NO152717B - Reguleringskrets for laserenergi - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en reguleringskrets for laserenergi, og spesielt angår oppfinnelsen en krets for utvikling av variasjoner i laserutgang under oppvarmings-fasen.

Probelemet med fluktuasjoner i utgangsenergien under oppvarmning av en laser, er særlig merkbare med massive lasere, der det aktive medium er i form av en stav av massivt ma-teriale .

En av de parametre som bestemmer utgangsenergien fra en massiv laser, er den totale optiske forstørrelsesgrad for elementene i laser-"inferimeteret". Hvis denne forstørrelses-grad er negativ, vil laseren arbeide i en ustabil tilstand, noe som fører til en lav utgang., Etterhvert som den optiske forstørrelsesgrad øker, vil laserutgangen øke til en topp-verdi . På grunn av virkningene av oppvarmningen av laserstaven under bruk, vil temperaturforskjeller kunne oppstå

over stavseksjonen, noe som fører til variasjoner i brytnings-indeksen. Disse variasjoner vil frembringe endringer i for-størrelsesgraden for den linse som dannes av laserstaven.

På sin side vil dette påvirke den totale optiske forstør-relsesgrad for laseren og dermed også dens utgangsenergi.

Straks laserstaven har nådd sin stabile arbeidstemperatur,

vil utgangsenergien også bli stabil. Den tid dette tar, avhenger av en rekke parametre, så som pulsgjentagelseshastig-het (når det gjelder pulsede lasere), pumpeenergi, temperatur for kjølemiddel og dets strømningshastighet o.s.v. I

typiske eksempler kan oppvarmingstiden være på 10-20 sek.

Det kjennes anvendelsesområder der denne tid er for lang og det er truffet foranstaltninger for å redusere tiden. En mulighet er å regulere og variere pumpeenergien ved hjelp av en hensiktsmessig reguleringskrets. Den enkle servoanord-ning som skal påvirkes av laserens utgangsenergi, ville imidlertid ikke være tilfredsstillende fordi det for den første puls etter oppstarting ikke ville finnes noe tidligere målt energinivå og dermed ville laserens energi bli stilt på maksimal verdi. Dette kunne føre til skader på laseren.

Liknende problemer på grunn av oppvarmningstiden kan man

også ha med gasslasere som eksiteres med gassutladning,

der det kan stilles krav om hurtig oppvarmning for en laser med kontinuerlig eller pulset utgang.

Et formål med foreliggende oppfinnelse er å komme frem til

en tilfredsstillende reguleringskrets for laserenergi fra en laser som eksisteres med gassutladning, der kretsen vil ut-likne variasjoner i laserens utgangsenergi under oppvarmningen.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og vil i det følgende bli beskrevet nærmere under henvisning til tegningene der: Fig. 1 viser et koplingsskjerna for en del av en reguleringskrets og

fig. 2 er en grafisk fremstilling som viser de forandringer i energi som skapes ved bruken av kretsen.

På fig. 1 er den spenningsstyrte krafttilførselsenhet PSC vist koplet til et utladningseksiter glimtrør FT for en massiv laser, mens laserens øvrige komponenter er utelatt. Krafttilførselsenheten er av den art der ladespenningen er variabelt styrt av en inngangsspenning. Eksiteringen av glimtrøret FT frembringes av en utløserpuls TG som påtrykkes en pulskrets PC, som vil bli beskrevet mer i detalj i det følgende. Formålet med resten av kretsen som er vist på

fig. 1, er å regulere den spenning som påtrykkes styreinngangen for krafttilførselen.

