Частотно-стабилизированный газовый лазер
Полезная модель относится к области технической физики и может быть использована при создании частотно-стабилизированных газовых лазеров для научных исследований, в машиностроении, оптической промышленности и других отраслях науки и техники. Задача, на решение которой направлена данная полезная модель - повышение надежности переключения лазера из режима прогрева в режим захвата АПЧ. Технический результат может быть получен за счет замены аналоговых элементов схемы АПЧ, с плавающими от внешних воздействий характеристиками на цифровые. Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном частотно-стабилизированном газовом лазере, содержащем оптически связанные между собой активный элемент 1 с нагревателем 2, двулучепреломляющий элемент 3 и фотоприемник 4, выходы которого подключены к дифференциальному усилителю 5 системы автоматической подстройки частоты (АПЧ), которая также содержит пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор(ПИД-регулятор) 6, входом соединенный с дифференциальным усилителем 5, усилитель мощности 7, подключенный к нагревателю 2 и блоку управления начальным прогревом (БУНП), высоковольтный источник питания 8, в систему АПЧ дополнительно введены преобразователь 9 и инвертор 10, а БУНП выполнен в виде программируемого микроконтроллера 11, первый и второй входы которого через преобразователь 9 соединены с выходом ПИД-регулятора 6, а первый и второй выходы БУНП через инвертор 10 подключены ко второму входу ПИД-регулятора 6 и ко входу усилителя мощности.7 БУНП, выполненный на микроконтроллере, за счет уменьшения количества элементов, используемых в схеме, повышает надежность АПЧ и лазера в целом. Кроме того, алгоритм поведения АПЧ, т.е. момент захвата определяется программой заложенной в микроконтроллере.
Полезная модель относится к области технической физики и может быть использована при создании частотно-стабилизированныых газовых лазеров для научных исследований, в машиностроении, оптической промышленности и других отраслях науки и техники.
Известен частотно-стабилизированный газовый лазер с цифровой системой автоматической подстройкой частоты (АПЧ), включающий активный элемент со спиралью, высоковольтный источник питания (ИПВВ), устройство управления и схему АПЧ. Схема АПЧ содержит микроконтроллер (МК) с блоком управления начальным прогревом (БУНП). Прогрев осуществляется спиралью, на которую с МК подается сигнал в виде последовательности импульсов. МК при скважности сигнала 1:10 переводит систему АПЧ в режим захвата. (См.Академия инженерных наук им. А.М.Прохорова «Вестник СПбО АИН» вып.
3, 2007 г., Санкт-Петербург, Изд. Политехнического университета, А.А.Дягилев, М.Ю.Керносов, и др. «Двухчастотные стабилизированные лазеры с цифровой системой стабилизации частоты», стр.51)
Исходя из приведенного в этой работе алгоритма, время захвата АПЧ составит не более 5 с, что не достаточно. Лазер за это время не успевает прогреться, не устанавливается температурное равновесие с окружающей средой. В связи с этим у термоуправляемого лазера при использовании этой системы АПЧ можно ожидать выход лазера из режима стабилизации и снова захват, и так неоднократно.
Известен газовый лазер с цифровой системой стабилизации частоты, обеспечивающий надежную стабилизацию. Управление длиной резонатора осуществляется пьезокорректором. В системе используется комплекс цифровых устройств. Кроме того, используется реверсивный счетчик, который осуществляет цикл счета при колебаниях частоты лазера относительно центра спектральной линии.(См. СССР, авт.свид. 1202476, опубл. 23.09.1992 г.Бюл.35)
Недостатком данного лазера является низкая кратковременная стабильность частоты лазера из-за пологой характеристики в центре контура усиления. Кроме того, устройство достаточно громоздко.
Наиболее близким по технической сущности является частотно-стабилизированный лазер, содержащий оптически связанные между собой активный элемент с нагревателем, двулучепреломляющий элемент и фотоприемник, выходы которого подключены к дифференциальному усилителю системы автоматической подстройки частоты (АПЧ), которая также содержит пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор(ПИД - регулятор), входом соединенный с дифференциальным усилителем, усилитель мощности, подключенный к нагревателю и блоку управления начальным прогревом (БУНП), высоковольтный источник питания. Блок управления начальным прогревом является аналоговым и выполнен из дискретных элементов (микросхемы, резисторы, конденсаторы, диоды).(См. Паспорт на «ЛАЗЕР ГАЗОВЫЙ ЛГН-303» стр.6,7 Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов «ПЛАЗМА»)-прототип
Недостатком данного лазера являются низкая надежность, периодические отказы, связанные с утечкой заряда электролитических конденсаторов, входящих в БУНП, а также трудоемкость настройки.К недостаткам следует отнести также неточность установки необходимого времени прогрева активного элемента.
Задача, на решение которой направлена данная полезная модель -повышение надежности переключения лазера из режима прогрева в режим захвата АПЧ.
Технический результат может быть получен за счет замены аналоговых элементов схемы АПЧ, с плавающими от внешних воздействий характеристиками на цифровые.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном частотно-стабилизированном газовом лазере, содержащем оптически связанные между собой активный элемент с нагревателем, двулучепреломляющий элемент и фотоприемник, выходы которого подключены к дифференциальному усилителю системы автоматической подстройки частоты (АПЧ), которая также содержит пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор(ПИД - регулятор), входом соединенный с дифференциальным усилителем, усилитель мощности, подключенный к нагревателю и блоку управления начальным прогревом (БУНП), высоковольтный источник питания, в систему АПЧ дополнительно введены преобразователь и инвертор, а БУНП выполнен в виде программируемого микроконтроллера, первый и второй входы которого через преобразователь соединены с выходом ПИД -регулятора, а первый и второй выходы БУНП через инвертор подключены ко второму входу ПИД - регулятора и ко входу усилителя мощности.
