NO170247B

NO170247B - Anordning og fremgangsmaate for kompensering av linseeffekt og dobbeltbrytningseffekt i en laser

Info

Publication number: NO170247B
Application number: NO863002A
Authority: NO
Inventors: Osher Kahan; Eduard Gregor
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Priority date: 1984-12-03
Filing date: 1986-07-25
Publication date: 1992-06-15
Also published as: ES8801444A1; GR852845B; ES549474A0; EP0202322A1; NO863002L; IL77077A; KR870700148A; NO170247C; EP0202322B1; WO1986003601A1; NO863002D0; DE3582795D1; KR920001493B1; IL77077A0; TR25387A

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører lasere og optisk kompensering av laserstrålning. Nærmere bestemt vedrører oppfinnelsen en anordning samt fremgangsmåte for å kompensere den positive termiske linseeffekt og den termiske dobbeltbrytningseffekt i en faststofflaser. Det tilsiktes å skape temperaturgradienter innenfor et flertall legemer av optisk materiale for å etablere radielt avhengig optisk banelengder og polariseringsfelt som kan utnyttes til kontinuerlig å kompensere for anomaliteter i laserstaver.

Et av de mest brysomme problemer som møter konstruktører av kommunikasjons- og målesystemer som anvender lasere, er fenomenet med stråledivergens. Selv om lasere frembringer koherent lys som vanligvis forutsettes å være dannet av et flertall perfekt parallelle stråler av elektromagnetisk strålning, sprer disse strålene seg alltid i en viss grad. For stor divergens hos strålen opptrer hvis de optiske komponenter som omfatter resonatoren bevirker optiske forvrengninger. Forskjellige laserforsterkningsmedia og systemmessige begrensninger bevirker forvrengningen i laserstaver. Typiske gjentatte pumpede faststofflaserstaver har eksempelvis tendens til å frembringe utgangsstrålning som divergerer i forhold til pumpeeffekten hos laseren. En optisk anordning som bevirker strålning til å divergere oppviser den mest signifikante egenskap hos en konveks eller positiv linse, som vist i fig. 3a.

Hvis en innfallende lysstråle sammensatt av kollimert eller parallelle stråler rettes mot en positiv linse som har jevn og isotropisk temperatur og innrettes parallelt med linsens optiske akse, vil så retningen for hver stråle som avgår fra utgangssiden hos linsen være avhengig av dens innfallsvinkel relativt overflaten normalt på linsens flate og av den optiske banelengden som strålen må tilbakelegge for å bevege seg over linsen. Hver stråle vil bli bøyd i en grad som er avhengig av dens innfallsvinkel relativt overflatenormalen og dens banelengde som, i sin tur, avhenger av brytningsindeksen for det optiske materialet som linsen er laget av og tykkelsen av linsen som strålen krysser.

I tilfellet av en gjentatt pumpet laserstav, vil staven bli oppvarmet i en grad som er proporsjonal med inngangseffekten som staven absorberer fra eksiteringsmekanismen. Varmen i staven forsvinner på dens utvendige overflate. Gradvis, kanskje over en periode av ti sekunder, blir staven omdannet til en positiv linse p.g.a. denne oppvarmning og avkjøling. Denne omdannelse finner sted p.g.a. at staven ikke er jevnt og isotropisk homogen i forhold til temperatur. Temperatur-forskjellene langs enhver radius av staven setter opp regioner med forskjellige brytningsindekser. En radiell temperaturgradient skapes innenfor staven, og, ettersom brytningsindeksen er temperaturavhengig, blir en radiell brytningsindeksgradient også etablert innenfor staven. Dette skaper effektivt en linse som har en fordeling av radielt avhengig optiske banelengder som ligner den for en fysisk konveks linse som er vist i fig. 3a. Effekten hos denne kortvarige positive linse er proporsjonal med den utstrekning som den oppvarmes p.g.a. at temperaturen bestemmer den rommessige brytningsvariasjon innenfor den. Temperaturgradienten som frembringes i staven er proporsjonal med varmestrømningen og brytningsindeksen går parallelt med temperaturgradienten. Denne dynamiske linsevirkning hos staven, tilveiebragt av en temperaturgradient, er ansvarlig for den uønskede stråledivergenten.

Når utgangsstrålen hos en laser divergerer på denne måten, mister den koherente strålningen meget av sin effektivitet, ettersom den energi som leveres av strålen til et fjerntliggende punkt avhenger av hvor meget strålen konsentreres mot et målpunkt av begrenset areal. Energi som spres utover et meget større areal enn tverrsnittet av den opprinnelige strålen er mindre konsentrert, og derfor mindre nyttig ved kommunikasjons- og målingsanvendelser.

Forskjellige kompliserte mekaniske systemer er blitt anvendt ved tidligere forsøk på løse dette problem med stavlinse-effekt. Et slikt system er en zoom-linse som består av et par linser med kort fokal-distanse og med motsatt optisk effekt. Avstanden mellom linsene kan justeres til å styre netto optisk effekt som er resultatet av bruken av linse-paret. Denne løsning opprettholder en konstant stråledivergens, men den urimelige høye kostnad ved de nødvendige presisjonslinser, mekaniske føringer, likestrømsmotor, og kompliserte styreelektronikk gjør ikke denne løsning attraktiv.

Enkle statiske konkave negative linser er blitt anvendt i laserresonatorhulrommet til å kompensere for den dynamiske linsevirkning hos staven. Den konstante virkning av den statisk negative linsen viser seg imidlertid å være ugunstig for laseroperasjonen inntil det tidspunkt når laserstaven er blitt oppvarmet og har oppnådd den nøyaktige ekvivalente, men motsatte optiske effekt for hvilken den enkle faste negative linsen er konstruert til å kompensere for. En ytterligere komplikasjon skyldes bruken av variable repetisjonstakter hos den pulsede laseren. En statisk konkav negativ linse kan ikke klare å håndtere variable takter, ettersom den beste oppnåelige kompensering er for en spesiell, bestemt størrelse eller utstrekning av dynamisk linsevirkning bevirket av den oppvarmede laserstaven.

Et annet problem som vedrører ytelsen hos en faststofflaser er den optiske aberrasjon hos laserstaven p.g.a. termisk dobbeltbrytning i laserstaven som bevirker depolarisering av laserstrålen og reduserer virkningsgraden hos polariserte lasere. Når en faststoffstav pumpes med eksiterings-strålning, blir en stor del av denne stimuleringsenergi omdannet til varme i staven. En av virkningene av denne stavoppvarming er depolariseringen av laserstrålen ved dobbeltbrytning. Stråledepolarisering kan redusere laserut-gangsstyrken og oppviser derfor et alvorlig problem når lasere anvendes i situasjoner som krever høy utgangseffekt.

Ved en faststoffstav vil varme som skyldes blinklyseksitering bevirke fysisk deformering av staven. Ettersom stavmateri-alet utvider seg med temperaturen, vil en radiell spenningsgradient bli dannet som frembringer radielt avhengig dobbeltbrytning i staven. Dobbeltbrytning er et optisk fenomen hvor et materiale oppviser en forskjellig brytningsindeks for hver av to polariseringsretninger definert av materialet. Denne dobbeltbrytning er vist ved virkningen hos et dobbeltbrytende krystall i fig. 3c-3g. Iløpet av lysets passering gjennom krystallet, oppløser det dobbeltbrytende mediet den polariserte strålen i to komponentstråler. Hver stråle polariseres langs en av de entydige retninger, slik at strålene beveger seg gjennom materialet med forskjellige hastigheter. Når de to strålene rekombineres etter å ha forlatt materialet, er de ikke lenger i fase med hverandre og polariseringstilstanden er endret.

