專利名稱：激光振蕩放大鏈同步自動(dòng)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子和激光技術(shù)領(lǐng)域。
為了獲得強(qiáng)激光輸出，激光工程中經(jīng)常使用由一臺(tái)激光振蕩器和多臺(tái)激光放大器組成的振蕩放大鏈。對(duì)于激光分離同位素技術(shù)，需要有很強(qiáng)的銅蒸氣激光器作為可調(diào)諧染料激光的泵浦源，這個(gè)強(qiáng)的泵浦必須采用振蕩放大鏈的結(jié)構(gòu)才能滿足要求。要實(shí)現(xiàn)由多臺(tái)激光器組成的振蕩放大鏈的關(guān)鍵技術(shù)之一是同步自動(dòng)控制技術(shù)。已有技術(shù)1、歐洲專利EP0060033涉及了將一臺(tái)激光器的輸出注入于另一臺(tái)激光器，以提高其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)輸出特性，如圖1所示，該裝置的光源包括了兩個(gè)半導(dǎo)體激光器1、2，作為激光振蕩器的激光器1輸出的激光注入激光器2，激光器2輸出為單縱模的低頻信號(hào)，相敏檢波器8為激光器2提供反饋信號(hào)，使這兩個(gè)激光器的腔模自動(dòng)調(diào)準(zhǔn)，這項(xiàng)技術(shù)雖然解決了當(dāng)環(huán)境溫度或者激光器件熱阻抗變化時(shí)不影響單模激光輸出的問(wèn)題，但它只適用于低功率單縱模連續(xù)激光器，不能用于高功率激光輸出。
2、美國(guó)專利4.611.270涉及了控制脈沖激光器輸出功率的方法，如圖2所示。這項(xiàng)專利技術(shù)是用閉環(huán)控制的方法控制一臺(tái)氣體激光器的輸出總能量，它不適用于控制多臺(tái)激光器同步地運(yùn)行。
3、美國(guó)專利4.768.198涉及了控制光刻中脈沖激光輸出能量的系統(tǒng)。如圖3所示。它采用閉環(huán)控制系統(tǒng)控制其激光器的輸出脈沖數(shù)量從而控制其激光器的總輸出能量。它不適用于多臺(tái)激光器同步運(yùn)行的裝置。
4、文件DT2648-224涉及的技術(shù)是產(chǎn)生高重復(fù)頻率激光脈沖的方法，這種方法不適用實(shí)現(xiàn)多臺(tái)激光器同步運(yùn)行的裝置。
綜上所述四項(xiàng)專利發(fā)明技術(shù)均不適用于高功率脈沖激光振蕩放大鏈的同步控制裝置。
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種適用于高功率脈沖激光振蕩放大鏈的同步控制裝置，既具有抗強(qiáng)電磁干擾能力，又能夠自動(dòng)補(bǔ)償由于溫度，氣體壓力等因素變化引起激光輸出延遲時(shí)間的漂移，以保證激光振蕩放大鏈的最佳工作狀態(tài)。
本發(fā)明的激光振蕩放大鏈?zhǔn)怯梢慌_(tái)脈沖激光振蕩器和N臺(tái)，(N≥1)脈沖激光放大器組成。
本發(fā)明采用閉環(huán)的光電控制回路。如圖4所示。
脈沖信號(hào)發(fā)生器通過(guò)固定延時(shí)器驅(qū)動(dòng)脈沖激光振蕩器，電源對(duì)激光振蕩器供電，同時(shí)通過(guò)壓控可變延時(shí)觸發(fā)器驅(qū)動(dòng)脈沖激光放大器電源對(duì)脈沖激光放大器供電，使這兩臺(tái)激光器同一時(shí)刻產(chǎn)生激光脈沖。脈沖激光振蕩器輸出的激光注入脈沖激光放大器，脈沖激光放大器產(chǎn)生的激光被取樣分光鏡取出1%至5%部分激光通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器變成電信號(hào)，其余95%～99%的激光經(jīng)過(guò)激光輸出路徑輸出。