RU2031500C1

RU2031500C1 - Method of automated adjustment of mirror of optical resonator of gas laser

Info

Publication number: RU2031500C1
Authority: RU
Inventors: А.М. Белкин; В.Н. Дронов; А.П. Базилев; Г.С. Седов
Original assignee: Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов
Priority date: 1992-07-06
Filing date: 1992-07-06
Publication date: 1995-03-20

Abstract

FIELD: quantum electronics. SUBSTANCE: expanded range and increased precision of adjustment are achieved by determination of direction and value of misalignment of mirrors by influence of modulated voltage amplitude and actuating elements positioned on mirrors of resonator till instantaneous generation is excited. Change of variable component of voltage of discharge maintaining is measured. Direction is determined by phase of variable component and value of misalignment is determined by amplitude, controlling signal is generated and is sent over feedback circuit to actuating elements till maximum specified value of radiation power is obtained. EFFECT: expanded range and increased precision of adjustment. 2 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к юстировке газовых лазеров при их изготовлении. The invention relates to quantum electronics, in particular to the alignment of gas lasers in their manufacture.

Известен способ автоматизированной юстировки газовых лазеров, основанный на расщеплении пучка выходного излучения лазера. Два или более элементарных световых потока, симметричных относительно оптической оси, направляют на фотоприемное устройство и по величине и знаку разности фототоков определяют величину и направление разъюстировки зеркал резонатора [1]. A known method of automated alignment of gas lasers, based on the splitting of the output beam of the laser. Two or more elementary light fluxes symmetrical with respect to the optical axis are directed to a photodetector and the magnitude and sign of the difference in the photocurrents determine the magnitude and direction of the alignment of the resonator mirrors [1].

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится то, что известный способ пригоден только для потоков излучения с симметричным распределением плотности излучения относительно оптической оси, что ограничивает его применение, а также низкая точность юстировки. The reasons that impede the achievement of the desired technical result when using the known method include the fact that the known method is suitable only for radiation fluxes with a symmetric distribution of the radiation density relative to the optical axis, which limits its use, as well as low accuracy of adjustment.

Известен также способ юстировки зеркал активных элементов с использованием луча опорного лазера. Этот способ заключается в совмещении прямопроходящего через диафрагму луча опорного лазера с лучом, отраженным от зеркала резонатора. Отклонение от соосности при этом фиксируется на экране [2] . There is also a method of aligning mirrors of active elements using a beam of a reference laser. This method consists in combining the beam of the reference laser passing directly through the diaphragm with the beam reflected from the resonator mirror. The deviation from alignment is recorded on the screen [2].

Угловая точность установки зеркал этим способом вследствие визуальной ее оценки невысока (не превышает ±0,5 мкм) и определяется расстоянием между зеркалами. The angular accuracy of installing mirrors in this way due to its visual assessment is low (does not exceed ± 0.5 μm) and is determined by the distance between the mirrors.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является магнитострикционный способ регулировки зеркал и расстояния между ними, заключающийся в подаче рабочего напряжения питания на электроды активного элемента, зажигании спонтанного разряда, определении величины и направления разъюстировки зеркал, отработке управляющего сигнала и подаче его на исполнительные элементы по цепи обратной связи [3]. Closest to the invention in technical essence is a magnetostrictive method for adjusting mirrors and the distance between them, which consists in applying the operating voltage to the electrodes of the active element, igniting a spontaneous discharge, determining the magnitude and direction of the mirror alignment, developing the control signal and applying it to the actuating elements through a circuit feedback [3].

С этой целью на катушки, расположенные на каждом из стержней резонатора, подают постоянное напряжение и создают определенной величины магнитные потоки, которые вызывают изменение длины стержней. Изменение длины зависит как от величины магнитного потока (управляющего тока), так и от коэффициента магнитострикции материала. Таким образом, изменение магнитного потока (управляющего тока) около рабочей точки вызывает изменение расстояния между зеркалами или угловое положение зеркал. При этом величина управляющего тока характеризует величину разъюстировки, а направление магнитного потока (управляющего тока) - направление разъюстировки. For this purpose, a constant voltage is applied to the coils located on each of the resonator rods and create magnetic fluxes of a certain magnitude, which cause a change in the length of the rods. The change in length depends both on the magnitude of the magnetic flux (control current) and on the magnetostriction coefficient of the material. Thus, a change in the magnetic flux (control current) near the operating point causes a change in the distance between the mirrors or the angular position of the mirrors. The magnitude of the control current characterizes the amount of misalignment, and the direction of the magnetic flux (control current) is the direction of misalignment.