Fig. 3c-g viser skjematisk dette dobbeltbrytningsfenomen. I fig. 3c representerer vektoren I polariseringsretningen for en stråle av innfallende lys. Når denne stråle I passerer gjennom et dobbeltbrytende materiale som vist i tverrsnitt i fig. 3d, oppløses vektoren I i to komponenter S, vist med heltrukken linje, og F, vist med stiplet linje. Komponentene S og F, som representerer henholdsvis høye og lave brytnings-indekspolariseringer, er vist etter de er gått ut av krystallet i fig. 3e, og beveger seg med forskjellige hastigheter. S-komponenten ligger nå etter F-komponenten som et resultat av dobbeltbrytningsvirkningen (fig. 3f). Ved vektoriell addering kombineres S og F til å danne resul-tantvektoren R som har en ny polariseringsretning (som vist i fig. 3g).

Varmen i laserstaven skaper depolariseringsregioner innenfor seg som varierer i virkning ifølge hver interne regions-avstand fra den sentrale aksen hos staven. De forskjellige regioner bevirker staven som et hele til å bli dobbeltbrytende p.g.a. variasjoner i brytningsindekser hos de disparat påkjente deler hos staven. Slik tilfellet var med kompenseringsbegrensningene for stråledivergens ved hjelp av virkningen fra en enkelt, enkel negativ linse plassert innenfor resonatorhulrommet, er et slikt enslig optisk element like ineffektivt til å korrigere for depolarisering som bevirkes av laserstavens termiske påkjénningsdobbelt-brytning.

Tidligere kjente fremgangsmåter for å kompensere for stavdobbeltbrytning omfatter bruken av en polariserings-rotator som anvendes mellom et stavpar som drives på det samme utgangseffektnivået. Et linsevirkningssystem anvendes til å innrette strålen slik at stavene kompenserer for hverandres dobbeltbrytning. Dette system krever imidlertid bruken av to staver i tillegg til trykkbeholdere som er uhyre kostbare og vanskelige å holde i riktig mekanisk innretting.

Et antall tidligere kjente løsninger anvender anordninger som modifiserer en stråle ved bruk av et eksternt styrt optisk medium for å endre forskjellige egenskaper hos strålen. US-patent nr. 3.735.046, omhandler et apparat som justerer bølgefrontformen hos en lysstråle som anvender stråle-adresserte optiske hukommelsesmidler styrt av et varierende elektrisk felt. En optisk anordning som oppviser tempera-turavhengige optiske absorpsjonsegenskaper er beskrevet i US-patent nr. 3.790.250. Et apparat ifølge US-patent nr. 3.945.715 anvender en elektro-optisk transduser i et stor-skala datalagringssystem. US-patent nr. 4.019.159 beskriver en tilbakekoplingsløsning med et krystall av elektro-optisk materiale montert i en ovn til å styre temperaturen og avstemme det elektriske feltet hos et frekvensdobblings-krystall. I US-patent nr. 4.117.399 omhandles en fremgangsmåte og et apparat for måling av elektrisk strøm eller spenning ved anvendelse av en optisk omformer som omfatter en laserlyskilde, en polarisator og en Faraday-rotator. I US-patent nr. 4.124.273 utnyttes Kerr-effekten ved å utstette to astigmatiske elektro-optiske elementer for varierende elektriske effekt for å fokusere en innfallende energistråle på et objekt som endrer sin posisjon hurtig. En termisk-optisk omformer som omfatter en lukket beholder som inneholder en vandig løsning, er omhandlet av i US-patent nr. 4.169.661.

Ingen av de foregående kjente løsninger løser problemet med de skadelige virkninger av stråledivergens eller depolarisering frembragt av termisk indusert dobbeltbrytning i en faststoff stavlaser. Tre av de kjente løsninger er mer direkte knyttet til problemet med å anvende et eksternt styrt optisk medium til å oppnå en viss kompensering av aberrasjoner i en strålningsstråle. I US-patent nr. 3.838.906 omhandles et apparat som omfatter et elektro-optisk krystall anvendt i forbindelse med en kraftkilde som brukes til å påføre spenning som regulerer transmisjonen av innfallende lys gjennom krystallet. En slik optisk bryter begrenser lystransmisjon ved å endre dobbeltbrytningskarakteristika for krystallet. Men patentet er ikke rettet mot problemet med å avbøte stråledivergens eller korrigere uønsket depolarisering i koherent lysutmatning. I US-patent nr. 3.780.296, omhandles en anordning for et elektro-optisk laserstråle-modulasjonssystem. Denne anordning krever et spesielt dobbeltbrytende optisk medium og anvender analysator og fotodetektormiddel for å generere og behandle et feilsignal for å modifisere karakteristika hos en laserstråle. Denne anordning krever ikke bare et medium som må oppvise spesiell dobbeltbrytningsoppførsel, men nødvendiggjør også inn-befatning av komplisert elektronisk styre og analyseutstyr. US-patent nr. 3.892.469 angir et apparat som anvender en oppstilling av sylindrisk elektroder som er innleiret i et fast legeme av krystallinsk materiale og energiseres av en fjerntliggende krafttilførsel for å tilveiebringe en anordning som har variabel fokal-lengde. Denne anordning krever den nøyaktige og kostbare implanering av metall-elektroder i et spesialisert kompenseringsmedium. I tillegg gjør Lotspeich ingen forsøk på å møte vanskelighetene som skyldes påkjennings-relatert depolarisering av strålen.

Ingen av disse tidligere anordninger tilveiebringer en effektiv og rimelig løsning på de optiske aberrasjoner som er beskrevet ovenfor i detalj som er til plage for operasjonen og ytelsen hos faststoff lasere som har høy utgang. En slik løsning ville tilfredsstille et lenge følt behov manifestert ved de eksisterende anstrengelser innenfor laser og optikkindustrien som fortsetter å utvikle kommunikasjons og målingssystemer som krever pålitelige, varige og kostnads-effektive høyeffektslasere. Den fortsatte utvikling og fremstilling av slike høyeffektslasere har frembragt et medvirkende behov for en oppfinnelse som kompenserer for laserstrålemangler på en måte som ikke skaper ytterligere skadelige sideeffekter og som ikke forstyrrer ytelsen og forsterkningen hos selve laseren.

En slik kompensator ville ideelt være egnet til å operere innenfor en laserresonator og ville kreves å funksjonere effektivt over et stort temperaturområde som ville innbefatte operasjonsområder for militære så vel som kommersielle anvendelser.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en virkningsfull, praktisk, kostnads-effektiv og likefrem løsning på problemene med stråledivergens og dobbeltbrytende depolarisering. Ifølge oppfinnelsen kjennetegnes den innledningsvis nevnte anordning ved minst to optisk innrettede sylindriske legemer som hver har første og andre sirkulære endeflater,

idet nevnte legemer består av optisk materiale som har en temperaturavhengig brytningsindeks og en forutbestemt utvidelseskoeffisient slik at nevnte materiale utvider seg når materialets temperatur øker for å skape en justerbar radiell spenningsgradient innenfor nevnte legeme for derved

samtidig å styre dobbeltbrytningseffekter og termiske linseeffekter i nevnte legemer,

oppvarmingsmiddel rundt sylinderoverflaten av nevnte legemer,

for å tilveiebringe en radiell temperaturgradient i nevnte legemer,

varmefjerningsmiddel som er termisk koblet til nevnte sirkulære endeflater av nevnte legemer,

varmeisolerende middel for å begrense transport av varme fra nevnte legemer fra andre enn de regioner som er omsluttet av nevnte varmefjerningsmiddel,

temperaturfølingsmiddel for å bestemme temperaturen av overflaten på nevnte legemer,

utløsermiddel for å levere effekt til oppvarmingsmidlet, for å frakoble effekten for det ene oppvarmingsmidlet dersom tilhørende temperaturfølermiddel angir at en forutbestemt overflatetemperatur er nådd, og for å innkoble effekten for et annet av oppvarmingsmidlene slik at nevnte legemer vekselvis oppvarmes.

