - заданная угловая скорость второго зеркала в его рабочем положении,

J - момент инерции вращения второго зеркала,

М - вращающий момент, создаваемый на оси вращения второго зеркала толкателем при температурном расширении токопроводящей нити под действием тока, протекающего от источника электропитания.

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

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

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

Устройство (фиг. 1) состоит из резонатора, образованного неподвижным 1 и вращающимся 2 зеркалами, между которыми размещен активный элемент лазера 3. Вращающееся зеркало связано с толкателем 4, закрепленным на корпусе 5 и подключенным своими концами к источнику электропитания 6 через ключ 7.

Лазер работает следующим образом.

В исходном состоянии вращающееся зеркало 2 расположено под углом φ к неподвижному зеркалу 1 (фиг. 2). При подключении источника электропитания 6 к токопроводящей нити 4 последняя нагревается под действием проходящего через нее тока и расширяется, создавая давление на вращающееся зеркало 2 и, тем самым, создавая на оси зеркала 2 вращающий момент М в направлении к рабочему положению. При этом добротность резонатора, образуемого зеркалами 1 и 2, недостаточна для возникновения лазерной генерации. Вращающееся зеркало 2 под действием этого момента поворачивается, и когда оно становится параллельным неподвижному зеркалу 1, добротность резонатора возрастает до уровня, достаточного для возникновения генерации гигантского лазерного импульса. Скорость возрастания добротности резонатора должна быть соизмерима со скоростью развития генерации, известной для каждого типа лазеров. Это налагает соответствующие требования к скорости W вращения зеркала 2, которая в положении высокой добротности должна быть порядка 500-2000 рад/сек.

Объем токопроводящей нити должен быть минимальным для ее быстрого разогревания и снижения энергозатрат. С этой целью при заданной длине она должна иметь минимальное поперечное сечение, достаточное для обеспечения прочности устройства в процессе эксплуатации.

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

Если вращающееся зеркало выполнено в виде призмы полного внутреннего отражения с равными сторонами ее гипотенузной грани, то справедливы следующие расчетные соотношения [3]:

Момент инерции вращения призмы

J~ma²/10,

где

а - сторона гипотенузной грани призмы;

m=ρ·а³/4 - масса призмы;

ρ - плотность материала призмы.

Угловое ускорение Ε призмы под действием вращающего момента М:

E=M/J,

Угловая скорость призмы

W=Ετ,

где τ - время после начала ее вращения.

Температурное приращение длины L токопроводящей нити

ΔL=αLΔT,

где α - коэффициент линейного расширения;

L - длина нити;

ΔT - перепад температуры.

Энергия, необходимая для нагрева токопроводящей нити,

Ε_T=βm_ΤΔΤ,

где β - теплоемкость;

m_T=ρ_TV_T - масса нити;

ρ_T - плотность материала нити;

V_T - объем нити.

Номинальное усилие, создаваемое толкателем при расширении токопроводящей нити

P_T=М/r,

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

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

где L - длина токопроводящей нити;

ΔL - температурное приращение длины токопроводящей нити;

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

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

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

Пример

ρ=2550 кг/м³; а=2·10^-3 м.

m=ρа³/4=2550·8·10^-9/4~5·10^-6 кг.

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

Пусть М=4·10^-5 Нм,

Е=М/J=4·10^-5/2·10^-12=2·10⁷ рад/с².

При τ=10^-4 с.

W=Eτ=2·10⁷·10^-4=2·10³ рад/с.

Эквивалентная частота вращения в момент максимальной добротности резонатора

w=W/2π~320 об/с~20000 об/мин.

Линейное ускорение точки крепления толкателя при радиусе r=2·10^-3 м.

А=Er=2·10⁷·2·10^-3=4·10⁴ м/с².

Смещение точки С между исходным и рабочим положениями

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

При r=2 мм.

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

φ=arctg(S/r)=arctg(0,2/2)~5,7°.

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

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

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

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

Масса нити из нихрома m_T=V_Tρ_T=2·10^-7·7,94~16·10^-7 кг.

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

Энергия, необходимая для разогрева токопроводящей нити до заданной температуры

E_T=βm_TΔТ=0,57·16·10^-7·555=0,5 мДж.

Характеристики источника питания

Потребляемая токопроводящей нитью мощность

Р_Т=E_T/τ.

Для рассматриваемого примера

Р_Т=Е_Т/τ=0, 5 мДж/0,1 мс=5 Вт.

Мощность, выделяемая в проводнике сопротивлением R_T

Р_Т=I_T ²·R_T

Сопротивление R_T=ρ_RL_T/S_T~10^-6·2·10^-2/(0,1·0,1)·10^-6=2 Ом,

где ρ_R~1 мкОм·м - удельное сопротивление нихрома, L_T=0,02 м - длина

токопроводящей нити; S_T - поперечное сечение нити.

Потребляемый ток

I_T=(Р_Т/R_T)^0,5=(2,5/2)^0,5=1,1 А.

Напряжение источника

U_T=Р_Т/I_T=2,5/1,1~2,3 В.

Средняя потребляемая мощность Р_ср=Е_Т·f_изл, где f_изл - частота излучений лазера.

При f_изл=1 с^-1 средняя потребляемая мощность составляет 5 мВт.

Согласно приведенным результатам, предлагаемый лазер с модулированной добротностью обладает минимальными габаритами механических составных частей и минимальной потребляемой мощностью при максимальном быстродействии: время разгона вращающегося зеркала составляет 0,1 мс и менее, тогда как ближайший аналог [2] имеет время разгона не менее 30 мс. Простота и низкое энергопотребление устройства обеспечивают его высокую надежность. По этим параметрам предлагаемый лазер превосходит ближайший и другие известные аналоги. Низкое напряжение питания и отсутствие трущихся контактов и магнитных элементов обеспечивают минимальный уровень паразитных электрических воздействий на другие элементы лазера и комплексной системы с ним. Арочная форма нити позволяет обеспечить достаточную жесткость конструкции при малых габаритах устройства.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает решение поставленной задачи, а именно повышение надежности и быстродействия и снижение электрических и магнитных помех и наводок при минимальных габаритах и минимальной себестоимости лазера.

Источники информации

1. В.А. Волохатюк и др. Вопросы оптической локации. Под ред. P.P. Красовского. М.: изд. «Советское радио», 1971 г., стр. 196.

2. «Справочник по лазерной технике». Под ред. Ю.В. Байбородина, Л.З. Криксунова, О.Н. Литвиненко. Киев, изд. «Техника», 1978 г., стр. 152-154 - прототип.

3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.1. Механика. 3-е изд. М.: Наука, 1989, § 53 (http://genphys.phys.msu.ru/rus/lab/mech/opis7/i2.htm).