СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА, СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, БЛОК ФОРМИРОВАНИЯ УПРАВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ), УСТРОЙСТВО СУММИРОВАНИЯ

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА, СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, БЛОК ФОРМИРОВАНИЯ УПРАВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ), УСТРОЙСТВО СУММИРОВАНИЯ


RU (11) 2152675 (13) C1

(51) 7 H01S3/10, G02F1/29 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 07.12.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 98121151/28 
(22) Дата подачи заявки: 1998.11.24 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 1998.11.24 
(45) Опубликовано: 2000.07.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2115203 C1, 10.07.1998. C.G.Dupuy et al. High Power Diode Laser System 1.m and Comparative Tissue Interaction Studies IISPIE Biomedical Optic's 94 N 2131-43 p.1 - 10. RU 2091942 C1, 27.09.1997. US 4516242 A, 07.05.1985. WO 9514251 A1, 26.05.1995. 
(71) Заявитель(и): Государственное унитарное предприятие Конструкторское бюро приборостроения 
(72) Автор(ы): Шипунов А.Г.; Пихновский Г.П.; Понятский В.М.; Пуганов А.В.; Хомченко В.Г. 
(73) Патентообладатель(и): Государственное унитарное предприятие Конструкторское бюро приборостроения 
Адрес для переписки: 300001, г.Тула, ул. Щегловская засека, ГУП Конструкторское бюро приборостроения 

(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА, СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, БЛОК ФОРМИРОВАНИЯ УПРАВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ), УСТРОЙСТВО СУММИРОВАНИЯ 

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано, например, в технологических, медицинских, метрологических лазерных установках. Способ управления параметрами излучения лазера состоит в том, что задают опорный сигнал, пропорциональный номинальной величине выходного параметра, выделяют сигнал, пропорциональный величине выходного параметра, и управляют изменением выходного параметра, пропорционально величине опорного и выделенного сигналов. После задания опорного сигнала устанавливают выходной световодный инструмент. В процессе управления включают соответствующее количество лазерных модулей в зависимости от диаметра центральной жилы световодного инструмента. Для осуществления указанного способа в систему управления параметрами излучения лазера включают задатчик выходного параметра, блок формирования управления, измеритель параметров световодного инструмента, измеритель выходных параметров, блок управляемых лазерных модулей, устройство суммирования и световодный инструмент. Устройство суммирования содержит втулку, выполненную в виде полого конуса, световоды управляемых модулей, устанавливаемые внутри втулки. Внутрь втулки введены концентраторы, объединяющие световоды каждого управляемого модуля, и сепаратор, обеспечивающий требуемое распределение концентраторов внутри втулки. Технический результат изобретения состоит в расширении функциональных возможностей лазера при использовании световодных инструментов различных диаметров. 5 с.п. ф-лы, 7 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано в технологических, медицинских, метрологических, других лазерных установках и установках для научных исследований.

Известен способ управления параметрами излучения лазера [1], заключающийся в том, что выделяют электрический сигнал, пропорциональный мощности излучения, сравнивают его с опорным электрическим сигналом и изменяют мощность излучения в соответствии с величиной разности между опорным сигналом и сигналом, пропорциональным мощности излучения.

Система управления для осуществления указанного способа содержит стабилизатор параметров лазерного излучения, пульт управления, лазер и комплект световодных инструментов.

Блок для осуществления указанного способа представляет собой стабилизатор параметров лазерного излучения, обеспечивающий вычисление разности между опорным сигналом и сигналом, пропорциональным мощности излучения, и изменение мощности излучения в соответствии с величиной полученной разности.

В устройство для осуществления указанного способа входит оптическое волокно, необходимое для вывода излучения лазера и передачи его в световодный инструмент.

На вход оптического волокна подается световой поток с постоянными диаметром и расходимостью излучения, независящими от установленной выходной мощностью излучения, поэтому для конкретного лазера используются световодные инструменты с фиксированным диаметром световода.

Недостатком урезанных технических решений является ограниченные функциональные возможности использования различных лазерных инструментов в связи с невозможностью использования инструмента с меньшим диаметром световода при работах с установленной выходной мощностью меньшей максимального значения для данной установки.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ управления параметрами излучения лазера [2], заключающийся в том, что задают опорный сигнал, пропорциональный номинальной величине выходного параметра, выделяют сигнал, пропорциональный величине выходного параметра, и управляют мощностью в соответствии с величиной ошибки между опорным сигналом и выделенным сигналом.