Существенными недостатками этого способа являются узкий диапазон юстировки, составляющий всего 15-20'', нелинейная зависимость изменения длины стержней резонатора от магнитного потока, большое рассеивание электромагнитной мощности, что соответственно не обеспечивает требуемой точности юстировки. Кроме того, по этому способу невозможно обеспечить соответствующие механические усилия, достаточные для осуществления процесса юстировки. Указанные недостатки практически не позволяют использовать данный метод для технологической юстировки стеклянных коаксиальных газовых лазеров, где требуется диапазон юстировки в пределах 1-1,5^о с погрешностью несколько секунд, а механические усилия 20-25 кгс.Significant disadvantages of this method are the narrow adjustment range, which is only 15-20 '', the nonlinear dependence of the change in the length of the resonator rods on the magnetic flux, the large dispersion of electromagnetic power, which therefore does not provide the required adjustment accuracy. In addition, according to this method, it is impossible to provide adequate mechanical forces sufficient for the implementation of the alignment process. These drawbacks are practically not allowed to use this method to process the alignment of glass coaxial gas lasers, which require adjustment range within ^about 1-1.5 with an accuracy of a few seconds, and mechanical forces of 20-25 kgs.

Технической задачей изобретения является создание способа автоматизированной юстировки зеркал оптического резонатора газового лазера с повышенной точностью и расширенным диапазоном юстировки. An object of the invention is to provide a method for automated alignment of mirrors of an optical resonator of a gas laser with increased accuracy and an extended adjustment range.

Технический результат может быть получен за счет того, что по способу автоматической юстировки зеркал оптического резонатора газового лазера, включающему подачу рабочего напряжения питания на электроды активного элемента, зажигание спонтанного разряда, определение направления и величины разъюстировки, отработку управляющего сигнала и подачу его на исполнительные элементы по цепи обратной связи, определение направления и величины разъюстировки осуществляют воздействием промодулированного по амплитуде напряжения на исполнительные элементы до возбуждения мгновенной генерации, измеряют изменение переменной составляющей напряжения поддержания генерации, по фазе переменной составляющей определяют направление, а по амплитуде - величину разъюстировки, после отработки управляющий сигнал постоянного тока подают по цепи обратной связи на исполнительные элементы до получения заданной мощности излучения. The technical result can be obtained due to the fact that by the method of automatic alignment of the mirrors of the optical resonator of a gas laser, including supplying an operating voltage to the electrodes of the active element, igniting a spontaneous discharge, determining the direction and magnitude of the misalignment, developing the control signal and applying it to the actuators by feedback circuits, determining the direction and magnitude of the misalignment is carried out by the action of voltage modulated by amplitude on the executive before excitation of instantaneous generation, the elements measure the change in the alternating component of the voltage to maintain generation, the direction is determined by the phase of the alternating component, and the misalignment is determined by the amplitude, after processing, the direct current control signal is fed through the feedback circuit to the actuators until the specified radiation power is obtained.

В основе предлагаемого способа лежит зависимость полного импеданса (напряжения поддержания разряда) активного элемента от величины разъюстировки. При этом в зависимости от степени разъюстировки резонатора под воздействием исполнительных элементов происходит то или иное изменение напряжения поддержания разряда, в составе которого появляется и переменная составляющая. The basis of the proposed method is the dependence of the total impedance (voltage maintaining the discharge) of the active element on the amount of misalignment. In this case, depending on the degree of alignment of the resonator under the influence of the actuating elements, one or another change in the voltage of maintaining the discharge occurs, in the composition of which a variable component also appears.