Reguleringskretsen innbefatter en tidsstyrekrets med et skyveregister SR som klokkestyres av pulser fra pulskretsen

PC, og har to av sine utganger koplet til inngangene for en NAND port G. Utgangen fra porten G er koplet til basis

i en transistor TRI med dens emitter koplet til en spenning V og dens kollektor koplet gjennom et potensiometer RVI til en spenning V2. Uttaket på potensiometeret er koplet til basis for en andre transistor TR2 som har sin kollektor koplet til spenningen V og sin emitter koplet til styreinngangen for krafttilførselsenheten. De to transistorer utgjør en "første kretsanordning" i henhold til oppfinnelsen.

En "andre kretsanordning" omfatter to operasjonsforsterkere A1 og A2. Utgangen fra porten G er koplet gjennom en transistor TR3 som har sin basis forbundet med en fast spenning, til

den ikke omvendende inngang for forsterkeren A1. Den om-vendte inngang for forsterkeren er koplet til en av ut-gangene i skyveregisteret SR via en motstand R. En tilbake-koplingsbane omfattende en kondensator C1 i parallell med en diode D1 er koplet mellom den omvendende inngang og forsterkerens utgang. Forsterkeren A2 har sin ikke-omvendende inngang forbundet, med utgangen for forsterkeren A1 og med et potensiometer RV2. En motstandsbane for tilbakekopling er koplet mellom den omvendende inngang og utgangen fra forsterkeren A2, og utgangen er også koplet via en blokkerings-diode til styreinngangen for krafttilførselsenheten.

En "tredje kretsanordning" i henhold til oppfinnelsen omfatter en servostyresløyfe som er innrettet til å regulere intensi-teten i det lys som laseren sender ut- En lysfølsom diode LD som mottar en del av laserstrålingen, er koplet ved hjelp av en motstandskapasitansekrets til den ikke-omvendende inngang for en operasjonsforsterker A3, som har meget lav lekkasjestrøm. Denne forsterker har sin omvendende inngang koplet til sin utgang og arbeider som en "sample-og holde" krets med kondensatoren C2 og transistoren TR4 koplet i parallell over forsterkerens utgang. Basis i transistoren er koplet til klokkepulsinngangen for skyveregisteret SR. Utgangen fra forsterkeren A3 er koplet til den ikkeomvendende inngang for en operasjonsforsterker A4 som arbeider som en bufferforsterker med lav lekkasjeinngang. Utgangen fra forsterkeren A4 er koplet gjennom en summeringsmotstand til den ikke-omvendende inngang for en operasjonsforsterker A5. Til den samme inngang er det dessuten gjennom en ytterligere summeringsmotstand koplet et potensiometer RV3 som benyttes til innstilling av det ønskede nivå for lysutgangen. Utgangen fra summeringsforsterkeren A5 er koplet til inngangen for en ytterligere forsterker A6 som arbeider som en integrator,

og utgangen fra forsterkeren A6 er koplet til styreinngangen for krafttilførselen PSU.

Fig. 2 viser den ønskede karakteristikk uttrykt som energi E påtrykket glimtrøret FT mot antall pulser 0.

På fig. 2 er den normale løpende verdi for energi som til-føres betegnet med verdien N. Kretsen som er beskrevet ovenfor arbeider på en slik måte at startverdien for den tilførte energi, verdien S, er større enn den normale verdi og holdes i en kort periode, f.eks. under et maksimum på-

1 sek. for en laser som pulses med ti pulser i sekundet.

Etter denne tid tillates den tilførte energi å stige til

en maksimal verdi M som kan være begrenset av en innstilt styring i krafttilførselen PSC. Over de neste, f.eks. 10 sek., synker energinivået gradvis til den normale løpende verdi.

I tillegg til de variasjoner i energi som tilføres glimt-lampen som beskrevet ovenfor, virker kretsen også slik at den holder lysutgangen fra laseren på en innstilt verdi,

slik at det kompenseres for aldring av glimtrøret, forring-else av lasermediet og de optiske komponenter osv.

Driften av kretsen vil nu bli beskrevet under henvisning til fig. 1 og 2.