Система управления для осуществления указанного способа содержит задатчик выходного параметра, оптический датчик (измеритель выходного параметра), регулятор, лазерные диоды и световодный инструмент. Выходные концы отдельных волокон от лазерных диодов объединяются вместе и устанавливаются в стандартный оптический коннектор. В линзовой системе передачи оптический датчик реализует обратную связь, которая обеспечивает стабильность оптического излучения. На выходе регулятора формируются управляющие сигналы, которые подаются на лазерные диоды. От оптического датчика на один из входов регулятора подается сигнал, пропорциональный выходной мощности излучения лазерных диодов, а на второй вход регулятора от задатчика выходного параметра подается опорное напряжение. При возникновении ошибки регулятор обеспечивает изменение управляющего сигнала, а следовательно, и мощности излучения лазерных диодов.

Блок для осуществления указанного способа представляет собой регулятор, обеспечивающий вычисление ошибки между опорным сигналом и сигналом, пропорциональным величине мощности излучения лазерных диодов, и в соответствии с величиной этой ошибки формирования управляющих сигналов на лазерные диоды.

Устройство для осуществления указанного способа включает в себя коннектор, в котором объединены световоды от всех лазерных диодов.

На выходе данного устройства образуется световой поток постоянного диаметра с регулируемой мощностью излучения. Если установить световодный инструмент меньшего диаметра, возникнет его перегрев и разрушение.

Недостатками указанных технических решений являются: 1) ограниченные функциональные возможности лазерной установки в связи с невозможностью использования световодного инструмента с меньшим диаметром световодного волокна при работе с мощными лазерами при малых уровнях выходной мощности излучения; 2) максимальная плотность энергии излучения на выходе световодного инструмента возможна только при максимальной выходной мощности излучения лазера и будет уменьшаться пропорционально уменьшению выходной мощности; 3) использование световодного инструмента с диаметром световода меньше заданного для данной установки приводит к выходу его из строя.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей лазерной установки и увеличение плотности энергии излучения за счет использования световодных инструментов различных диаметров, в зависимости от требуемой выходной мощности.

Решение поставленной задачи достигается тем, что задают опорный сигнал, пропорциональный номинальной величине выходного параметра, выделяют сигнал, пропорциональный величине выходного параметра, и управляют изменением выходного параметра, пропорционального величине опорного и выделенного сигналов, при этом после задания опорного сигнала устанавливают выходной световодный инструмент, при этом, если установлен выходной световодный инструмент, центральная жила которого имеет минимальный диаметр, то в процессе управления включают минимальное количество лазерных модулей, если установлен выходной световодный инструмент, центральная жила которого имеет максимальный диаметр, то в процессе управления включают все лазерные модули, если установлен выходной световодный инструмент, центральная жила которого имеет диаметр в диапазоне от минимальной до максимальной величины, то в процессе управления включают соответствующее количество лазерных модулей.

Для осуществления указанного способа в систему управления параметрами излучения лазера, содержащую задатчик выходного параметра, измеритель выходных параметров и последовательно соединенные блок лазерных модулей, устройство суммирования, выход которого соединен со входом измерителя выходных параметров, и световодный инструмент, при этом все выходы блока лазерных модулей соединены с соответствующими входами устройства суммирования, введен блок формирования управления, все выходы которого соединены с соответстветствующими входами блока лазерных модулей, измеритель параметров инструмента, вход которого соединен с выходом световодного инструмента, выход задатчика выходного параметра соединен с первым входом блоков формирования управления, второй вход которого соединен с выходом измерителя выходных параметров, а третий вход блока формирования управления соединен с выходом измерителя параметров инструмента.

Для осуществления указанного способа в блок формирования управления, содержащий последовательно соединенные блок формирования разности и блок управления, введены N компараторов и N ключей управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами N компараторов, причем выход задатчика выходных параметров соединен с первым входом блока формирования разности, второй вход которого соединен с выходом измерителя выходных параметров, выход блока управления соединен со входами N ключей, выходы которых соединены с соответствующими входами блока лазерных модулей, а выход измерителя параметров инструмента соединен с входами N компараторов.