光電轉(zhuǎn)換器輸出的脈沖電信號(hào)經(jīng)過(guò)積分放大器A放大后，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管A變成光信號(hào)，再通過(guò)輸入光纖送入電磁屏蔽室內(nèi)，由光電二極管A變回電信號(hào)，經(jīng)放大器A放大后送入計(jì)算機(jī)作最佳延遲時(shí)間判別，并將判斷的結(jié)果以模擬電壓形式輸出，經(jīng)積分放大器B放大后，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管B變成光信號(hào)，再通過(guò)輸出光纖送到電磁屏蔽室外的光電二極管B變成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大器B放大后送入壓控可變延時(shí)觸發(fā)器，壓控可變延時(shí)觸發(fā)器輸出的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)激光放大器的電源，從而完成一次閉合循環(huán)。
壓控可變延時(shí)觸發(fā)器輸出的脈沖信號(hào)相對(duì)于脈沖信號(hào)發(fā)生器有一延時(shí)量，其延時(shí)量的大小取決于由計(jì)算機(jī)給出的經(jīng)放大器B放大后輸出的控制電壓，因此計(jì)算機(jī)可以連續(xù)變化其輸出模擬電壓以調(diào)整激光放大器的激發(fā)時(shí)間。
上述完成一次閉合循環(huán)后再反饋，第二次再將激光放大器的輸出的部分激光送入計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)判斷比對(duì)，檢查其調(diào)整效果，經(jīng)過(guò)幾次不斷地比對(duì)和調(diào)整，最后穩(wěn)定在激光放大器輸出最高激光功率的位置上，也是激光振蕩放大鏈工作的最佳狀態(tài)，這就實(shí)現(xiàn)了同步自動(dòng)控制的目的。
上面所說(shuō)的壓控可變延時(shí)觸發(fā)器設(shè)有“手動(dòng)”和“壓控”兩種工作方式。使用“手動(dòng)”方式，通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位器可以調(diào)整延時(shí)，使激光放大器獲得最高輸出功率，從而達(dá)到同步的目的?！皦嚎亍钡墓ぷ鞣绞絼t在同步自動(dòng)控制操作中使用，延時(shí)量的大小由直流電壓控制，此直流電壓即是由計(jì)算機(jī)輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器給出的。
為了有效地排除來(lái)自激光電源和激光器的高功率窄脈沖的電磁干擾，除了將對(duì)電磁波非常敏感的計(jì)算機(jī)，光電二極管、放大器，積分放大器置于電磁屏蔽室內(nèi)，以及將裝置的各單元器件進(jìn)行良好地接地外，送進(jìn)電磁屏蔽室的信號(hào)和從電磁屏蔽室輸出的信號(hào)均變成光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸，從而有效地防止了干擾信號(hào)進(jìn)入電磁屏蔽室。除此之外，在放大器A和放大器B，積分放大器A和B，以及壓控可變延時(shí)觸發(fā)器內(nèi)均裝有高頻濾波網(wǎng)絡(luò)，有效地抑制了電磁波的干擾。此高頻濾波網(wǎng)絡(luò)通常由運(yùn)算放大器和電容器等元器件組成的有源電路，如圖5所示。
為了提高同步自動(dòng)控制的精度，光電轉(zhuǎn)換器的選擇應(yīng)根據(jù)激光振蕩放大鏈輸出的激光波長(zhǎng)而定。例如對(duì)于激光振蕩放大鏈輸出紫外波段激光而言，光電轉(zhuǎn)換器應(yīng)該選擇光電倍增管;對(duì)于可見(jiàn)波段的激光，應(yīng)該選用硅光電池或者光電二極管;對(duì)于紅外波段的激光，光電轉(zhuǎn)換器則應(yīng)該選用pbs探測(cè)器或者熱釋電探測(cè)器。