Den innledningsvis nevnte fremgangsmåte kjennetegnes, ifølge oppfinnelsen ved å plassere i strålingen fra laseren minst to optisk innrettede sylindriske legemer som hver har første og andre sirkulære endeflater,

idet nevnte legemer består av optisk materiale som har en temperaturavhengig brytningsindeks og en forutbestemt utvidelseskoeffisient slik at nevnte materiale utvider seg når materialets temperatur øker for å skape en justerbar radiell spenningsgradient innenfor nevnte legeme for derved samtidig å styre dobbeltbrytningsvirkninger og termiske linsevirkninger i nevnte legemer,

å oppvarme nevnte legemer ved hjelp av oppvarmingsmiddel som er plassert rundt sylinderoverflaten av nevnte legemer for å tilveiebringe en radiell temperaturgradient i nevnte legemer, å fjerne varme ved hjelp av varmefjerningsmiddel som er termisk koblet til nevnte sirkulære endeflater på nevnte legemer,

å begrense transport av varme fra nevnte legemer fra andre enn de regioner som er omsluttet av nevnte varmefjerningsmiddel ved hjelp av varmeisolerende middel,

å bestemme temperaturen av overflaten på nevnte legemer, ved hjelp av temperaturfølingsmiddel, og

å anvende utløsermiddel for å levere effekt til oppvarmingsmidlet, for å frakoble effekten for det ene oppvarmingsmidlet dersom det tilhørende temperaturavfølingsmidlet angir at en forutbestemt overflatetemperatur er nådd, og for å innkoble effekten for et annet av oppvarmingsmidlene slik at nevnte legemer vekselvis oppvarmes.

Det anvendes med fordel et par kompensatorer som består av to legemer av optisk materiale som er termisk koblet til et par varmeoverføringsmidler for etablering av justerbare radielle temperaturgradienter innenfor kompensatorene. Kompensatorlegemene er konstruert til å være beliggende innenfor laserresonator på hver side av laserstaven uten på skadelig måte å påvirke laseravstemningen, selv om oppfinnelsen kunne tilpasses til å operere utenfor laserhulrommet uten ytelses-tap. Varme tilføyes eller ekstraheres fra kompensator-legemenes periferi i nøyaktig forhold til graden av opp-varming av laserstavene.

Tilførelsen eller ekstraheringen av varme fra kompensatorlegemene etablerer radiell termiske gradienter innenfor disse som er motsatt gradientene i laserstaven. I hver av laserstavene forsvinner varme ved dens periferi. I kompensatorene tilføyes varme ved periferien av kompensatorene. Ved å velge et materiale for kompensatorlegemene som har en temperaturavhengig brytningsindeks, kan den rommessige temperaturvariasjon innenfor et legeme utnyttes til å skape en dynamisk linse. Ved ytterligere å velge et materiale som utvikler en høyere brytningsindeks når dens temperatur økes, kan hver kompensator bevirkes til å oppføre seg som en negativ linse, slik som vist i fig. 3b, når varmeoverfør-ingsmidlet aktiveres og hever temperaturen av et kompensatorlegeme. Ved å plassere en slik tandemkompensator i riktig innretting med den divergerende utmatning fra en faststoff laserstav , kan stråledivergensen reduseres ettersom det positive aspekt hos laserstaven vil bli utlignet av det nøyaktig motsatte negative aspekt hos den dynamiske linsen dannet av tandemkompensatoren. Dessuten kan depolarisering som er bevirket av laserstav dobbeltbrytning likeledes bøtes på ettersom den termiske gradient innenfor den dynamiske linsen med vilje bevirkes til å være i den motsatte retning av gradienten innenfor en av laserstavene. Ved å velge optisk materiale som innehar en spesiell brytningsindeks avhengig av temperatur, kan denne ene anordning enkelt og rimelig samtidig utslette en vesentlig del av begge kilder til optisk mangel.

Den foreliggende oppfinnelse løser dessuten dilemmaet som skyldes bruken av en enkelt og enkel negativ linse innenfor resonatorhulrommet. Virkningen av dobbeltkompensatorer er alltid direkte proporsjonal og motsatt den for den stimulerte laserstaven. Paret av kompensatorer er initielt optisk nøytral. Den optiske effekt som den deretter inntar er automatiske tilpasset laserstaven. Linsevirkningsfenomenet som frembringes ifølge den foreliggende oppfinnelse vil alltid være nøyaktig tilpasset til å gjennomføre en korrigering av hvilken som helst divergens eller dobbeltbrytnings- . abberasjoner som ellers ville forvrenge laserens utmatning.

En av de begrensninger som kan foreligge er at linsedan-nelses- og kompenseringsvirkningen ikke er kontinuerlig, særlig når det anvendes kun et legeme av optisk materiale som er utsatt for overoppvarming etter en viss bestemt operasjonsperiode. Etter at temperaturgrensene for en slik løsning er nådd, må effekten som tilføres varmevekslingsmidlet slås av for å tillate at det optiske materialet avkjøles.

Et system som tilveiebringer uavbrutt korrigering av stråledivergens og dobbeltbrytende depolarisering ville være meget fordelaktig ettersom der er en myriade av anvendelser som ville dra nytte av den kontinuerlige virkning av en slik oppfinnerisk og viktig anordning.

Et av de mest viktige aspekter ved den foreliggende oppfinnelse er at det anvendes et flertall av koordinerte variabel-linse og dobbeltbrytning kompenseringsmidler for å muliggjøre uavbrutt operasjon. Dette meget verdifulle trekk danner et stort skritt fremover innenfor laserteknologien ettersom det er kritisk viktig ved anvendelse av den foreliggende oppfinnelse med det store antallet av mulige fordelaktige anvendelser som trenger en kontinuerlig, i motsetning til en intermittent, drevet laser.

Et annet av de mest viktige aspekter ved den foreliggende oppfinnelse er at det anvendes dobbelt polarvarmefjernings-middel som er anbragt ved hver av de to polene hos hver av nevnte koordinerte midler for kompensering av variabel linseeffekt og dobbeltbrytningseffekt. Denne gunstige innovasjon forøker dessuten påliteligheten, varigheten og den brukbare levetid for apparatet. I tillegg vil inkorpo-reringen av de doble, polare, langsgående varmefjerningsmidler trekkene muliggjøre den kontinuerlige operasjonsevnen som er beskrevet ovenfor på en praktisk måte, slik at oppfinnelsen kan tilveiebringes kommersielt for bruk over et bredt område av lasermiljøer.

Ved tilveiebringelse av varmefjerningsmiddel som ekstraherer varme frembragt ved operasjonen av dobbeltstavkompensatorene.

Varme fjernes fra polarregionene i stavene av optisk materiale hos hver av de koordinerte linsesammenstillingene. Denne polarvarmeekstrahering skaper langsgående temperaturgradienter som ikke endrer linseegenskapene hos kompensatorene .

Ved den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes derfor et effektivt, kontinuerlig middel for å korrigere problemet med stråledivergens i laseren. Dessuten inkorporeres et flertall av koordinerte, variabel-linse og dobbeltbrytnings-kompenseringsmidler i tillegg , til dobbelte polarvarmefjernings-midler for å muliggjøre praktisk, uavbrutt drift. Videre korrigeres uønsket depolarisering av laserstråler bevirket av laserstav dobbeltbrytning. Dessuten muliggjør oppfinnelsen på en effektiv måte å redusere de ovennevnte beskrevne optiske aberrasjoner rimelig og pålitelig og ved anvendelse et minimum av deler. Slik unngåelse av bevegelige deler eliminerer den konstante kalibrering og eventuell erstatning av komponenter som er utsatt for slitasje p.g.a. friksjon. Den tilveiebragte kompensator er tilstrekkelig allsidig slik at den vil fungere når den anbringes på den ene eller annen side av laserstaven eller endog umiddelbart utenfor resonatoren.