Når laseren er avslått, selv i en kortere tid, blir sk>ve-registeret Sr tilbakestilt. Når som helst laseren skal benyttes, vil registeret derfor være klart. I denne situasjon har man ingen utganger fra skyveregisteret og den resulte-rende utgang fra NAND-porten bringer transistorene TRI og TR2 til å lede. Spenningen på emitteren i transistoren

TR2 er avhengig av innstillingen av potensiometeret RV1 og dette stiller "start" energinivået for krafttilførselen PSC ved å påtrykke første styresignal på dens styreinngang. På dette tidspunkt er den integrerende forsterker A1 uvirk-som på grunn av manglende inngang ved dens omvendende inngang og på grunn av det faktum at dens ikke-omvendende inngang og dermed dens utgang, holdes på en høy spenning V2 fordi transistoren TR3 ikke er ledende.

Siden laseren ennu ikke har funksjonert, vil det ikke være noen utstråling som kan påvises av den lysfølsomme diode LD, og dermed vil feilsignalet ved den ikke-omvendende inngang for den summerende forsterker A5 ha sin maksimale verdi. Dette feilsignal vil hurtig bli integrert i den intetrerende forsterker A6, men dens utgangsspenning vil holdes på den verdi som bestemmes av transistoren TR2.

Av denne grunn vil virksomheten for servokretsen være sperret på dette tidspunkt.

Hver utløserpuls påtrykkes krafttilførselsenheten PSC og etter en forsinkelse vil den fyre av laseren. Før laseren avfyres, benyttes utløserpulsen til å klokkestyre skyveregisteret SR, noe som angir at laseren nu er klar for av-fyring og den benyttes også til å bringe transistoren TR4 til å lede og tillate samplekondensatoren C2 å utlade.

Når et passende antall pulser er blitt påtrykket skyveregisteret SR, vil utgangen fra porten G endres, og transistorene TR1 og TR2 slutter å lede. Spenningen på styreinngangen til krafttilførselen stiger dermed til en verdi som bestemmes av servokretsen, som på dette tidspunkt er blitt påvirket av

laserutgangen for å bestemme en passende verdi for styre-

signalet. På samme tid leder transistoren TR3 og den ikke-omvendende inngang til forsterkeren A1 faller slik at integratoren kan tre i funksjon. Når kondensatoren C1 lades opp gjennom motstanden R, vil utgangsspenningen for forsterkeren A2 falle til en minimumverdi som er innstilt på potensiometeret RV2. Dette frembringer det annet styresignal som faller til en verdi som representerer den normale løpende verdi for energinivået. Nærvær av dioden i utgangs-koplingen for forsterkeren A2 tillater at den annen styre-signalspenning kan heves av servokretsen hvis dette blir nødvendig på grunn av de forskjellige virkninger som er nevnt ovenfor.

Fortsatt drift av laseren fører til kontinuerlig påtrykning av klokkepulser på skyveregisteret, men disse har ingen virkning etterat den på forhånd innstilte telling er blitt nådd. Som nevnt tidligere, vil skyveregisteret alltid bli tilbakestilt til null hver gang laseren stanses.

Skyveregisteret og operasjonsforsterkeren er standard kret-ser som er tilgjengelige i integrert kretsform. Pulskretsen PC er ganske enkelt en krets som vil gi den nødvendige forsinkelse for klokkestyring av skyveregisteret og for å bringe transistoren TR4 til å lede. Skyveregisteret kunne er-stattes av en enkelt teller om fiødvendlg.

Hvis laseren er en kontinuerlig arbeidende laser i stedet for en pulset laser, vil klokkepulsene måtte avledes for en egnet klokkepulsgeneratur og tellingen i skyveregisteret vil representere en innstilt tidsperiode i stedet for et innstilt antall pulser. "Sample-og holde" kretsen vil ikke lenger være nødvendig i dette tilfelle. Siden den pulsede laser arbeider med gjentagelser, vil imidlertid virkningen være den samme.