計(jì)算機(jī)時(shí)時(shí)對(duì)各路激光振蕩放大鏈的激光輸出進(jìn)行微調(diào)控制，因此計(jì)算機(jī)的調(diào)節(jié)步長(zhǎng)應(yīng)該選擇得恰當(dāng)。選取計(jì)算機(jī)的調(diào)節(jié)步長(zhǎng)應(yīng)該根據(jù)1、被控制的激光振蕩放大鏈輸出激光脈沖的寬度;2、要求調(diào)節(jié)延遲時(shí)間的動(dòng)態(tài)范圍;3、激光振蕩放大鏈輸出激光功率的波動(dòng)情況。當(dāng)被控制的激光振蕩放大鏈輸出激光脈沖寬度較短，或者要求調(diào)節(jié)延遲時(shí)間的動(dòng)態(tài)范圍較小，或者激光振蕩放大鏈輸出功率波動(dòng)較小時(shí)，計(jì)算機(jī)的調(diào)節(jié)步長(zhǎng)適宜選取短的，否則步長(zhǎng)加長(zhǎng)影響控制精度。例如當(dāng)被控制的激光振蕩放大鏈輸出的激光脈沖寬度為20～30毫微秒，調(diào)節(jié)延遲時(shí)間的動(dòng)態(tài)范圍為300毫微秒，輸出的激光功率波動(dòng)為3%～5%，計(jì)算機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為八位數(shù)時(shí)，其計(jì)算機(jī)的調(diào)節(jié)步長(zhǎng)適宜選取1～2毫微秒。
激光振蕩放大鏈中的各級(jí)脈沖激光放大器均可用上述方法構(gòu)成閉環(huán)的光電控制回路，實(shí)現(xiàn)與激光振蕩器同步。由于計(jì)算機(jī)對(duì)每臺(tái)脈沖激光放大器調(diào)整同步的時(shí)間比起延時(shí)慢漂移要短得多，所以一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以供多路激光振蕩放大鏈?zhǔn)褂?。?dāng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)多路激光振蕩放大鏈進(jìn)行同步循回控制與調(diào)節(jié)時(shí)，其循回周期最好不超過(guò)1分鐘。除計(jì)算機(jī)公用外，N臺(tái)脈沖激光放大器就有N個(gè)閉環(huán)光電控制回路，回路中所用單元器件均為N臺(tái)。
本發(fā)明的同步自動(dòng)控制裝置的優(yōu)點(diǎn)1、對(duì)綜合性的大型激光振蕩放大鏈系統(tǒng)采取自動(dòng)的同步控制裝置，大大減少了運(yùn)行人員通過(guò)手調(diào)控制同步之苦，減少了人力。
2、采用計(jì)算機(jī)隨時(shí)調(diào)節(jié)和控制，控制的精度要比手調(diào)高，時(shí)時(shí)控制激光放大鏈工作于最佳狀態(tài)。
3、本發(fā)明的同步自動(dòng)控制裝置由于采取了上述抗電磁波干擾的措施，使它具有很強(qiáng)的抗電磁干擾的能力，可以在強(qiáng)電磁輻射源附近正常地運(yùn)行。
4、本發(fā)明的同步自動(dòng)控制裝置可以用于輸出任意波長(zhǎng)的激光振蕩放大鏈。
5、本發(fā)明的同步自動(dòng)控制裝置是由多件單機(jī)組成，單機(jī)可以互換，維修方便，使用靈活。


圖1為歐洲專利EP0060033系統(tǒng)方框圖。
圖中，1——半導(dǎo)體激光振蕩器，2——半導(dǎo)體激光調(diào)制器3——功率與波長(zhǎng)控制電路 4——波長(zhǎng)檢測(cè)器5——珀耳貼元件1 6——溫度和偏置調(diào)諧電路7——珀耳貼元件2 8——相敏檢波器9——光電二極管ep10－分光鏡ep11——低頻發(fā)生電路 12——導(dǎo)線1
圖2美國(guó)專利4.611.270系統(tǒng)方框圖。
圖中14-氣體脈沖發(fā)生器 15-輸出激光Ⅱ16-分光板 17-小部分激光信號(hào)18-光檢測(cè)器us1 19-大部分激光輸出20-放大器us1 21-平均電路22-比較電路 23-高壓電源24-脈沖形成網(wǎng)絡(luò) 25-參考源圖3，美國(guó)專利4.768.198系統(tǒng)方框中26-脈沖發(fā)生器 27-激光器28-分光鏡 29-漫射板30-光檢測(cè)器us2 31-取樣保持電路32-積分器 33-比較器34-參考電壓發(fā)生器 35-與非門(mén)36-觸發(fā)電路 37-激光器電源38-延遲電路 39-外部復(fù)位引出端圖4為本發(fā)明的激光振蕩放大鏈同步自動(dòng)控制裝置的方框圖。