Для осуществления указанного способа в блок формирования управления, содержащий последовательно соединенные блок формирования разности и блок управления, введены микропроцессор, аналого-цифровой преобразователь и N ключей, управляющие входы которых соединены с соответствующими N выходами микропроцессора, причем выход задатчика выходных параметров соединен с первым входом блока формирования разности, второй вход которого соединен с выходом измерителя выходных параметров, выход блока управления соединен со входами N ключей, выходы которых соединены с соответствующими входами блока лазерных модулей, а выход измерителя параметров инструмента соединен через аналого-цифровой преобразователь со входом микропроцессора.

Для осуществления указанного способа в устройство суммирования, содержащее втулку, выполненную в виде полого конуса, световоды лазерных модулей, устанавливаемые внутри втулки, введены внутрь втулки концентраторы, объединяющие световоды каждого лазерного модуля, и сепаратор, обеспечивающий требуемое распределение концентраторов внутри втулки.

В заявляемом техническом решении предлагается объединить световоды от лазерных модулей с помощью концентраторов, распределить концентраторы по требуемому затрону с помощью сепаратора и управлять параметрами излучения лазера с учетом измеренных параметров инструмента.

Предлагаемое техническое решение поясняется фиг. 1, 2, 3, 4 и 5, где фиг. 1 изображает функциональную схему системы управления параметрами излучения лазера; фиг. 2 и 3 изображают конструкцию устройства суммирования; фиг. 4 изображает первый вариант реализации системы управления, а фиг. 5 изображает второй вариант реализации системы управления.

Функциональную схему системы управления параметрами излучения лазера поясняет фиг. 1, на которой обозначено: 1 - задатчик выходного параметра; 2 - блок лазерных модулей; 3 - устройство суммирования; 4 - инструмент; 5 - измеритель выходного параметра; 6 - блок формирования управления; 7 - измеритель параметров инструмента.

Конструкцию устройства суммирования поясняют фиг. 2, 3 на которых изображены: 8 - втулка; 9 - сепаратор; 10... 9+N - концентраторы; 10+N... 9+N(K+1) - световоды. Здесь N - количество лазерных модулей, К - количество - лазерных диодов в лазерном модуле.

Первый вариант реализации системы управления параметрами излучения лазера поясняет фиг. 4, на которой обозначено: 1 - задатчик выходного параметра; 2 - блок лазерных модулей; 3 - устройство суммирования; 4 - инструмент; 5 - измеритель выходного параметра; 6 - блок формирования управления; 7 - измеритель параметров инструмента; 10+N(K+1) - блок формирования разности; 11+N(K+1) - блок управления; 12+N(K+1)...11+N(K+2) - лазерные модули; 12+N(K+2)... 11+N(K+3) - ключи; 12+N(K+3)... 11+N(K+4) - компараторы.

Второй вариант реализации системы управления параметрами излучения лазера поясняет фиг. 5, на которой обозначено: 1 - задатчик выходного параметра; 2 - блок лазерных модулей; 3 - устройство суммирования; 4 - инструмент; 5 - измеритель выходного параметра; 6 - блок формирования управления; 7 - измеритель параметров инструмента; 10+N(K+1) - блок формирования разности; 11+N(K+1) - блок управления; 12+N(K+1)...11+N(K+2) - лазерные модули; 12+N(K+2). . .11+N(K+3) - ключи; 12+N(К+4) - цифроаналоговый преобразователь; 13+N(K+4) - микропроцессор.

Задатчик выходного параметра 1 представляет собой последовательно соединенные однополярный источник опорного напряжения, реализованный на базе операционного усилителя 153УД6 (см. [3], стр. 144...148, табл. 6.1), и усилитель с программируемым коэффициентом передачи, реализованный на базе операционного усилителя 153УД6 (см. [3], стр.57...59, рис.2.1).

Инструмент 4 представляет собой световодный инструмент типа HP-H40/T-1000/3.00-SMA 905 (см. [4]).

Измеритель выходного параметра 5 представляет собой оптический датчик для измерения выходной мощности лазера (см. [2]).

Измеритель параметров инструмента 7 представляет собой емкостной или индуктивный преобразователь перемещения в аналоговый электрический сигнал (см. [5] стр. 28...40, рис. 14...15) и используется для измерения диаметра световодного инструмента.