Disse og ytterligere kjennetegnende trekk ved anordningen og fremgangsmåten, ifølge oppfinnelsen, vil fremgå av de vedlagte patentkrav, og den foreliggende oppfinnelse skal nå nærmere beskrives i det etterfølgende med henvisning til en foretrukket, men for oppfinnelsen ikke-begrensende utførelsesform og med henvisning til de vedlagte tegninger.

Fig. 1 er et perspektivriss av en del av den foreliggende

oppfinnelse som også gjengir dens tverrsnittstruktur.

Fig. 2 er et vertikalt, delvis bortkuttet riss av en del av

oppfinnelsen at langs linjen 2-2 i fig. 1.

Fig. 3a,b og 3c-g er illustrerende forklaringer av henholdsvis en positiv linse, en negativ linse og egenskapen med dobbeltbrytning. Fig. 4 er en lineær plotting av den optiske effekt hos den dynamiske linsen som en funksjon av operasjonstid. Fig. 5 er et diagram som viser effektiviteten ifølge den foreliggende oppfinnelse som en kompensator for dobbeltbrytende depolarisering. Fig. 6 er et perspektivisk sideriss av den foreliggende oppfinnelse som viser to innrettede variabel-linse og dobbeltbrytningsammenstillinger som innbefatter dobbelte, polare langsgående varmefjerningsmidler som muliggjør koordinert, kontinuerlig drift. Fig. 7 er et tverrgående tverrsnittriss av en av sammenstillingene vist i fig. 6 sett langs linjen 7-7. Fig. 8 er et blokkskjema over temperaturavføler- og triggermidlene som koordinerer funksjonen hos tandem-anordningen vist i fig. 6. Fig. 9 er et blokkskjema over en alternativ utførelses av

triggermidlene vist i fig. 8.

Fig. 10 er en skjematisk fremstilling av den foreliggende oppfinnelse vist sammen med en laser, resonator-middel, og utstyr for kalibrering av kompensatoren. Fig. 11 er en skjematisk fremstilling av kretsdetaljen innenfor en krafttilførsel- og spenningstyreenhet som fullfører tilbakekoplingsforbindelsen og muliggjør at oppfinnelsen kan anvendes i en lukket sløyfedrift. Fig. 12 er et diagram som sammenligner brukbarheten av en faststofflaser med og uten nytten av den foreliggende oppfinnelse i dens enkelt-kompensatorutførelse. Dette diagram viser forbedringen i konsentrasjonen av utgangsstrålen når enkelt-kompensatorversjonen av oppfinnelsen anvendes. Fig. 1 og 2 viser en del av den foreliggende oppfinnelse, som omfatter essensen for en enkelt-stav lagring. En enkelt-stav variabel-linse og dobbeltbrytning kompensator 10 omfatter et sylindrisk legeme 12 av optisk materiale omgitt av et varmevekslingsmiddel 14 bestående av en spole av tynn isolert tråd som er viklet rundt den fulle utstrekning av legemet 12. Varmevekslingsmidlet 14 er, i sin tur, omhyllet av et lag av leiremateriale som har den egenskapen at det er dårlig termisk leder. Dette isolerende laget anbringes gjennom et legeme 12 av optisk materiale og et varmeavløp 18 som anvendes til å la overskuddsvarme som bygger seg opp i legemet 12 forsvinne.

I fig. 2 er ledere 20 vist forløpende til endene av den oppspolede tråden i varmevekslingsmidlet. Kompenseringslegemet 12 kan velges til å være sylindrisk eller skive-formet. Enhver generell langstrakt stavlignende utformning kan anvendes og ville sette konstruktøren i stand til å bevirke en viss forutbestemt temperaturgradient for å utnytte eller å endre de optiske egenskaper hos enkelt-stav kompensatoren. En stavlignende struktur som har et elliptisk tverrsnitt kan eksempelvis anvendes til å gjennomføre en eller annen oppgave for optisk korrigering hvis omstendig-hetene kreves en slik variasjon på det sentrale oppfinneriske konsept som omfatter denne oppfinnelse. Lengden av enkelt-kompenseringslegemet påvirker det maksimale operasjonsintervallet for en enkelt-stav kompensator. Etter en viss operasjonsperiode bygges overskuddsvarme opp i en enkelt-stav kompensator og på ugunstig måte påvirker dets korrigerende effekt fordi varmeoverføringsmidlet og legemet av optisk materiale til slutt når termisk likevekt. I en sylindrisk stav kan eksempelvis en enkelt stav som er en 1,25 cm lang tilveiebringe kompensering i ca. 1 1/2 minutt. En enkelt 5 cm lang stav har et maksimalt operasjonsintervall av ca. 8 minutter, ved hvilket tidspunkt enkelt-kompensatoren må tillates å bli avkjølt for at den kan anvendes påny med de ønskede resultater. Et relativt lengre kompensatorlegeme krever imidlertid mindre varme-innmatning pr. volumenhet for å oppnå det samme korrigeringsmidlet. Det optiske materialet må oppvise egenskapen med en temperaturavhengig brytningsindeks for å være effektiv til å kurere stråledivergens-defekten. På tilsvarende måte, hvis en kompensator forestilles anvendt som en dobbeltbrytningskorrigerer, må det optiske materialet ekspandere når dets temperatur heves for å danne det passende spenningsfeltet som avhjelper depolarisering. Disse to karakteristika er fysisk uavhengige ettersom en kompensator ikke nødvendigvis må anvendes for å minske både divergens og depolariseringsforholdene. Et materiale kan imidlertid velges som oppfyller disse oppgaver samtidig. Gitt disse begrensninger, står konstruktøren av en kompensator fritt til å anvende en bred oppstilling av substanser på kompensatorlegemet. Foruten de mest sann-synlige valg av glass, plast, eller krystall, kan et hvilket som helst materiale som fremviser de kjennetegn som er angitt ovenfor velges for oppgaven. Endog en væske eller et gass-fase kompenseringsmedium kan anvendes hvis det tilfreds-stiller konstruksjonskriteriene som er forklart ovenfor.

Ved konstruering av et enkelt-stav kompensatorlegemene er et viktig kriterium den termisk ledeevnen for det valgte optiske materialet. En minimumsvarmeinnmatning ved hjelp av varmevekslingsmidlet vil maksimalisere operasjonsintervallet før en enkelt stavkompensator må deaktiveres og tillates å bli avkjølt. For å gjøre varmemengden som gis adgang til kompensatorlegemet minst mulig, er det meget ønskelig å velge et materiale i hvilket en liten endring i temperatur vil frembringe en stor endring i temperaturgradienten som skapes i kompensatoren. Materialet som har en lav termisk ledeevne eller spredningsevne hindrer at den infuserte varmen migrerer for hurtig til senteret hos et kompensatorlegeme .

Varmevekslingsmidlet kan utformes av en spole av tynn, isolert tråd som vanligvis brukes i transformatorer eller induktorspoler. Slik tråd kan vikles rundt et kompensatorlegeme og adskilles i en hvilken som helst løsning som vil gi den ønskede grad av varmeveksling. En alternativ utførelses-form av varmeoverføringsmekanismen vil bestå av et lag av resistivt materiale avsatt direkte på et kompensatorlegeme. En slik omhylling eller dekke ville bli koplet til elektroder ved dens ender for å føre en elektrisk strøm gjennom den. Et slikt materiale kan generere varme når en elektrisk strøm føres gjennom det eller avkjøles når energisert, slik som Peltier-materiale. En ytterligere variasjon av det oppfinneriske konsept for varmeoverføringsmidlet ville være å anvende en ekstern strålningskilde, akustisk vibrasjon, eller varmeveksling via et omgivende medium av forskjellig temperatur for å oppnå det samme målet med å påføre en justerbar, ialt vesentlig radiell termisk gradient over og gjennom et kompensatorlegeme.

