Примеры элементов сули

Как правило, СУЛИ обеспечивают изменение оптических характеристик лазерного когерентного света (длины волны, фазы, интенсивности, направления распространения, ширины спектра излучения) с целью достижения их большей стабильности или перестройки по заданной программе для спектрометрических исследований [25−27].

В этом случае драйвер (привод) или модулирующий элемент — это оптико-механическое устройство, воздействующее на излучение и изменяющее его характеристики в зависимости от электрических параметров сигналов, приложенных к этому устройству.

Примерами драйверов могут служить следующие устройства.

• 1. Акустооптический модулятор (АОМ). Это прозрачный элемент, изменяющий направление распространения луча, проходящего в нем под действием приложенного электрического высокочастотного сигнала; АОМ может применяться для изменения интенсивности отклоненного луча, для добавления к оптической частоте света приращения, равного частоте приложенного напряжения, а также для обеих этих целей. Кроме того, АОМ может делать из одного луча два и более. При этом соотношение интенсивностей в различных пучках зависит от прикладываемой к нему электрической мощности. Один из пучков (обыкновенный) распространяется по исходной траектории так, как он бы распространялся в отсутствие напряжения. Этот пучок не имеет частотного сдвига. Другой пучок (необыкновенный) отклоняется под определенным углом и имеет частотный сдвиг.
• 2. Электрооптический модулятор (ЭОМ) изменяет фазу когерентного излучения под действием приложенного к нему электрического напряжения.
• 3. Пьезоэлектрический модулятор (ПЭМ) изменяет длину лазерного резонатора и вследствие этого — оптическую частоту. Также иногда он называется пьезокерамическим модулятором (ПКМ) или пьезоэлементом, а также пьезокерамикой.
• 4. Пьезоэлектрический или иного типа модулятор, используемый как модулятор угла поворота зеркала, изменяющий направление распространения луча.
• 5. Нелинейный кристалл, выделяющий кратную (как правило, вторую) гармонику излучения (электронное управление в этом случае состоит в управлении температурой кристалла для обеспечения наибольшей эффективности преобразования).
• 6. Нагреватели различных типов, основанные на разных физических принципах.
• 7. Зеркала, установленные на шаговых двигателях, для изменения направления луча.
• 8. Охладители, прерыватели света и прочие элементы.

Воздействие также может быть приложено непосредственно к лазеру. В частности, модуляция тока полупроводникового лазера влияет на мощность излучения, длину волны, ширину спектра.

Анализирующее устройство — это элемент или система, позволяющая оценивать некоторый параметр оптического излучения или группу параметров.

Примерами датчиков могут служить следующие устройства.

• 1. Фотоприемник на основе фотодиода, фоторезистора фотоэлектронного умножителя, прибора с зарядовой связью и т. д. — для анализа средней или мгновенной мощности излучения, для измерения частоты модуляционной составляющей. При измерении средней мощности рекомендуется использовать прерыватель пучка, установленный по возможности как можно дальше от фотоприемника. Это позволяет устранить влияние фоновой засветки путем выделения только переменной компоненты выходного сигнала, ее детектирования и измерения.
• 2. Один или несколько фотоприемников в сочетании со специальной измерительной схемой на некотором физическом принципе. Путем измерения соотношений мощностей в различных пучках света или анализа изменений мгновенного значения интенсивностей во времени они позволяют оценить разность частот двух или более лазеров, измерить фазовые соотношения при равенстве линейных комбинаций нескольких частот сигналов, генерируемых оптическими квантовыми генераторами (т. с. лазерами) и радиотехническими генераторами (включая СВЧ), а также получить иные характеристики, такие как близость к резонансам поглощения, флюоресценции или иного нелинейного оптического явления физических сред и оптических эталонов (интерферометров).

Собственно электрическая (электронная) часть включает, как правило, следующие основные типы устройств.

• 1. Усилители, фильтры, частотные и фазовые детекторы, синхронные детекторы и иные преобразователи сигналов.
• 2. Исполнительные звенья: усилители мощности, высоковольтные усилители для управления ПЭМ и ЭОМ, мощные управляемые генераторы для питания АОМ и т. п.
• 3. Регуляторы — корректирующие устройства, обеспечивающее требуемое качество системы в целом посредством формирования соответствующей АЧХ контура обратной связи.

Элементная база приводов и анализирующих устройств изучается в дисциплинах физического направления. Поэтому в данном курсе она рассматривается только в связи с ее согласованием с электронной частью системы, а именно: обсуждаются математические представления этих элементов в форме дифференциальных уравнений или уравнений в операторной форме и схемотехника согласующих электрических узлов (проектирование фотоприемных усилителей, генераторов, усилителей мощности и т. п.).

Материал, но созданию и модификации элементной базы доступен и выходит за рамки данной работы. В предлагаемом курсе мы рассматриваем лишь особенности электронных устройств управления лазерными системами, краткие сведения по основным аспектам элементного и системного подходов при проектировании этих систем.

Функциональные схемы и принцип работы научных физических установок, разработанных и изготовленных в Институте лазерной физики СО РАН, мы будем обсуждать в той мере, в какой это необходимо для понимания принципа действия, разработки функциональной схемы и технического задания на отдельные узлы и систему в целом.

К таким системам относятся спектрометры сверхтонкого разрешения и стандарты частоты на их основе, оптические лазерные линейки и стабилизированные по физическим эталонам газовые, твердотельные и полупроводниковые лазеры.

Системы управления режимом работы полупроводникового лазера занимают особое место в настоящем курсе, поскольку, во-первых, доля электронной части в системе весьма значительна и в большой степени определяет надежность, качество и долговечность всей системы; во-вторых, чрезвычайно высокие требования к качеству этой части относят их к классу прецизионной техники. Автором разрабатывались устройства стабилизации мощности излучения, тока накачки и температуры для систем различного применения и на различной элементной базе, поэтому кажется, что собственный опыт автора в этой области представляет достаточный интерес. Теория полупроводниковых лазеров изложена в работах [4, 7], дополнительные сведения о конкретных типах этих приборов содержатся в справочниках и статьях [41−46].

Различные способы представления сигналов, свойства и характеристики оптимальных систем их обработки хорошо освещены в монографиях Л. Френкса [37] и Ж. Макса [40].

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

• 1. Какие основные элементы содержат системы управления лазерным излучением?
• 2. Решение каких задач требуется для разработки электронных элементов СУЛИ?
• 3. Какой принцип реализуется в СУЛИ, в чем он состоит?
• 4. Какова основная причина неустойчивости замкнутых динамических систем?
• 5. Что называют статической ошибкой в теории автоматического регулирования?
• 6. Что называют статической погрешностью в метрологии?
• 7. Приведите примеры замкнутых СУЛИ.
• 8. Изобразите по памяти обобщенную функциональную схему СУЛИ, объясните назначение каждого элемента.
• 9. В чем отличия функциональной схемы, структурной схемы и расчетной схемы?
• 10. Приведите примеры приводов, анализирующих систем, электронных элементов.