圖中40-脈沖激光振蕩器 41-脈沖激光振蕩器的輸出激光束42-脈沖激光放大器 43-脈沖激光放大器的輸出激光束44-激光輸出路徑 45-取樣分光鏡46-光電轉(zhuǎn)換器 47-積分放大器A48-發(fā)光二極管A 49-輸入光纖50-光電二極管A 51-放大器A
52-計(jì)算機(jī) 53-積分放大器B54-發(fā)光二極管B 55-輸出光纖56-光電二極管B 57-放大器B58壓控可變延時(shí)觸發(fā)器 59-脈沖激光放大器電源60-脈沖信號(hào)發(fā)生器 61-固定延時(shí)觸發(fā)器62-脈沖激光振蕩器電源 63-電磁屏蔽室圖5裝于放大器和壓控可變延時(shí)觸發(fā)器上的高頻濾波網(wǎng)絡(luò)。
圖中64-高頻濾波網(wǎng)絡(luò)。
圖6由一臺(tái)銅蒸氣激光振蕩器和五臺(tái)銅蒸氣激光放大器組成的激光振蕩放大鏈同步自動(dòng)控制方框圖。
最佳實(shí)施例如圖6所示，脈沖激光振蕩放大鏈?zhǔn)怯梢慌_(tái)銅蒸氣脈沖激光振蕩器和五臺(tái)(N＝5)銅蒸氣脈沖激光放大器組成。
脈沖銅蒸氣激光振蕩放大鏈輸出激光波長(zhǎng)511毫微米，光電轉(zhuǎn)換器選用硅光電池。
取樣分光鏡的反射率小于5%。
因?yàn)槊}沖銅蒸氣激光放大器有五臺(tái)，即N＝5，除了計(jì)算機(jī)是五臺(tái)共用外，從取樣分光鏡直到壓控可變延時(shí)觸發(fā)器所有單元器件均是五臺(tái)，如五臺(tái)取樣分光鏡45-1，45-2，45-3，45-4，45-5;五臺(tái)光電轉(zhuǎn)換器，46-1，46-2，46-3，46-4，46-5;五臺(tái)積分放大器A47-1，47-2，47-3，47-4，47-5，…五臺(tái)壓控可變延時(shí)觸發(fā)器58-1，58-2，58-3，58-4，58-5，它們輸出觸發(fā)信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)五臺(tái)脈沖激光放大器電源59-1，59-2，59-3，59-4，59-5。上述的同步自動(dòng)控制裝置，在周圍有240伏/米的高頻電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)實(shí)測(cè)結(jié)果是1、自動(dòng)調(diào)節(jié)延遲時(shí)間范圍是300毫微秒。
2、調(diào)節(jié)精度(調(diào)節(jié)步長(zhǎng))1～2毫微秒;
3、同步自動(dòng)控制得到的激光振蕩放大鏈的輸出功率大于以調(diào)節(jié)的激光振蕩放大鏈的輸出功率。
4、連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間大于8小時(shí)。
從上述實(shí)測(cè)結(jié)果看出，本發(fā)明的裝置具有節(jié)省人力，控制精度高，因?yàn)殡S時(shí)跟蹤，自動(dòng)調(diào)節(jié)，始終使脈沖激光振蕩放大鏈工作在最佳工作狀態(tài)，所以放大鏈激光輸出功率高。
權(quán)利要求
1.一種屬于電子和激光技術(shù)領(lǐng)域的激光振蕩放大鏈同步自動(dòng)控制裝置，由脈沖激光振蕩器和脈沖激光放大器所組成的激光振蕩放大鏈，其同步控制有延時(shí)觸發(fā)器和脈沖信號(hào)發(fā)生器，其特征在于由一臺(tái)脈沖激光振蕩器和N臺(tái)(N≥1)脈沖激光放大器組成的激光振蕩放大鏈?zhǔn)遣捎瞄]環(huán)光電控制回路，經(jīng)過(guò)取樣分光鏡取出激光放大器輸出的部分激光，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器，積分放大器。發(fā)光二極管。