Enkelt-kompensator utførelsen ifølge oppfinnelsen er konstruert under anvendelse av en vanlig tilgjengelig skive av optisk materiale kjent kommersielt som en BK-7. Denne skiven er omtrentlig 1 cm i diameter og strekker ca. 0,8 cm fra ende til ende. BK-7 skiven er viklet med en standard versjon av isolert transformatortråd. Elektrisk strøm ført gjennom tråden for å oppvarme skivens periferi bevirker en kvadratisk temperaturfordeling innenfor skiven som effektivt danner en sfærisk linse som har optisk effekt proporsjonal med varmemengden som forsvinner på dens utside. Varmen spres innad gradvis ettersom linsens periferi fortsetter å øke i temperatur. Såsnart legemet av optisk materiale når termisk likevekt med varmeoverføringsmidlet, . gjøres enkelt-stav kompensatoren ineffektiv og må reaktiveres og tillates å bli avkjølt. BK-7 klarer eksempelvis et konstant optisk effektnivå under ca. 1,25 minutter for et konstant nivå av inngangseffekt. Økning av inngangseffekten når den optiske effekten begynner å avta kan utvide operasjonsperioden, men desto større den inngangsvarme som anvendes pr. volumenhet av kompenseringslegemet er, desto kortere er varigheten av linsevirkningen, ettersom den termiske likevekt oppnås hurtigere.

Oppfinnelsen kan testes under anvendelse av Zygo-inter-ferometer. Den dannede linsen oppfører seg som en sfærisk linse som er fri for kile. Eksperimentell testing, som anvender en laserstav og en kompensator plassert mellom kryssede polarisatorer, gir resultater som indikerer at kompensatoren reduserer depolarisering vesentlig.

Faktiske eksperimentelle data som "bestyrker effektiviteten ved oppfinnelsen er gitt i fig. 4. Linseeffekt i dioptere er representert ved en funksjon av operasjonstid for kompensatoren i sekunder. Fig. 5 er et diagram 38 som illustrerer kompensatorens ytelse i dens dobbeltbrytende depolariserende korrigeringsmodus. Diagrammet 38 viser graden av dobbelt-brytningsoppførsel som oppvises av kompensatoren for en gitt inngangseffekt i watt. Slukkeforholdet målt på abscissen er en størrelse målt i dB som angir minskningsgraden av strålningsintensitet som initielt lineært polariseres i en gitt retning, føres gjennom en depolarisator, og så måles av en anordning som er følsom kun for komponenter som er perpendikulære på den initielle polariseringsretningen.

Fig. 6 viser et tandem,- konsentrisk arrangement 48 av identiske variabel-linse og dobbeltbrytning kompensatorer som, for illustrasjonsformål, er blitt merket 50 og 52 i fig.

6. Sammenstillingene 50 og 52 er mekanisk sammenføyet ved hjelp av forbindelsesbolter 55. Begge legemer av optisk materiale 12 er stav-formet og er i optisk innretting, dvs. er koaksiale med den langsgående aksen 80. Hver av dobbelt-sammenstillingene 50 og 52 omfatter en stav 12Å, 12B omgitt av et varmevekslingsmiddel 14Å, 14B som består av en spole av tynn isolert tråd. Som beskrevet ovenfor kan varmevekslingsmidlet 14A, 14B også omfatte en hylse eller en avsetning av resistivt materiale forbundet med ledere 20A, 20B ved begge ender. Peltiermaterialet, som avkjøles når en elektrisk strøm passerer gjennom det, kan også anvendes. Varmevekslingsmidlet 14A, 14B er omsluttet innenfor et lag av fyllmateriale 16 som er en dårlig varmeleder. Materialet 16 dekker kun den sylindriske overflaten av hver stav 12A, 12B; i motsetning til den ene eller andre av hver stavs sirkulære endeoverflater. Denne selektive anbringelse av termisk isolering blokkerer varmestrålningen vekk fra hver stav 12A, 12B i radielle retninger og tvinger varme til å migrere til de sirkulære endeoverflåtene på hver stav.

Hver sammenstilling 50 og 52 omfatter et par av ringformete varmeavledere 54 av aluminium som er sammenføyet ved hjelp av varmeavløpforbindelsesbolter 55. Hver varmeavleder 54 av aluminium omslutter en skive 58 av optisk gjennomsiktig aluminiumoksyd, som vanligvis kalles safir. En god varmeled-ningsgrense mellom den ytre overflaten av hver safirskive 58 og dens respektive tilstøtende indre vegg av varmeavlederen 54 av aluminium er dannet ved f jærbelastning av hver aluminiumsring. Et lite kutt (ikke vist) er dannet gjennom hver ring som muliggjør at hver ring av aluminium 54, som har en litt mindre innvendig diameter enn diameteren for safirskivene 58, kan spres fra hverandre og monteres stramt over en skive 58. Aluminium anvendes i den foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen fordi det er en meget god varmeleder og har relativt lav vekt og er rimelig. Andre materialer som er godt egnet for bruk som varmeavleder-materiale kan anvendes like godt. Varmeavløpet kan også formes som en massiv kontinuerlig materialhylse som omslutter hver fullstendige variabel-linse og dobbeltbrytning kompensator 50, 52. Selv om fig. 6 viser varmeavløp 54 som har glatte ytre overflater, kan varmeoverføringsevnen for visse aluminiumsringer forbedres ved å øke deres overflateareal. Varmeavløp kan formes med radielle finner (ikke vist), slik at større varmemengder kan utveksles fra den oppvarmede staven 12A, 12B til det omgivende miljø.

Safirskivene 58 er meget gode termiske ledere og trekker varme ut fra stavene 12 på tvers langs aksen 80. Varmen fra de sylindriske kompensatorer ekstraheres gjennom flatene 56 på safirskivene 58 som støter mot endene av staven. For å hindre at hver stav 12A, 12B glir ut av optisk innretting, er et avfaset parti 52 dannet ved hver ende av hver stav 12A, 12B som vist i fig. 7. En liten ring av klebemiddel 59 er anbragt langs hver avfasede overflate 57 til å binde hver stav 12A, 12B til et par av safirskiver 58.

Temperaturen på den sylindriske overflaten av hver stav 12A, 12B avføles av termoelementer 60 og 61. Disse termoelementer er innleiret i overflaten av hver stav 12A, 12B under lagene som er dannet av varmevekslermidlet 14A, 14B og fyll-materialet 16. Selv om den foreliggende oppfinnelse anvender innleirede termoelementer som temperaturavfølingsmidler, kan mange andre teknikker som er velkjente innenfor teknikken anvendes for å detektere varmen på de sylindriske grenser av stavene 12.

Hvert termoelement 60 og 61 har et par ledere 62 og 64 som overfører et elektrisk signal fra hver termoelementforbindelse (thermocouple junction). Det signalet som genereres ved hver termoelementforbindelse tilsvarer temperaturen ved hver forbindelse. Fig. 8 viser ledere 62 og 64 forbundet med et par styrekretser 66 og 68. Hver styrekrets 66 og 68 er knyttet til sekvensdannende krets 78. Utmatningene fra styrekretsene 66 og 68 mates til varmevekslermidlenes krafttilførsler 70 og 72. Krafttilførslene 70 og 72 er forbundet med ledere 20A og 20B som overfører effekt til de respektive varmevekslermidlene 14A og 14B hos sammenstillingene 50 og 52.