БУНП, выполненный на микроконтроллере, за счет уменьшения количества элементов, используемых в схеме, повышает надежность АПЧ и лазера в целом. Кроме того, алгоритм поведения АПЧ, т.е. момент захвата определяется программой заложенной в микроконтроллере, а не элементами АПЧ, параметры которых зависят от температуры и других внешних факторов.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из перечня аналогов прототипа, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
На фиг.1 показана блок схема предлагаемого лазера. Частотно-стабилизированный газовый лазер, содержит оптически связанные между собой активный элемент 1 с нагревателем 2, двулучепреломляющий элемент 3 и фотоприемник 4, выходы которого подключены к дифференциальному усилителю 5 системы автоматической подстройки частоты (АПЧ), которая также содержит пропорционально - интегрально -дифференциальный регулятор(ПИД - регулятор) 6, входом соединенный с дифференциальным усилителем 5 и усилитель мощности 7, подключенный к нагревателю 2, высоковольтный источник питания 8. В систему АПЧ дополнительно введены преобразователь 9 и инвертор 10, а БУНП выполнен в виде программируемого микроконтроллера 11, первый и второй входы которого через преобразователь9 соединены с выходом ПИД -регулятора 6, а первый и второй выходы БУНП через инвертор 10 подключены ко второму входу ПИД - регулятора 6 и ко входу усилителя мощности 7.
Частотно-стабилизированный газовый лазер работает следующим образом:
При возбуждении разряда в активном элементе 1 возникает генерация на 2-х ортогонально поляризованных модах излучения, частотное расстояние между ними 640МГц (лазер ЛГН-303), либо 1100МГц (лазер ЛГН-212-1). Расстояние имеет величину меньше ширины контура усиления, но достаточное чтобы в контуре излучения существовали две частоты. Лазерный луч выходящий со стороны глухого зеркала разделяется в двулучепреломляющем элементе 3 на два ортогонально поляризованных луча, которые поступают на две секции фотоприемника 4. Таким образом на выходе фотоприемника 4 имеются два сигнала поступающих в противофазе в схему АПЧ.
Рассмотрим прохождение сигнала в системе АПЧ: выходные сигналы с фотоприемника 4 поступают на дифференциальный усилитель 5, где производится вычитание сигналов. Разностный сигнал -это сигнал ошибки, он поступает на ПИД-регулятор. В зависимости от команды с БУНП, ПИД -регулятор либо усиливает сигнал и подает его через усилитель мощности на нагреватель для прогрева активного элемента, либо производит обработку сигнала ошибки. Отработка осуществляется путем подогрева, либо остывания (спирали), за счет отработки сигнала ошибки ПИД- регулятором по сигналу с БУНП за счет обратной связи.
В режиме прогрева ПИД - регулятор вырабатывает прямоугольные импульсы, которые поступают на преобразователь 9, где они преобразуются в логические сигналы «0» и «1». Далее сигнал поступает на микроконтроллер 11 на первый и второй входы. Сигнал ошибки в процессе прогрева изменяет длительность импульса увеличивая ее. Длительность импульса входного в микроконтроллер 11 сигнала сравнивается с заранее записанным в программируемое запоминающее устройство микроконтроллера 11 числом.
При равенстве этого числа и длительности импульса микроконтроллер формирует двух битный управляющий код, который в инверторе 10 преобразуется в аналоговый сигнал. Далее аналоговый сигнал запрещает прогрев, поступая на ПИД- регулятор. ПИД-регулятор переводится таким образом в интегратор с устройством обратной связи.
Эффект стабильности времени прогрева достигается за счет устранения аналоговых элементов с плавающими от внешних воздействий характеристиками и заменой их цифровым БУНП.
Приводим пример конкретного исполнения:
Лазер ЛГН-303, включает излучатель и систему АПЧ, в которой БУНП выполнен на микроконтроллере. В процессе испытаний этого лазера обнаружилось снижение трудоемкости настройки, повысилась стабильность захвата системой АПЧ и стабильность лазера в целом.
Приведенный пример показывает, что заявленная полезная модель соответствует требованию « промышленная применимость по действующему законодательству».
Частотно-стабилизированный газовый лазер, содержащий оптически связанные между собой активный элемент с нагревателем, двулучепреломляющий элемент и фотоприемник, выходы которого подключены к дифференциальному усилителю системы автоматической подстройки частоты (АПЧ), которая также содержит пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор), входом соединенный с дифференциальным усилителем, усилитель мощности, подключенный к нагревателю, и блок управления начальным прогревом (БУНП), высоковольтный источник питания, отличающийся тем, что в систему АПЧ дополнительно введены преобразователь и инвертор, а БУНП выполнен в виде программируемого микроконтроллера, первый и второй входы которого через преобразователь соединены с выходом ПИД-регулятора, а первый и второй выходы БУНП через инвертор подключены ко второму входу ПИД-регулятора и ко входу усилителя мощности.
