Схема управления лазерным лучом — SU 984418 (original) (raw)
Оп ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯЙ пАТВнтУ Сфез СоветсннкСфцнапнстнчвсннкреспублнк984418Гесуаеретвееыб ненвтет СИР вв еаан вмбретеиий н еткрыти 11Опубликовано 23,12,82, Бюллетень М 47 Дата опубликования описания 0,01,83 ИностранцыАндраш Родманицки, Саболч Текеш и Аттила (ВНР) 72) Авторы изобретен Иностранное предприятие Тудоманьош Академиа Самиташтехник и еш Аутоматизалаши Кутато Интеэет") СХЕМА.УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧО Изобретение относится к системам,управления лазерным лучом, в частности к акустико-оптическим модуляторам, и может найти применение дляполучения нескольких выходных лучейлазера с постоянными и регулируемымиуглами отклонения,Известно устройство для получениянескольких световых лучей, основан"ное на поляризационных.электро-оптических переключателях 11,Недостатками электро-оптическихпереключателей подобного устройстваявляются необходимость высоких управляющих напряжений, необходимость ра-:ботать, в поляризованном свете, малаяразрешающая способность,Наиболее близкой потехническойсущности к изобретению является схе"ма управления лазерного знакогенера-: тора, основывающаяся на. законе дифракции Брэгга, содержащая акустико-оптический элемент,ф по меньшей мере, одиьультразвуковой преобразователь, высокочастотные осцилляторы в полосе ультразвуковых частот, соединенные черезсоответствующие задающие каскады,по меньшей мере, одним ультразвуковымпреобразователям, причем частоты всехВЧ-осцилляторов определяют углы выходаоптических лучей, а их амплитуды оказывают влияние на интенсивность выходныхлучей, и при этом каждый задающий кас 1 О 1 сад имеет управляющий вход, состоянием которого задается амплитуда сигналасоответствующего осциллятора 121.В известном лазерном знакогенераторе образующие знаки лучи лазера выхот дят из одного-единственного акустикооптического модулятора с постояннымво времени углом выхода. В этом акустиЛ,ко-оптическом модуляторе применяютсяосцилляторы очень высокой частоты, иро каждый осциллятор через задающий кас-.кад присоединен к ульт ра звуковому преобразователю акустико-.оптического,эле.мента. Частота каждого осциллятора определяет направлениеотносящегося сюдевыходного луча лазера, а. его ампли 984418984418 а Составитель 9. ИасленниковТехред И, Гергель ректор А.Гриценко едактор Н.Его каз 997 ПодписССР 4/5 фил ираж 51 ВНИИПИ Государственного комитета С по делам изобретений и открытий 13035, Иосква, Ж, Рауаская наб,атент , г, жгород, ул. Проектна9844туда определяет интенсивность выходного луча лазера.Недостатком известной схемы является невозможность регулируемого отклонения одного или нескольких выходных.лучей,Целью изобретения является расширение функциональных возможностей схемы путем регулируемого отклонения ча"сти выходящих оптических лучей. 0Поставленная цель достигается тем,что в схеме управления для образования нескольких выходных лучей лазера,расположенных в одной плоскости, основанной на законе дифракции Брэгга, и звключающей акустико-оптический элемент, содержащий, по меньшей мере,один ультразвуковой преобразователь,высокочастотные осцилляторы в полосеультразвуковых частот, которые черезсоответствующие задающие каскады сое"динены с упомянутым, по меньшей мере,одним ультзвуковым преобразователем,причем частоты всех 8 Ч-осцилляторовопределяют углы выхода оптических лучей, и их амплитуды оказывают влияниена интенсивность этого выходного луча, среди высокочастотных осциллято"ров находится по меньшей мере одиносциллятор регулируемой частоты, который снабжен определяющим частотувходом,Акустико-оптический элемент оснащен несколькими электрически разделенными ультразвуковыми преобразователями, к которым присоединено, поменьшей мере, по одному задающемукаскаду.Для совместного перемещения выхода каждого выходящего из акустмко-оп 40тического элемента луча лазера междузадающими каскадами и относящимисясюда ультразвуковыми преобразователями предусмотрено по одному смесительному каскаду, и вторые входы смесительных каскадов присоединены к45общему вспомогательному осцилляторууправляемой частоты. На фиг, 1 приведена блок" схема первой формы исполнения предлагаемой схемы, на фиг. 2 - блок-схема второй формы .исполнения схемы, на фиг.3 " блок-схема третьей, формы исполнения схемы на фиг, 4 - диаграмма временной зависимости угла выхода лучей Ы лазера из акустико-оптического элемента при указанном управлении осцил" ляторов, поясняющая работу первым 18, 4трех форм схемы, на фиг. 5 -.