Styrekretsene 66 og 68 og sekvenskretsen 78 fungerer i kombinasjon som et triggermiddel som koordinerer veksel-virkningen for stavene 12A og 12B med dobbeltsammenstil-lingene 50 og 52. Sekvenskretsen 78 avføler statusen for begge styrekretsene 66, 68 og leverer et høynivå omvekslingssignal til en av styrekretsene og et lavnivåomvekslings-signal til den andre styrekretsen bestandig. Når sekvenskretsen vippes av et signal som sendes til den fra en av styrekretsene, blir høy og lav omvekslingssignalene omsnudd. Med andre ord, når sekvenskretsen 78 vippes, mottar styrekretsen som mottok et høyt omveks lings signal så et lavt omvekslingssignal og omvendt.

Termoelementene 60 og 61 utvikler spenninger som sendes langs lederne 62 og 64 til styrekretsene 66 og 68 som, i tur, forsterker signalene og sammenligner dem med en lagret referanseverdi. Hvis en innmatet termoelementspenning er lik referanseverdien, vippes sekvenskretsen 78 og sender et lavt eller null-signal tilbake til styrekretsen som foretok sammenligningen. Dette lave signalet bevirker den mottakende styrekretsen til å slå av sin respektive varmevekslingsmiddel-krafttilførsel 70 og 72. Når et lavt signal sendes til en av de to styrekretsene 66 eller 68, blir et høyt signal samtidig sendt til den andre styrekretsen. Dette bevirker så krafttilførselen som er koplet til den til å sende en elektrisk strøm til dens varmevekslingsvikling 14A eller 14B.

Når den foreliggende oppfinnelse initielt energiseres, avføler begge termoelementer 60, 61 temperaturer som er under referanseverdien. Referanseverdien er en forutbestemt temperatur som er programmert inn i en hukommelsesanordning innenfor styrekretsene 66, 68 og representerer den maksimale driftstemperaturen for stavene 12A, 12B. Styrekretsene omfatter hver en forsterker som behandler inngangsspenningene fra termoelementene, samt en OG-port eller dens ekvivalent som utfører sammenligningen mellom en innmatning og referanseverdien. Kun en av de to styrekretsene 66 og 68 mottar et høyt omvekslingssignal fra sekvenskretsen ved et hvilket som helst gitt tidspunkt. Styrekretsene som mottar det høye omvekslingssignalet trigger krafttilførselen 70 eller 72 til hvilken den er koplet.

For denne forklarings formål kan det antas at styrekretsen 66 mottar det høye omvekslingssignalet, og at styrekretsen 68 mottar det lave omvekslingssignalet når den foreliggende oppfinnelse tas i bruk. Varmevekslingsmidlet 14A mottar så elektrisk strøm fra krafttilførselen 70, og stav 12A innenfor vikling 14A oppvarmes og begynner sin variable linsings og dobbeltbrytning kompenseringsvirkning. Ved igangsettingen av operasjonen av paret av variabel-linse og dobbeltbrytning kompensatorer, aktiveres kun sammenstillingen 50, ettersom sekvensenheten 78 sender et høyt omvekslingssignal til kun av de to sammenstillingene 50, 52. Når den sylindriske overflaten av staven 12A når referanseverdien, sender styrekretsen 66 et signal til sekvenskretsen 78 som vipper sekvenskretsen. Styrekretsen 66 mottar så et lavt omvekslingssignal som bevirker styrekretser 66 til å slå av krafttilførselen 70. Lederne 20A opphører så med å mate viklingen 14A med elektrisk strøm. Staven 12A begynner så å avkjøles, ettersom dens varmekilde er blitt slått av. Staven 12B begynner samtidig å oppvarmes, ettersom vikling 14B energiseres når sekvenskretsen 78 vipper og styrekretsen 68 aktiverer krafttilførselen 72.

Når staven 12B når sin maksimale driftstemperatur, avføler styrekretser 68 den tilstanden og vipper sekvenskretsen 78 nok en gang for å begynne syklusen påny. Denne syklus fortsetter ettersom hver stav overtar de variable linsings og dobbeltbrytning kompenseringsoppgavene i tur. Vekslingene av nytteperiodene for stavene 12A og 12B muliggjør at den foreliggende oppfinnelse kan operere kontinuerlig. Små modifikasjoner på styre og sekvenskretsene kan gjøre tidsstyringen av omvekslingen mellom de to sammenstillingene 50 og 52 bedre for å sikre en jevn overgang mellom parets handling. Eksempelvis blir samvirket hos paret forbedret hvis staven som er inaktiv begynner å oppvarmes sakte når den aktive staven nærmer seg den maksimale temperaturen. Styrekretsene, sekvenskretsen, og krafttilførselene er konstruert av konvensjonelle lagervarekomponenter. Konstruksjonene og operasjonen av kretsene som er beskrevet ovenfor er velkjente for personer med ordinær kyndighet innenfor elektronikk-området.

Fig. 9 omhandler dessuten middel ved hjelp av hvilket virkningen av tandemsammenstillingene 50 og 52 kan koordineres. Styremekanismen som er beskrevet ovenfor kan i alt vesentlig innbefattes på en enkelt, integrert kretsbrikke. Denne alternative utførelsesform av triggermidlene 66, 68, sekvenskretsen 78, og krafttilførselene 70, 72 er vist skjematisk som en integrert krets 81.

En prosessorenhet eller CPU 82 er vist koplet ved hjelp av databuss 86 og adressebuss 88 til hovedbuss 94 og et flertall integrerte anordninger ved hjelp av kretsbaner 95. CPU er en vanlig kommersielt tilgjengelig anordning som er referert innenfor elektronikkfeltet som en 6502 CPU. CPU 82 er koplet til en systemklokkegenerator 84 som utvikler en regulerende serie av pulser for CPU. Signaler fra termoelementene 60 og 61 innføres til de integrerte kretser 81 gjennom tilkoplinger 62 og 64 inn i analog multiplekser 90. Multiplekseren 90 identifiserer og skiller de to forskjellige signaler ved å sample de analoge spenninger ved 62 og 64 kun ved regelmessige, forutbestemte intervaller som er definert av systemklokkegeneratoren 84. En analog-til-digital omformer 92 omdanner de analoge spenninger på 62 og 64 som frembringes ved termoelementforbindelsene til digitale verdier.

Disse digitale verdier lagres av CPU 82 i et slettbart leselager eller EPROM 98. Adressen i EPROM 98 med hvilken en hvilken som helst spesiell digital verdi lagres, velges av anordningsvelgerdekoderen 104, som samvirker med CPU 82 og setter CPU i stand til å holde følge med hvor informasjon lagres. Såsnart en digital verdi som representerer en termoelementtemperatur lagres i EPROM 98, sammeligner CPU den med en annen digital verdi lagret i EPROM som representerer den maksimale driftstemperaturen for stavene 12A, 12B innenfor tandemsammenstUlingene 50, 52. Denne sammen-ligningsprosess gjentas mange ganger hvert sekund inntil CPU avføler en likevekttilstand mellom en innmatning fra et av termoparene og den pre-programmerte verdien lagret i EPROM. Såsnart CPU bestemmer at den ene eller den andre av stavene 12A, 12B har nådd eller overskredet grensen, sender CPU et signal til anordningens valgdekoder 104. Dekoderen 104 forsyner så CPU med en adresse i direktelager eller RAM 96 som inneholder informasjon som instruerer CPU til å endre tilførselen av effekt til spolene 14A og 14B for å korrigere overhetingstilstanden. Effekt for spolene 14A, 14B leveres av variable strømkilder 100, 102 som er koplet til hovedbuss 94 og viklingsledere 20A, 20B. RAM 96 inneholder informasjon som leses og anvendes av CPU til å kople av staven 12A eller 12B som overopphetes sakte mens den andre staven koples på umiddelbart for å sikre en jevn overgang med variabel linsings og dobbeltbrytning .kompenseringsvirkning. Denne syklus med omveksling av sammenstillingene 50 og 52 på og av fortsetter sekvensmessig som beskrevet ovenfor for å muliggjøre at den foreliggende oppfinnelse kan operere kontinuerlig. Et eksternt innmatnings/utmatningsgrensesnitt 106, som innbefatter et tastatur, en fremviser og forskjellige brytere kan koples til hovedbussen 94 som er permanent fast tilbehør eller som et midlertidig justerings-middel for å styre operasjonen av den integrerte kretsen eller for reprogrsLmmerings- og tilbakestillingsformål.