Втулка 8 представляет собой полый цилиндр с конической внутренней поверхностью (см. [6] стр. 420-425, рис. 509, вид 32).

Сепаратор 9 представляет собой ленту полиэтиленовую с липким слоем марки А50 (см. [7]).

Концентраторы 10. . .9+N - могут представлять собой клей типа ОК-72ФТ15 (см.[83]).

Световоды 10+N. ..9+N(K+1) представляют собой волокно световодное КК-80/90 (см. [9]).

Блок формирования разности 10+N(K+1) представляет собой сумматор аналоговых сигналов с двумя входами (инвертирующим и неинвертирующим), реализованный на базе ОУ 153УД6 (см. [10] стр. 75...77, рис. 3.2).

Блок управления 11+N(K+1) представляет собой усилитель низкой частоты, реализованный на базе операционного усилителя 153УД6 (см. [3], стр. 57. 59, табл. 2.1).

Лазерные модули 12+N(K+1)...11+N(K+2) - представляют собой набор лазерных диодов, каждый из которых реализован на базе элемента SDL-2350-H2 (см. [11], стр. 6...10, 12...16).

Ключи 12+N(K+2)...11+N(K+3) представляют собой аналоговый ключ, реализованный на базе транзистора КП 812 (см. [12]).

Компараторы 12+N(K+3). ..11+N(K+4) - представляют собой однопороговую схему сравнения, реализованную на базе операционного усилителя 153УД6 (см. [3], стр. 167. 172, табл. 7.2).

Аналого-цифровой преобразователь 12+N(K+4) представляет собой микросхему 572ПВ1 (см. [3], стр. 239...248, рис.9.6а).

Микропроцессор 13+N(K+4) представляет собой однопроцессорную микроЭВМ серии К589 (см. [14], стр. 195...223, рис. 2.16, рис. 2.22).

Источники опорного напряжения представляют собой однополярный источник опорного напряжения, реализованный на базе операционного усилителя 153УД6 (см. [3], стр. 144. 148, табл. 6.1).

Вновь вводимые блоки реализуются на базе элементов, являющихся стандартными и выпускаемыми промышленностью со стандартной точностью.

Рассмотрим работу системы управления параметрами излучения лазера, осуществляющую стабилизацию выходного параметра - мощности излучения.

Первый вариант реализации системы управления параметрами излучения лазера работает следующим образом.

Перед началом управления устанавливают выходной световодный инструмент 4 требуемого диаметра, а на задатчике выходного параметра 1 устанавливается коэффициент усиления, обеспечивающий формирование на выходе задатчика выходного параметра 1 сигнала пропорционального требуемой мощности излучения на выходе устройства суммирования 3. Этот сигнал в момент начала управления подается на первый вход блока формирования разности 10+N(K+1), на второй вход которого подается сигнал с выхода измерителя выходных параметров 5. На выходе блока формирования разности 10+N(K+1) получается сигнал ошибки между опорным и выделенным сигналами. Этот сигнал ошибки поступает на вход блока управления 11+N(K+1), на выходе которого формируется управляющий сигнал, обеспечивающий регулирование выходных параметров излучения. Сформированный сигнал управления поступает через ключи 12+N(K+2) ... 11+N(K+3) на входы лазерных модулей 12+N(K+1) . .. 11+N(K+2). Оптические сигналы с выходов лазерных модулей 12+N(K+1) . . . 11+N(K+2) через световоды 10+N ... 9+N(K+1) подаются на входы устройства суммирования 3. Световые сигналы от каждого лазерного модуля объединяются с помощью концентраторов 10 ... 9+N в N лазерных лучей. Эти лазерные лучи внутри втулки 8 с помощью сепаратора 9 объединяются в соответствии с заданным законом. Например, может быть задан закон распределения лазерных лучей внутри втулки по спирали. На выходе устройства 3 получается единый лазерный луч. От светоделительной пластинки лазерное излучение направляется на измеритель выходного параметра 5. Измеритель параметров инструмента 7 вырабатывает сигнал, пропорциональный измеренному диаметру установленного инструмента 4. Этот сигнал подается через компараторы 12+N(K+3) ... 11+N(К+4) на управляющие входы ключей 12+N(K+2) . . . 11+N(K+3). При этом в соответствии с уровнем сигнала с выхода измерителя параметров инструмента 7 определенное количество компараторов 12+N(K+3) . . . 11+N(K+4) переходит в режим превышения опорного сигнала и срабатыванию соответствующих ключей 12+N (K+2) ... 11+N(K+3), что обеспечивает включение соответствующих лазерных модулей 12+N(K+1) ... 11+N(K+2). При установке инструмента с другим диаметром световода происходит перекоммутация ключей 12+N(K+2) ... 11+N(K+3) и изменение количества подключаемых лазерных модулей 12+N(K+1) ... 11+N(K+2) в соответствии с диаметром световодного инструмента 4. Следовательно, обеспечивается управление параметрами излучения лазера и формирование светового луча на выходе устройства 3 по заданному закону и в соответствии с диаметром выходного световодного инструмента 4.