輸入光纖、光電二極管和放大器，進(jìn)入計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)將判斷結(jié)果的模擬電壓信號(hào)送出，再依次經(jīng)過(guò)積分放大器、發(fā)光二極管、輸出光纖、光電二極管、放大器和壓控可變延時(shí)觸發(fā)器，其觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)激光放大器的電源、從而完成一次閉合循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光振蕩放大鏈同步自動(dòng)控制裝置，其特征在于壓控可變延時(shí)觸發(fā)器連續(xù)輸出的脈沖信號(hào)相對(duì)脈沖信號(hào)發(fā)生器有一延時(shí)量，其延時(shí)量的大小取決于計(jì)算機(jī)輸出的控制電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光振蕩放大鏈同步自動(dòng)控制裝置，其特征在于閉環(huán)光電控制回路中自輸入光纖，光電二極管、放大器、計(jì)算機(jī)和積分放大器至輸出光纖所有的器件置于電磁屏蔽室內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光振蕩放大鏈同步自動(dòng)控制裝置，其特征在于積分放大器、放大器和壓控可變延時(shí)觸發(fā)器均裝有高頻濾波網(wǎng)絡(luò)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光振蕩放大鏈同步自動(dòng)控制裝置，其特征在于壓控可變延時(shí)觸發(fā)器設(shè)有通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位器調(diào)整延時(shí)的“手控”和供同步自動(dòng)控制操作中使用的“壓控”兩種工作方式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光振蕩放大鏈同步自動(dòng)控制裝置，其特征在于取樣分光鏡只取出激光放大器輸出的1%～5%激光送給光電轉(zhuǎn)換器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的一種激光振蕩放大鏈同步自動(dòng)控制裝置，其特征在于光電轉(zhuǎn)換器隨其激光振蕩放大鏈輸出的激光波長(zhǎng)而定，可以是紫外波段的光電倍增管，或者是可見(jiàn)波段的硅光電池，或者是紅外波段的熱釋電探測(cè)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2、3、4、5、6所述的一種激光振蕩放大鏈同步自動(dòng)控制裝置，其特征在于除計(jì)算機(jī)公用外，激光振蕩放大鏈中有N臺(tái)激光放大器就有N個(gè)閉環(huán)光電控制回路，N個(gè)閉環(huán)光電控制回路中的單元器件也為N個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明屬于電子和激光技術(shù)領(lǐng)域的一種激光振蕩放大鏈同步自動(dòng)控制裝置，由一臺(tái)脈沖激光振蕩器和多臺(tái)脈沖激光放大器組成的激光振蕩放大鏈采用閉環(huán)的光電控制回路，經(jīng)計(jì)算機(jī)判斷后輸出電壓信號(hào)控制壓控可變延時(shí)觸發(fā)器，觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)激光放大器電源，連續(xù)地脈沖信號(hào)反饋，致使激光振蕩放大鏈工作于最佳狀態(tài)。本發(fā)明的裝置具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，具有計(jì)算機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行，節(jié)省人力，同步控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01S3/23GK1057927SQ90102889
公開(kāi)日1992年1月15日 申請(qǐng)日期1990年7月3日 優(yōu)先權(quán)日1990年7月3日
發(fā)明者梁培輝, 楊天立, 任虹, 施懿范, 雷建求 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所