Samtlige av anordningene beskrevet ovenfor som er vist i fig. 9 er konvensjonelle kretselementer som vanlig anvendes i disse typer konstruksjoner av personer som har ordinær kunnskap innenfor elektronikken.

Fig. 10 og 11 eller skjematiske riss som viser den foreliggende oppfinnelse i en alternativ utførelsesform i hvilken kun en kompensator anvendes i en lukket sløyfeutformning. Det kan være nyttig å praktisere denne oppfinnelse under anvendelse av kun én kompensator i stedet for tandemløsningen som beskrevet ovenfor. Disse to tegningsfigurer illustrerer apparatur som kan konstrueres for å oppnå dette siktemål. Som vist i fig. 2 strekker lederne 20 seg til endene av den oppviklede tråden på varmevekslingsmidlet. Disse ledere er koplet til en krafttilførsel og spenningsstyring 22 som er koplet parallelt med kompensatoren 10, som er vist innenfor en resonator mellom speil 26 og 28. Laserhulrommet inneholder bakre resonatorspeil 26, laserstav 24, kompensator 10, og utgangsresonatorspeil 28.

I en lukket-søyle operasjon i hvilken utmatningen avføles og effektinnmatningene justeres ved tilbakekopling, energiserer krafttilførselen og spenningsstyringen både eksiteringsmidlet (ikke vist) for laserstaven 24 og varmeutvekslingsmidlet 14 på en måte som er ordnet på forhånd for å oppvarme legemet av optisk materiale i en grad som er proporsjonal med den stimulering som erfares, av laserstaven. Strålesplittende kalibreringsspeil 30, linse 32, apertur 33, og detektor 34 representerer kalibreringsmidler som anvendes til å avføle den korrigerte laserstråleutmatning etter at den er blitt påvirket av variabel-linse og dobbeltbrytning kompensatoren. Et strålesplittende kalibreringsspeil 30 retter del av hoved-strålen 31 gjennom linsen 32 som fokuserer en del av den kompenserte laserutmatningen gjennom aperturen 33 på detektoren 34. Denne detektor kan velges fra en stor gruppe av kommersielt tilgjengelige strålningsdetektorer som er følsomme for strålning frembragt av laserstaven 24. Et typisk eksempel er SGD-100Å silisium diffundert fotodiode som reagerer på strålning fra 0,5 pm til 1,1 pm og som er tilgjengelig fra EG&G Company i Salem, Massachusetts, USA. En slik detektor frembringer en utmatning som er proporsjonal med den energi som støter an mot dens overflate. Den strålning som avføles av detektoren 34 mates til effekt-tilførselen og spenningsstyringen 22 via tilbakekoplingsforbindelsen 36. Fig. 11 er et kretsskjema som viser den detaljerte mikroprosessorkrets innenfor krafttilførsel og spenningsstyring 22. Fra tilbakekoplingsforbindelsen 36 blir detektorsignalet vekselvis tilført et par prøvetakings- og holdeanordninger 22A og 22B. Utmatningene fra paret av disse anordninger blir også vekselvis omvekslet ved annenhver puls mellom de to inngangene på komparatoren 22C. Komparatorens utmatning mates til en opp/ned-teller 22D som reguleres av en klokkekrets 22E. En digital-til-analog omformer 22F omformer den digitale utmatning fra telleren til et analogt signal som kan forsterkes av effektforsterker 22G og så mates til varme-vekslermiddel 14 som omgir det optiske materiallegemet 12 hos komparatoren 10 via effektkopling 37. Varmevekslingsmidlet i fig. 11 er vist som en spole, en av dens flere alternative utførelser, som er beskrevet i detalj nedenfor.

Når laserstaven energiseres og utsender strålning, begynner krafttilførsel- og spenningsstyreenheten 22 å tilveiebringe en viss nominell effekt til variabel-linse og dobbeltbrytning kompensatoren 20. Prøvetakings- og holdeanordningene 22A og 22B tar prøver av utmatningen fra detektoren 34 ved regelmessige, forutbestemte intervaller, slik som hvert halve sekund. Hvis utmatningen fra detektoren er høyere enn en hvilken som helst tidligere prøve lagret av prøvetakings- og holdeanordningene, bevirker så komparatoren 22C opp/ned-telleren 22D, som reguleres av klokke 22E, til å øke eller bevege sin lagrede digitale telling med et trinn. Hvis utmatningen fra detektoren ved en hvilken som helst gitt syklus er mindre enn den tidligere holdte verdi, reduserer så komparatoren sin lagrede telling med ett trinn. Hvis der er tre på hverandre følgende detektorutmatninger som er lavere enn en hvilken som helst tidligere verdi, bevirker så klokken 22E opp/ned telleren 22D til øke tellingen påny. Størrelsen av trinnene kan bestemmes av brukeren av denne krets for å tilpasse konstruksjonen av laseren. Størrelsen av denne beholdte telling som kommer fra telleren 22D omsettes i et analogt signal av omformer 22F. Effektforsterkeren 22G leverer derfor en regulert effektmengde gjennom kopling 37 til varmevekslingsmidlet 14 hos variabel-linse og dobbeltbrytning kompensatoren 10.

Når uønsket stråledivergens opptrer i laserutmatningen, avføler detektoren mindre strålning som, i tur, bevirker en høyere utmatning fra effektforsterkeren til varmevekslingsmidlet for å øke linsevirkningen hos det optiske materialet og derfor å redusere divergensen hos strålen.

Fig. 12 er en grafisk fremstilling av enkelt-kompensatorens evne til å korrigere for stråledivergensaberrasjonen. Diagrammet sammenligner stråledivergens for en faststoffstav-laser med og uten den dynamiske linsevirkning ifølge den foreliggende oppfinnelse. Divergensen er kvantifisert ved måling av avviksvinkelen fra den optiske aksen for laserstrålen som, hvis dreiet om den aksen, ville definere en kjegle som omslutter 90$ av strålens energi. En relativt mindre avviksvinkel, som er angitt i milliradianer på y-aksen, angir en tettere, mindre divergent, og mer ønskelig laserstråleutmatning. 90$ energikjeglevinkelen plottes mot et bredt område av frekvenser for laserpulser (P.r.f. er en forkortelse for pulstaktfrekvens, målt i p.p.s., (pulser pr. sekund)). Den øvre kurven 40 i fig. 12 viser 90% energikjeglevinkelen som overskrider 1,5 milliradianer og bryter 2,0 milliradianer uten bruken av den dynamiske linsekompen-satoren. Den nedre kurven 42 viser resultater oppnådd med kompensatoren. En sammenlignIng av de to kurvene viser at bruken av kompensatoren tilveiebragte forbedringer som strakk seg fra 1/3 til 1/2 mindre divergens i laserstrålen.