блоксхема модифицированной третьей формыисполнения схемы, в которой углы выхода всех выходных лучей лазера могут регулироваться сообща; на фиг.6 угловая диаграмма, где представленпринцип работы схемы, изображеннойна фиг, 5.Предлагаемая схема включает луч1 лазера, акустико-оптический элемент 2 ультразвуковые преобразователи 3 угол 4 отклонения, осцилляторы 5 постоянной частоты, задающиекаскады 6, усилители 7, луч 8 лазера, выходящий из преобразователяпри одной из частот, управляющиевходы 9 электрических управляющихнапряжений, задающие каскады 10,луч 11 лазера, выходящий из преобразователя при другой частоте, входы12 управления задающих каскадов,входы 13 электрических напряжений,суммирующие каскады 14 смесительныекаскады 15 которые имеют первый вход16 и второй вход 17, вспомогательный осциллятор 18 с управляющим входом 19 напряженияАкустико-оптический элемент 2 модулятора на фиг, 1 образован из оптически прозрачной среды в форме прямоугольной призмы, Назначение акустикооптического элемента 2 - из падающего луча 1 лазера образовать согласно определенной программы управлениянесколько самостоятельных выходныхлучей 8 и 11 лазера,Луч 1 лазера поступает на меньшую . торцовую поверхность призмообразного,акустико-оптического модулятора 2 и образует с его осью параллельно плоскости фронта волны ультразвука угол 4 отклонения, так называемый угол БрэггаНа нижней боковой плоскости акустико-оптического зле мента 2 вдоль направления распространения падающего луча 1 лазера по" мещены несколько электрически отделенных друг от друга ультразвуковых преобразователей 3, которые в направлении луча лазера достаточно длинны для того, чтобы в акустикооптическом модуляторе 2, как в среде, любой ультразвуковой преобразователь создавал ультразвуковое поле, которое осуществляет акустико-оптическую дифракцию света Брэг. га, Если для акустика-оптическбй среды выбирается такой материал,как,например вода или Те 02 - монокристалл типа "парателлурит" (в крис.таллографическом направлении индексИиллера 110), или Н 02 СЮ 2 - монокристалл типа "каломельн (в кристаллографическом направлении индвкс Ииллера 110), где скорость распростра"нения ультразвука мала, то длинаультразвукового преобразователя 3может выбираться небольшой, предпочтительно в диапазоне 1-3 мм.Установленный описанным образомакустико-оптический элемент 2 отличаетсятем, что если его ультразвуковые преобразователи 3 управляются сигналами осцилляторов соответствующей полосы по высокой частоте,то вследствие наступающих в акустико-оптической среде дифракций извходного луча 1 лазера образуютсятакие выходные лучи, угол выходакоторых отклоняется от направлениявыхода падающего луча 1 лазера; Размер этого отклонения зависит от ча,стот подведенного или подведенных 25к ультразвуковому преобразователювысокочастотных сигнала или сигналов управления, При управлении суказанной частотой интенсивность выходных лучей 8 и 11 лазера с сост- зоветствующим этой частоте углом выхода зависит от амплитуды управляоцего сигнала указанной частоты. Этоопределение действительно для любогоультразвукового преобразователя -3,т.е. каждый ультразвуковой .преобразователь может управляться однимили несколькими высокочастотными осциллятооами, в то воемя как управляющие частоты в отношении выходных лу 40чей 8 и 11 лазера внутри определеннойобласти действуют независимо друг отдруга,8 озможен также вариант, когда несколько ультразвуковых преобразователей 3 управляются одинаковой частотой, причем каждый из них вызываетв акустико-оптической среде такуюдифракцию, при которой углы выходасоответствующих выходных лучей 8 и11 лазера совпадоют с углом выходавыходного луча лазера, образованногеуправляемым той же частотой другимультразвуковым преобразователем, от- .куда следует, что интенсивность соответствующего конкретной частоте выходного луча 8 и 11 определяется,совместной амплитудой присоединенныхк отдельным ультразвуковым преобразователям 3, согласованных с одина" .ковой частотой осцилляторов.Так как в отношении производствавыходных лучей 8 и 11 лазера ультразвуковые преобразователи 3, в основном , могут рассматриваться как однородно выполненные, то акустико-оптический элемент 2 может предварительно устанавливаться как имеющий один-единственный ультразвуковойпреобразователь повышенной мощности,и соединенные с ним высокочастотныеосцилляторы осуществляют свое влияние линейно, независимо друг отдруга, Ультразвуковые преобразова- .