Далее для наглядности рассмотрим работу первого варианта реализации системы управления для случая, когда N = 4 и K = 4.

Циклограмма работы компараторов 40 ... 43, ключей 36 ... 39 приведена на фиг. 6. Здесь "1" - ключи 36 ... 39 замкнуты, компараторы 40 ... 43 в режиме не превышения опорного сигнала: "0" - ключи 36 ... 39 разомкнуты, компараторы 40 ... 43 в режиме превышения опорного сигнала.

t1 определяется моментом времени перехода компаратора 40 в режим превышения опорного сигнала по условию:

U7-Uоп40 > Uо40, (1)

где U7 - сигнал с выхода измерителя параметров инструмента 7, пропорциональный диаметру центральной жилы световодного инструмента; Uоп40 - опорный сигнал компаратора 40; Uо40 - зона нечувствительности компаратора 40.

t2 определяется моментом времени перехода компаратора 41 в режим превышения опорного сигнала по условию:

U7-Uоп41 > Uо41, (2)

где Uоп41 - опорный сигнал компаратора 41; Uо41 - зона нечувствительности компаратора 17.

t3 определяется моментом времени перехода компараторов 42 и 43 в режим превышения опорного сигнала по условию:

U7-Uоп42 > Uо42, U7-Uоп43 > Uо43, (3)

где Uоп42 - опорный сигнал компаратора 42; Uо42 - зона нечувствительности компаратора 42; Uоп43 - опорный сигнал компаратора 43; Uо43 - зона нечувствительности компаратора 43.

В первом варианте реализации системы управления расширение функциональных возможностей лазера и увеличение плотности энергии при управлении параметрами излучения, т.е. формирование светового луча на выходе устройства суммирования 3 по заданному закону и в соответствии с диаметром выходного световодного инструмента достигается путем:

- объединения световодов 14 (в общем случае световод 10+N) ... 29 (9+N(K+1)) от каждого лазерного модуля 32 (12+N(K+1)) ... 35 (11+N(K+2)) в отдельные группы с помощью концентраторов 10 ... 13 (9+N);

- распределения концентраторов 10 ... 13 (9+N(K+1)) внутри втулки 8 по требуемому закону в виде спирали, в центре которой находятся световоды 14 (10 + N) ... 17 (13+N) от лазерного модуля 32 (12+N(K+1)), далее световоды 18 (14 + N) ... 21 (17+N) от лазерного модуля 33 (13+N(K+1)) и т.д. последовательно все оставшиеся световоды, с помощью сепаратора 9;

- задания опорных сигналов на компараторах 40 (12+N(K+3)). .. 43 (11+N(K+4)), пропорциональных значениям величины диаметра выходного световодного инструмента 4;

- формирования с помощью элементов 1, 5, 30 (10+N(K+1)), 31 (11+N(K+1)) управляющего сигнала, обеспечивающего отработку системой заданного воздействия на выходе элемента 3;

- формирования с помощью элементов 7, 36 (12+N(K+2)) ... 43 (11+N(K+4)) управляющих сигналов, обеспечивающих подключение лазерных модулей 32 (12+N(K+1)) ... 35 (11+N(K+2)) в соответствии с диаметром центральной жилы выходного световодного инструмента 4;

- определенной последовательностью соединения вновь вводимых элементов 6 ... 43 (11+N(K+4)) и выполнением определенных параметрических соотношений.

Обосновать работу первого варианта системы управления можно следующим образом.