Selv om den foreliggende oppfinnelse er blitt beskrevet i detalj med henvisning til den spesielle foretrukne utfør-elsesform, vil personer som har ordinær kunnskap innenfor teknikken forstå at forskjellige modifikasjoner og endringer kan foretas uten å avvike fra oppfinnelsen ide og omfang.

Claims

1. Anordning for å kompensere den positive termiske linseeffekt og den termiske dobbeltbrytningseffekt i en faststofflaser, karakterisert ved : minst to optisk innrettede sylindriske legemer (12a, 12b) som hver har første og andre sirkulære endeflater, idet nevnte legemer (12a, 12b) består av optisk materiale som har en temperaturavhengig brytningsindeks og en forutbestemt utvidelseskoeffisient slik at nevnte materiale utvider seg når materialets temperatur øker for å skape en justerbar radiell spenningsgradient innenfor nevnte legeme for derved samtidig å styre dobbeltbrytningseffekter og termiske linseeffekter i nevnte legemer (12, 12b), oppvarmingsmiddel (14a, 14b) rundt sylinderoverflaten av nevnte legemer (12a, 12b), for å tilveiebringe en radiell temperaturgradient i nevnte legemer, varmefjerningsmiddel (54, 58) som er termisk koblet til nevnte sirkulære endeflater av nevnte legemer (12a, 12b), varmeisolerende middel (16) for å begrense transport av varme fra nevnte legemer (12a, 12b) fra andre enn de regioner som er omsluttet av nevnte varmefjerningsmiddel (54, 58), temperaturfølingsmiddel (60, 61) for å bestemme temperaturen av overflaten på nevnte legemer (12a, 12b), utløsermiddel (66, 68, 70, 72, 78; 81) for å levere effekt til oppvarmingsmidlet (14a, 14b), for å frakoble effekten for det ene oppvarmingsmidlet (14a eller 14b) dersom tilhørende temperaturfølermiddel (60) angir at en forutbestemt overflatetemperatur er nådd, og for å innkoble effekten for et annet av oppvarmingsmidlene (14b eller 14a) slik at nevnte legemer vekselvis oppvarmes.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte oppvarmingsmiddel (14a, 14b) omfatter en spole av metalltråd viklet rundt den ytre overflaten av hvert av nevnte sylindriske legemer (12a, 12b) av optisk materiale, idet nevnte tråd sender varme til hvert av legemene (12a, 12b) når elektrisk energi tilføres nevnte spole.

3. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte oppvarmingsmiddel (14a, 14b) omfatter en hylse av elektrisk ledende materiale som er anbragt i kommunikasjon med hvert av nevnte legemer (12a, 12b) av optisk materiale.

4. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte oppvarmingsmiddel (14a, 14b) og nevnte varmefjerningsmiddel (54, 58) omfatter Peltier-materiale som er anbragt rundt den utvendige overflaten av hvert av nevnte legemer (12a, 12b) av optisk materiale og der nevnte Peltier-materiale endrer temperaturene for hvert av nevnte legemer (12a, 12b) av optisk materiale når en elektrisk strøm føres gjennom nevnte Peltier-materiale.

5. Anordning som angitt i minst ett av de foregående krav, karakterisert ved at nevnte optiske materiale velges fra gruppen bestående av glass, plast og krystall.

6. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte varmefjerningsmiddel (54, 58) omfatter: minst ett i alt vesentlig ringformet varmeavledende element (54, 58) bestående av et materiale som er en god varmeleder, og der minst ett av nevnte elementer er koblet til minst en av nevnte sirkulære endeflater på hvert av nevnte legemer av optisk materiale (12a, 12b).

7. Anordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at nevnte i alt vesentlig ringformede varmeavledende element (58) er laget av aluminiumoksid.

8. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte varmefjerningsmiddel (54, 58) omfatter: et par av indre, i alt vesentlig sylindrisk varmeavledende lag (58) bestående av aluminiumoksid, der hvert av nevnte indre lag har en utvendig omkretsmessig overflate, et par av ytre, generelt sylindrisk varmeavledende lag (54) bestående av aluminium, der hvert av nevnte indre lag i alt vesentlig omslutter begge nevnte sirkulære endeflater på hvert av nevnte legemer av optisk materiale (12a, 12b), og der hvert av nevnte ytre lag er koblet til nevnte omkretsmes-sige overflate på ett av nevnte indre lag.

9. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte temperaturfølende middel omfatter: et flertall av termoelementer (60, 61), der hvert individuelle legeme av optisk materiale (12a, 12b) er koblet til minst ett av nevnte flertall av termoelementer (60, 61), generelt på den ytre overflate av nevnte legeme av optisk materiale.

10. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte utløsermiddel (66, 68, 70, 72, 78) omfatter: første og andre komparatormiddel (66, 68), der hvert komparatormiddel er koblet til ett av nevnte temperatur-følende midler (60, 61) og oppvarmings- eller varmevekslingsmidlene (14a, 14b) som er koblet til ett av nevnte legemer av optisk materiale (12a, 12b), der hvert komparatormiddel (66, 68), sammenligner en referansetemperaturverdi med en innmatning mottatt fra dets respektive temperaturfølingsmiddel til hvilket det er koblet, der nevnte første og andre komparatormiddel (66, 68) er koblet ved hjelp av forbindelsesmiddel (78) slik at de vekselvis innkobler deres respektive varmevekslingsmiddel (14a, 14b) sekvensielt, og der hvert komparatormiddel (66, 68) frakobler sitt respektive varmevekslingsmiddel når temperaturen hos dets nevnte, respektive temperaturfølingsmiddel (60) er lik nevnte referansetemperatur.

11. Anordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at nevnte utløsermiddel (66, 68, 70, 72, 78) omfatter en integrert krets for å koordinere og styre den sekvensmessige operasjon av nevnte kontinuerlige operasjons-variabel-linse og dobbeltbrytning kompenseringsanordning.

12. Fremgangsmåte for å kompensere den positive termiske linseeffekt og den termiske dobbelbrytningseffekt i en faststofflaser, karakterisert ved trinnene: å plassere i strålingen fra laseren minst to optisk innrettede sylindriske legemer (12a, 12b) som hver har første og andre sirkulære endeflater, idet nevnte legemer (12a, 12b) består av optisk materiale som har en temperaturavhengig brytningsindeks og en forutbestemt utvidelseskoeffisient slik at nevnte materiale utvider seg når materialets temperatur øker for å skape en justerbar radiell spenningsgradient innenfor nevnte legeme for derved samtidig å styre dobbeltbrytningsvirkninger og termiske linsevirkninger i nevnte legemer (12a, 12b), å oppvarme nevnte legemer ved hjelp av oppvarmingsmiddel (14a, 14b) som er plassert rundt sylinderoverflaten av nevnte legemer (12a, 12b) for å tilveiebringe en radiell temperaturgradient i nevnte legemer, å fjerne varme ved hjelp av varmefjerningsmiddel (54, 58) som er termisk koblet til nevnte sirkulære endeflater på nevnte legemer (12a, 12b), å begrense transport av varme fra nevnte legemer (12a, 12b) fra andré enn de regioner som er omsluttet av nevnte varmefjerningsmiddel (54, 58) ved hjelp av varmeisolerende middel (16), å bestemme temperaturen av overflaten på nevnte legemer (12a, 12b) ved hjelp av temperaturfølingsmiddel (60, 61), og å anvende utløsermiddel (66, 68, 70, 72, 78; 81) for å levere effekt til oppvarmingsmidlet (14a, 14b), for å frakoble effekten for det ene oppvarmingsmidlet (14a eller 14b) dersom det tilhørende temperaturavfølingsmidlet (60) angir at en forutbestemt overflatetemperatur er nådd, og for å innkoble effekten for et annet av oppvarmingsmidlene (14b eller 14a) slik at nevnte legemer vekselvis oppvarmes.