При разъюстировке величина переменной составляющей во много раз больше, чем при настроенном оптическом резонаторе. Поэтому величина переменной составляющей может использоваться в качестве дискриминационной характеристики автоматизированной системы юстировки резонатора. Кроме того, важным является и то, что если зеркала оптического резонатора испытывают достаточно сильные не синхронизированные друг с другом механические колебания относительно двух перпендикулярных осей, то в конце концов возникают квантовая генерация и мгновенное излучение. When misaligned, the magnitude of the variable component is many times greater than with a tuned optical resonator. Therefore, the value of the variable component can be used as a discriminatory characteristic of an automated resonator alignment system. In addition, it is also important that if the mirrors of the optical resonator experience sufficiently strong mechanical vibrations that are not synchronized with each other with respect to two perpendicular axes, then quantum generation and instantaneous emission eventually arise.

Получение необходимой информации о величине и направлении разъюстировки производится посредством исполнительных элементов, на которые подается напряжение с частотой модуляции генератором опорного сигнала. Сигнал переменной составляющей снимается с высоковольтного электрода активного элемента. В случае полной юстировки резонатора в составе напряжения поддержания разряда содержится только минимальная по амплитуде переменная составляющая удвоенной частоты 2f. Obtaining the necessary information about the magnitude and direction of the misalignment is carried out by means of actuating elements, to which a voltage with a frequency of modulation by the reference signal generator is applied. The variable component signal is removed from the high-voltage electrode of the active element. In the case of a full alignment of the resonator, the discharge maintaining voltage contains only the minimum amplitude variable component of the doubled frequency 2f.

Таким образом, амплитуда и фаза выделенной переменной составляющей с частотой первой гармоники соответствуют величине и направлению разъюстировки. Минимальная амплитуда и удвоенная частота этой составляющей характеризует окончание процесса юстировки, что соответствует оптимальной мощности излучения лазера. Thus, the amplitude and phase of the extracted variable component with the frequency of the first harmonic correspond to the magnitude and direction of the misalignment. The minimum amplitude and doubled frequency of this component characterizes the end of the alignment process, which corresponds to the optimal laser radiation power.

Предложенный способ обеспечивает одновременную юстировку обоих зеркал, причем в качестве сигнала обратной связи используется непосредственно измеряемая величина - переменная составляющая напряжения поддержания разряда, характеризующая величину и направление разъюстировки зеркал оптического резонатора. The proposed method provides the simultaneous alignment of both mirrors, and a directly measured quantity is used as a feedback signal — a variable component of the voltage of maintaining the discharge, which characterizes the magnitude and direction of the alignment of the mirrors of the optical resonator.

На фиг. 1 показано устройство, реализующее предлагаемый способ автоматизированной юстировки зеркал резонатора газового лазера; на фиг.2 представлена зависимость полного импеданса от степени разъюстировки активного элемента. In FIG. 1 shows a device that implements the proposed method for the automatic alignment of the mirrors of the resonator of a gas laser; figure 2 presents the dependence of the total impedance on the degree of misalignment of the active element.

Устройство для юстировки зеркал 1, 2 оптического резонатора 3 содержит четыре или восемь реверсивных исполнительных элементов 4, механически соединенных с зеркалом по двум взаимно ортогональным осям, программатор 5, блок 6 питания исполнительных элементов, коммутатор 7 сигналов управления, источник 8 питания газового лазера блока 9 контроля переменной составляющей напряжения поддержания разряда. Блок 6 питания исполнительных элементов состоит из генератора 10 напряжения и управляемого источника 11 постоянного напряжения. Блок 9 контроля переменной составляющей напряжения поддержания разряда содержит избирательный усилитель 12, синхронный детектор 13 и усилитель 14 постоянного тока. The device for aligning the mirrors 1, 2 of the optical resonator 3 contains four or eight reversing actuators 4, mechanically connected to the mirror along two mutually orthogonal axes, a programmer 5, an actuator power supply unit 6, a control signal switch 7, a gas laser power supply unit 8 control of the variable component of the voltage to maintain the discharge. The power supply unit 6 of the actuating elements consists of a voltage generator 10 and a controlled constant voltage source 11. The control unit 9 for controlling the variable component of the voltage for maintaining the discharge comprises a selective amplifier 12, a synchronous detector 13, and a direct current amplifier 14.