Сигнал управления лазерными модулями 32 ... 35, формируемый на выходе блока управления 31 имеет вид:

U3(t) = W31(U1 - U5(t)),

где W31 - передаточная функция блока управления 31; U1 - сигнал с выхода задатчика выходного параметра 1; U5(t) - сигнал с выхода измерителя выходного параметра 5.

Для момента времени t1 ... t2, когда установлен световодный инструмент минимального диаметра и величина сигнала с выхода блока 7 больше величины опорного сигнала на компараторе 40, но не превышает величин опорных сигналов компараторов 41 . .. 43, управление осуществляется только лазерным модулем 32. Лазерные модули 33 ... 35 отключены от управления с помощью ключей 38 .. . 40. Световоды 14 ... 17 от лазерного модуля 32 установлены в центре втулки 8. т.е. в системе управления обеспечивается на выходе устройства 3, в соответствии с установленным световодным инструментом 4, минимальный диаметр светового потока, формируемый от световодов 14. 17, и минимальная мощность светового потока, равная P1=4Pлд, где Pлд - мощность одного лазерного диода.

Для момента времени t1 ... t3, когда установлен световодный инструмент среднего диаметра и величина сигнала с выхода блока 7 больше величин опорных сигналов на компараторах 40, 41, но не превышает величин опорных сигналов компараторов 42 ... 43, управление осуществляется лазерными модулями 32, 33. Лазерные модули 34 ... 35 отключены от управления с помощью ключей 39 ... 40. Световоды 14 . . . 21 от лазерных модулей 32, 33 установлены в центре втулки 8. Т.е. в системе управления обеспечивается на выходе устройства 3, в соответствии с установленным световодным инструментом 4, средний диаметр светового потока, формируемый от световодов 14 ... 21, и средняя мощность светового потока, равная P2=8Pлд.

Для момента времени t > t3, когда установлен световодный инструмент максимального диаметра и величина сигнала с выхода блока 7 больше величин опорных сигналов на компараторах 40 ... 43, управление осуществляется всеми лазерными модулями 32 ... 35. Т.е. в системе управления обеспечивается на выходе устройства 3, в соответствии с установленным световодным инструментом 4, максимальный диаметр светового потока, формируемый от всех световодов 14 ... 29, и максимальная мощность светового потока, равная P1=16Pлд.

Следовательно, рассмотренная система управления обеспечивает расширение функциональных возможностей лазера и увеличение плотности энергии излучения при использовании световодных инструментов различных диаметров.

Второй вариант реализации системы управления параметрами излучения лазера работает следующим образом.

Перед началом управления устанавливают выходной световодный инструмент 4 требуемого диаметра, а на задатчике выходного параметра 1 устанавливается коэффициент усиления, обеспечивающий формирование на выходе задатчика выходного параметра 1 сигнала, пропорционального требуемой мощности излучения лазера 3. Этот сигнал в момент начала управления подается на первый вход блока формирования разности 10+N(K+1), на второй вход которого подается сигнал с выхода измерителя выходных параметров 5. На выходе блока формирования разности 10+N(K+1) получается сигнал ошибки между опорным и выделенными сигналами. Этот сигнал ошибки поступает на вход блока управления 11+N(K+1), на выходе которого формируется управляющий сигнал, обеспечивающий регулирование выходных параметров излучения. Сформированный сигнал управления поступает через ключи 12+N(K+2) ... 11+N(K+3) на входы лазерных модулей 12+N(K+1) . . . 11+N(K+2). Оптические сигналы с выходов лазерных модулей 12+N(K+1) ... 11+N(K+2) через световоды 10+N ... 9+N(K+1) подаются на входы устройства суммирования 3. Световые сигналы от каждого лазерного модуля объединяются с помощью концентраторов 10 ... 9+N в N лазерных лучей. Эти лазерные лучи внутри втулки 8 с помощью сепаратора 9 объединяются в соответствии с заданным законом. На выходе устройства 3 получается единый лазерный луч. От светоделительной пластинки лазерное излучение направляется на измеритель выходного параметра 5. Измеритель параметров инструмента 7 вырабатывает сигнал, пропорциональный измеренному диаметру установленного инструмента 4. Этот сигнал подается через аналого-цифровой преобразователь 12+N(K+4) на вход микропроцессора 13+N(K+4), с выхода которого подаются сигналы на управляющие входы ключей 12+N(K+2) ... 11+N(K+3). При этом в соответствии с уровнем сигнала с выхода измерителя параметров инструмента 7 определенное количество сигналов управления на выходе микропроцессора 13+N(K+4) обеспечивает срабатывание соответствующих ключей 12+N(K+2) .... 11+N(K+3), что приводит к включению соответствующих лазерных модулей 12+N(K+1) ... 11+N(K+2). При установке инструмента с другим диаметром световода происходит перекоммутация ключей 12+N(K+2) ... 11+N(K+3) и изменение количества подключаемых лазерных модулей 12+N(K+1) ... 11+N(K+2) в соответствии с диаметром световодного инструмента 4. Следовательно, обеспечивается управление параметрами излучения лазера и формирование светового луча на выходе устройства 3 по заданному закону и в соответствии с диаметром инструмента 4.