тели 3 могут быть отделены друг отдруга, так как к одному.ультразвуковому преобразователю - вследствиенесовершенст.ва электрических модулей.(возникновения продуктов взаимноймодуляции и демпфирования суммирующих схем) - не могут быть присоединены высокочастотные осцилляторы свозможно большим числом и мощностью,Описанные свойства проявляются нетолько в акусто-оптических модулято"рах, показанных на фиг. 1-3 и 5,когда ультразвуковые преобразователи 3 размещены в одной плоскостибоковых поверхностей призматического элемента, Они могут быть с соответствующими размерами размещены наотличных, но параллельных друг другуплоскостях, или акустика-оптическийэлемент 2 может быть смонтировантакже из нескольких, отделенных другот друга, но оптически связанных независимых элементах,Иожет быть применен также акустико-оптический элемент, ультразвуковые преобразователи которого выполнены для образования вцходных лучейлазера для упомянутого линейного наожения. Иощность управляющих ультра-.звуковыми преобразователями 3 высоко"частотных осцилляторов должна выбираться настолько большей, чтобыможно было пренебречь действием возможной повторной дифракции на прелом-.ленные лучи; которая возникает вследствие возбужденного другим предусмотренным внутри акустико-оптической сферы элемента ультразвуковым преобразователем поля. Это условие выполняется, если вся интенсивность каждого .выходящего из акустико-оптического элемента яреломленного лучалазера менее 0,4-0,5-кратной интен 79844 сивности входного луча 1 лазера. В этом случае каждый преломленный выходной луч лазера получает энергию . из энергии входного луча 1 лазера,Акустико-оптический элемент 2 может управляться различным образом, Одинаковые в отношении управления Функции элементы схемы на Фиг, 1-3 и 5 ограничены штриховыми линиями, Эти элементы электрически независимы друг 1 е от друга и принимают участие в управлении различных ультразвуковых преобразователей 3. Одинаковая фигура указывает на равенство функций.Значения частот осцилляторов 5 15 постоянной частоты (Фиг, 1) остают ся неизменными в процессе работы и отличаются друг от друга. Частоты отдельных осцилляторов 5 обозначеныГ .Г Осцилляторы 10 регу в лируемой частоты, осцилляторов 5, выполнены таким образом, что,их рабочие частотььмогут регулироваться в зависимости от соединенных с соответствующими определяющими ча- И стоту входами 13 электрических напряжений в пределах значений частот. Полосы рабочих частот отдельных осцилляторов 10 регулируемой частоты целесообразно выбирать без перекры" тий, так, чтобы, например, полоса частот первого осциллятора 10 определялась предельными. значениями . частот 1 а 1 и Га, и соответственно полоса частот и-го осциллятбра опре 35 деляется 1 п 1 и 1 п.К каждому высокочастотному осциллятору 5 и 10 соответственно присое.динено по одному задающему каскаду 6,. В простейшем случае задающие каскады 6 реализуются с электронным вы-. ключателем, который в зависимости от присоединенных к соответствующим управляющим входам 9 электрических управляющих напряжений направляет дальше сигнал осциллятора или преграждает ему путь. Эти задающие каскады 6 могут быть смонтированы так, чтобы помимо разрешения и запреще,- ния поступательного движения изменялось бы поданное напряжение осцил"50 аяторов, Входы 12 управления задающих каскадов согласованы с осциллятррами 10 регулируемойчастоты.Каждый задающий каскад 6 через усилитель 7 присоединен к ультразвуко вому преобразователю 3 акустико-оптического элемента, Усилители 7 повышают выходное напряжение осциллято 18 8ров до соответствующего уровня и от-;деляют осцилляторы от ультразвуковыхпреобразователей 3,При включении схемы согласноФиг. 1 каждый осциллятор 5 регулируемой частоты соответственно создает один выходной луч лазера, уголвыхода Ж которого зависит от заданнойпостоянной частоты соответствующихосцилляторов. Если полосы частотосцилляторов 10 регулируемой частотыне перекрывают друг друга и отличаются от значений частот осцилляторов 5 постоянной частоты, то каждыйосциллятор 10 создает лучи 11 лазера с регулируемыми углами выхода,Эти углы выхода лучей 8 и 11 лазера изменяются во время работы в пределах области угла, соответствующейполосам рабочих частот согласованныхс ними осцилляторов 10 При наличииприведенных условий углы выхода каждого выходного луча 8 и 11 лазераразличны, т,е. пути выходных лучейлазера