Процесс юстировки зеркал оптического резонатора 3 производится следующим образом. The alignment process of the mirrors of the optical resonator 3 is as follows.

На электроды активного элемента подают рабочее напряжение питания. При зажигании спонтанного разряда измеряют переменную составляющую напряжения поддержания разряда. Сначала определяют направление разъюстировки зеркал 1, 2. Поскольку эта операция наиболее длительная и трудоемкая, то она осуществляется в импульсном режиме. В этом случае на исполнительные элементы 4 подается управляющее напряжение, промодулированное по амплитуде. При появлении мгновенной квантовой генерации измеряется изменение значения переменной составляющей напряжения поддержания разряда, соответствующее этому режиму работы газового лазера. По величине фазы переменной составляющей напряжения поддержания разряда определяют знак (направление) разъюстировки. Амплитуда переменной составляющей питающего напряжения характеризует величину разъюстировки. Управляющий сигнал подается по цепи обратной связи для окончательной юстировки с целью получения оптимальной мощности. Этот процесс выполняется в режиме постоянного тока. По достижении заданной величины мощности лазерного излучения процесс юстировки заканчивается. An active voltage is applied to the electrodes of the active element. When igniting a spontaneous discharge, the alternating component of the voltage to maintain the discharge is measured. First, the direction of the misalignment of the mirrors 1, 2 is determined. Since this operation is the longest and most laborious, it is carried out in a pulsed mode. In this case, the actuating elements 4 are supplied with a control voltage modulated in amplitude. When instantaneous quantum generation occurs, the change in the value of the variable component of the voltage for maintaining the discharge is measured, which corresponds to this mode of operation of the gas laser. The magnitude of the phase of the variable component of the voltage to maintain the discharge determine the sign (direction) of the misalignment. The amplitude of the variable component of the supply voltage characterizes the amount of misalignment. The control signal is fed through the feedback circuit for final alignment in order to obtain optimal power. This process is performed in direct current mode. Upon reaching the specified value of the laser radiation power, the alignment process ends.

Технический результат - расширение диапазона и повышение точности юстировки в предлагаемом способе достигается за счет использования в качестве сигнала обратной связи переменной составляющей напряжения поддержания разряда, возникающей при механическом воздействии исполнительных элементов на оптический резонатор путем амплитудной модуляции управляющего напряжения питания. Этому способствует также применение в качестве исполнительных элементов прецизионных пьезодвигателей, обеспечивающих механические усилия до 20-25 кг. Использование способа позволяет расширить диапазон юстировки в несколько сот раз (с 15-25'' до 1-1,5^о), а также повысить точность в 20 раз (с 0,5 до 0,024 мкм).EFFECT: expanding the range and improving the accuracy of adjustment in the proposed method is achieved by using a variable component of the discharge maintaining voltage as a feedback signal arising from the mechanical action of the actuating elements on the optical resonator by amplitude modulation of the control supply voltage. This is also facilitated by the use of precision piezoelectric motors as actuators providing mechanical forces of up to 20-25 kg. Using the method allows to expand the adjustment range by several hundred times (from 15-25 '' to 1-1.5 ^about ), and also to increase the accuracy by 20 times (from 0.5 to 0.024 microns).

Способ юстировки зеркал резонатора предназначен для юстировки газовых лазеров в процессе их изготовления и позволит улучшить качество параметров приборов. The alignment method of the resonator mirrors is intended for alignment of gas lasers during their manufacturing and will improve the quality of the parameters of the instruments.

Claims

METHOD OF AUTOMATED ADJUSTMENT OF THE MIRRORS OF THE OPTICAL RESONATOR OF A GAS LASER, including supplying the operating voltage to the electrodes of the active element, igniting a spontaneous discharge, determining the direction and magnitude of the misalignment, developing the control signal and supplying it to the actuators via the feedback circuit, characterized in that determining the direction and the misalignment values are carried out by the action of the voltage modulated by the amplitude on the actuators until the instantaneous generation, measure the change in the variable component of the voltage to maintain the discharge, the direction is determined by the phase of the variable component, and the misalignment is determined by the amplitude, after testing, the direct current control signal is fed through the feedback circuit to the actuators until the specified radiation power is obtained.