Den måte hvorpå den lysfølsomme detektor LD prøver laserutgangen er blitt beskrevet fordi mange forskjellige anordninger er mulige med dette for øyet. Det benyttes fortrinns-vis en stråledeler for avledning av en del av laserens utgang mot en spredningsanordning som så betraktes av detektoren. Spredningsanordningen hindrer laseren i å bli påvirket av bevegelige "varmepunkter" i laserutgangen. Tidskonstanten for integratoren A1, d.v.s. steilheten for rampefunksjonen, bestemmes av verdien for motstanden R og kondensatoren C1. Denne tidskonstant kan således varieres ved passende varia-sjon av den ene eller begge av disse komponenter.

Krafttilførselsenheten PSC må som allerede fremhevet, være

av en art som påvirkes av en variabel styrespenning. Når man har en pulset laser, vil krafttilførselen vanligvis sørge for å lade en kondensator som så utlades over glimt-røret. I dette tilfellet vil styrespenningen variere den spenning hvormed kondensatoren lades. Når man har en kontinuerlig arbeidende laser, f.eks. en gasslaser, benyttes krafttilførselen til frembringelse av en sammenhengende utladning i det gassformede aktive medium, og spenningen eller strømmen for denne utladning kan varieres for å

styre laserens utgangsenergi.

Claims (10)

1. Reguleringskrets for laserenergi fra en laser som eksiteres ved gassutladning, med en energikilde som er innrettet til å tilføre energi til gassutladningen, karakterisert ved en første kretsanordning (TR1, TR2) som er innrettet til å begrense den energi som tilføres til en første innstilt verdi over et første tidsintervall etter at gassutladningen er påbegynt, en andre kretsanordning (A1, A2) som er innrettet til å heve energien som tilføres til en maksimalverdi ved enden av det nevnte første tidsintervall, og deretter til å senke den tilførte energi gradvis fra maksimalverdien til en normal løpende verdi under et andre tidsintervall som følger det første tidsintervall, og tredje kretsanordninger (LD, A3, C2, TR4) som påvirkes av lysutgangen fra laseren (FT) etter det nevnte andre tidsintervall, for å variere den tilførte energi på en slik måte at lysutgangen fra laseren (FT) holdes på en konstant verdi.

2. Krets som angitt i krav 1, karakterisert ved at den omfatter en tidsstyrekrets (SR, PC) som er innrettet til å fastlegge det første tidsintervall.

3. Krets som angitt i krav 2, karakterisert ved at tidsstyrekretsen omfatter et skyveregister (SR) som påvirkes av påtrykte klokkepulser.

4. Krets som angitt i krav 3, karakterisert ved at klokkepulsene er utløpspulser for en pulset laser.

5. Krets som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-4, karakterisert ved at den første kretsanordning omfatter koplingsanordninger som er innrettet til, under det første tidsintervall, å påtrykke et første styresignal på energikilden.

6. Krets som angitt i krav 5, karakterisert ved at den første kretsanordning (TR1, TR2) innbefatter anordninger (RV1) for endring av verdien av styresignalet.

7. Krets som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-6, karakterisert ved at den annen kretsanordning omfatter en integrator (A1) som er innrettet til å påtrykke på energikilden et andre styresignal for fastleggelse av den hastighet hvormed den tilførte energi faller til den normale løpende verdi.

8. Krets som angitt i krav 7, karakterisert ved at den annen kretsanordning innbefatter anordninger (RV2) for endring av den normale løpende verdi for den til-førte energi.

9. Krets som angitt i et hvilket som helst av kravene 7 eller 8, karakterisert ved at den hastighet hvormed verdien faller, kan varieres ved å variere tidskonstanten for integratoren (A1).

10. Krets som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-9, karakterisert ved at den tredje kretsanordning innbefatter en lysfølsom anordning (LD) som påvirkes av laserens lysutgang.