не пересекаются. Влияющее назадающие каскады 6 управление, атакже управление определяющих частоту входов 13 могут воздействовать наход выходных лучей лазера в зависимости от требуемой цели,Схема на фиг, 2 отличается от предыдущей тем, что между задающимикаскадами 6 и усилителями 7 предусмотрены суммирующие каскады 14, являющиеся линейными суммирующими схемами с несколькими входами, причемк каждому входу присоединен выходзадающего каскада 6. Применение суммирующих каскадов 14 позволяет увеличить число присоединяемых к ультразвуковому преобразователю 3 осцилляторов до количества входов суммирующих каскадов, В приведенном на фиг.2случае каждый суммирующий каскад14 имеетв входов и иэ осцилляторов5 постоянной частоты образовано игрупп, откуда получают частоту последнего осциллятора для Гм, причем И=п щ. Входы согласованного с последним ультразвуковым преобразователем 3 суммирующего каскада 14 соединены с задающим каскадом 6, с которым согласован осциллятор 10 регулируемой частоты, Если суммирующие каскады 14 являются линейными элементами..и каждый ультразвуковой преобразователь 3 эквивалентен акустико-опти9844ческому элементу 2 в отношении возбужденных выходных лучей лазера, работа схемы на фиг. 2 не отличается отработы схемы на фиг, 1, за исключением возможности присоединения5нескольких осцилляторов.Отличие схемы на фиг, 3 от предыдущей в .том, что осцилляторы 10 ре.гулируемой частоты не присоединенык одному-единственному сумматору14 и через него - к совместному уль"тразвуковому преобразователю 3, аодин из входов каждого сумматора14 соединен с одним из осцилляторов10, Число входое суммирующих каскадое 14 на фиг. 3 на единицу больше,чем на фиг. 2.Иэ описанного условия линейностивытекает воэможность образования нескольких комбинаций, причем соответственно один сумматор может бытьсоединен с несколькими осцилляторами 10 и т.д, В простейшем случаечисло ультразвуковых преобразователей 3 одного акустико-оптическогоэлемента 2 не более двух, причемодин соединен с одним из осцилляторов 5 постоянной частоты, другой жес осциллятором 10 регулируемой частоты, Не сложнее и случай, когдаакустика-оптическйй элемент 2 содержит лишь один ультразвуковойпреобразователь 3, к которому присоединен один из суммирующих каскадов14, так что один из входое соединен35с осциллятором 5 постоянной частоты,а другой - с осциллятором 10 регулируемой частоты. На практике наиболее целесообразно применение поменьшей мере 7-ми осцилляторов по 40стоянной частоты,В показанном на фиг. 4 примереуправления представлено прохождениепо времени выходящих иэ акустикооптического элемента 2 лучей лазера45постоянного 8 и переменного 11 уг"лов. Управление согласно фиг. 4 может быть реализовано по какой-либоиэ схем фиг, 1"3.Согласно диаграмме управленияы50одиннадцати лазерных лучеи неизменного угла выхода и трех лазерныхлучей переменного угла выхода фиг,4)левая вертикальная ось указываетугол выхода, а правая - соответствующие частоты осциллятора. Частоты55осцилляторов 5 постоянного значения "частоты расчленяются на две груйпы:первая группа включает частоты 18 10Г 1Г, которые занимают полосу частот разверткя 8 Ь, вторая группа" частоты Г.,11, которые прихо" дятся на полосу 8 а. В полосах 8 а и 8 Ь содержатся все выходные лучи лазера постоянных углов выхода. Согласованныес ними задающие кас- кады 6 могут при этом оказывать влияние лишь на стирание и соответст" венно возникновение, например, интенсивности линии дорожки, Все выходные лучи 11 лазера регулируемого угла выхода (на фиг. 4 три выходных луча) соответственно занимают диапазон углов 11 а, 11 Ь и 11 с.Как видно из фиг, 4, к определяющим частоту входам 13 осцилляторов 10 регулируемой частоты присоединяются напряжения треугольной формы различных частот. Если все лучи лазера отклоняются параллельно оси времени по фиг. 4, то диаграмма указывает линии дорожки лучей лазера. Если частоты напряжений треугольной формы достаточно велики, то лучи 11 лазера переменного угла освещают соответственно одну целую полосу, что является предпочтительным в указанных случаях применения (например, выделение расстояния между строками или выделение полосы 1, Разумеется, возможно и перекрывание отдельных полос друг с другом или воз" никноеение между ними пустых зон.Схема на фиг, 5 базируется, в основном, на принципе коммутации согласно фиг, 3. Различие состоит в том, что между суммирующими каскадами 14 и усилителями 7 включены смесительные каскады 15, каждый иэ которых имеет первый вход 16 и второй вход 17 . Каждый первый вход 16 соединен с выходами согласованных со смесительными каскадами суммирующих каскадов. Все вторые входы 17 соединены друг с другом и присоединены к выходу вспомогательного осциллятора 18 управляемой частоты. Частоту вспомогательного осциллятора 18 управляемой частоты можно изменять в пределах полосы между значениями частот Г а Г с помощью присоединенного к управляющему входу 19 напряжения. Смесительные каскады 15 создают разностную или суммарную частоту поданных к их первому входу 16 и второму входу 17 высокочастотных сигйалов. Результат этого смешивания управляет ультразву.11 98441ковыми преобразователями 3 акустико-оптмческого элемента, Целесооб"разно, чтобы усилители 7 были согласованными полосовыми усилителя"ми, которые оставляют ультразвуковымпреобразователям 3 лищь продуктычастот , приходящиеся на желаемуюполосу, так как ультразвуковые преобразователи так или иначе обладаютсвойствами запирания полосы. Пред- . 10почтительно такой выбор частот,чтобы разностные частоты приходились на полезную полосу ультразву"ковых преобразователей 3,На Фиг. 6 как и на Фиг, 4, показана временная зависимость выходныхлучей лазера, но для схемы соглас"но Фиг. 5 причем к управляющему входу 19 вспомогательного осциллятораприложено управляющее напряжение схарактерным прохождением во времени,и частота следует за этим капряжекием. Из Фиг, 6 видно, что показаннаяка Фиг, 4 Форма линии имитирует изменения управляющего напряжения вспо"могательного осциллятора, так чтовсе выходные лучи лазера одновременно смещаются в одинаковой мере, Этосмещениецелесообразно применятьдля общей коррекции и соответственно точной регулировки положения выходных лучей лазера, В случае применения акустико-оптического модулятора в лазерном знакогенераторевыходные лучи лазера определяют, на 35пример, вертикальные точки однойФормы или одного знака, а вертикальная относительно направления распро"странения развертка лучей образуетзапись последовательности знанов.аоПутем управления вспомогательнымосциллятаром 18 можно точно регулировать положение. знаков (например, вертикальное положение)Вариант осуществления схемы со"45гласно Фиг, 4 и 6 делает возможнымвозникновение наряду с выходящимис постоянным углом выхода из аку.стико"оптического элемента 2 лучами лазера, выходных лучей лаэера спеременным положением угла (т,е,линия дорожки) в той же выходнойплоскостии регулирование положенияугла всех выходных лучей лазерапри сохранении выходной плоскости(т,е. в пределах ее),Обе возможности могут быть многократно использованы в большинстве обычных слу чаев применения акустико-оптичес 8 12ких модуляторов, в особенности влазерных знакогенераторах, оптических записывающих устройствах илилазерном Факсимиле.Формула изобретения1, Схема управления лазерным лучом, основывающаяся на дифракцииБрэгга, которая содержит акустикооптический элемент, по меньшей мере, один ультразвуковой преобразователь, высокочастотные осцилляторы в полосе. ультразвуковйх частот, соединенные через соответствующие задающие каскады по меньшей мере одним ультразвуковым преобразователем, и при этом каждыйзадающий каскад имеет управляющийвход, состоянием которого задается амплитуда сигнала соответствующего осциллятора, о т л и ч а -.ю щ а я с я тем, что, с целью рас"аирения Функциональных возможностейпутем перестройки угла выхода лазерного луча, по меньшей мере одиносциллятор выполнен с регулируемойчастотой и содержит определяющийчастоту вход.2. Схема управления по и 1, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что к каждому ультразвуковому преобразователючерез совместные суммирующие каскадыприсоединены несколько задающих каскадов3, Схема управления по и, 2, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что к каждому совместному суммирующему каскаду присоединен по меньшей мере одинсогласованный с оциллятором регулируеМой частоты задающий каскад,Схема управления по пп. 1-3,о т л и ч а ю щ а я с я тем, что ультразвуковые преобразователи присоединены к выходам задающих каскадовчерез усилители.5, Схема управления по пп. 1-4,о т л и ч а ю щ а я с я тем, чтов нее введен один вспомогательныйосциллятор, а входы всех усилителейсоответственно через смесительныйкаскад присоединены к вспомогательному осциллятору управляемой частотыИсточники информации,принятые во внимание при экспертизе1. ебрин Ю,Е, Управление"оптическим лучом в пространстве. М