Далее для наглядности рассмотрим работу второго варианта реализации системы управления для случая, когда N = 4 и K = 4.

Циклограмма работы ключей 36 ... 39 и микропроцессора 45 приведена на фиг. 7. Здесь "1" - ключи 36 ... 39 замкнуты, выходные сигналы микропроцессора 45 в состоянии логической 1; "0" - ключи 36 ... 39 разомкнуты, выходные сигналы микропроцессора 45 в состоянии логического "0".

t1 определяется моментом времени формирования на первом выходе микропроцессора 45 сигнала логической "1" по условию:

U7 > Uпс1, (5)

где Uпс1 - первый пороговый сигнал в микропроцессоре 45;

t2 определяется моментом времени формирования на первом и втором выходах микропроцессора 45 сигналов логической "1" по условию:

U7 > Uпс2 > Uпс1, (6)

где, Uпс2 - второй пороговый сигнал в микропроцессоре 45;

t3 определяется моментом времени формирования на всех выходах микропроцессора 45 сигналов логической "1" по условию:

U7 > Uпс4 > Uпс3 > Uпс2 > Uпс1, (7)

где Uпс3, Uпс4 - третий и четвертый пороговые сигналы в микропроцессоре 45.

В предлагаемой системе управления расширение функциональных возможностей лазера и увеличение плотности энергии при управлении параметрами излучения, т. е. формирование светового луча на выходе лазера по заданному закону и в соответствии с диаметром выходного световодного инструмента достигается путем:

- объединения световодов 14 (в общем случае световод 10+N) ... 29 (9+N(K+1)) от каждого лазерного модуля 32 (12+N(K+1)) ... 33 (11+N(K+2)) в отдельные группы с помощью концентраторов 10 ... 13 (9+N);

- распределения концентраторов 10 ... 13 (9+N(K+1)) внутри втулки 8 по требуемому закону в виде спирали, в центре которой находятся световоды 14 (10 + N) ... 17 (13+N) от лазерного модуля 32 (12+N(K+1)), далее световоды 18 (14+N) . .. 21 (17+N) от лазерного модуля 33 (13+N(K+1)) и т.д. последовательно все оставшиеся световоды, с помощью сепаратора 9;

- задания опорных сигналов в микропроцессоре 45 (13+N(K+4)), пропорциональных значениям величины диаметра выходного световодного инструмента 4;

- формирования с помощью элементов 1, 5, 30 (10+N(K+1)), 31 (11+N(K+1)) управляющего сигнала, обеспечивающего отработку системой заданного воздействия на выходе элемента 3;

- формирования с помощью элементов 7, 36 (12+N(K+2)) ... 39 (11+N(K+3)), 44 (12+N(K+4)), 45 (13+N(K+4)) управляющих сигналов, обеспечивающих подключение лазерных модулей 32 (12+N(K+1)) ... 35 (11+N(K+2)) в соответствии с диаметром центральной жилы выходного световодного инструмента 4;

- определенной последовательностью соединения вновь вводимых элементов 6 . .. 39 (11+N(K+3)), 44 (12+N(K+4)), 45 (13+N(K+4)) и выполнением определенных параметрических соотношений.

Обосновать работу системы управления можно следующим образом.

Сигнал управления лазерными модулями 32 ... 35, формируемый на выходе блока управления 31 имеет вид:

U3(t) = W31(U1 - U5(t)), (8)

где W31 - передаточная функция блока управления 31; U1 - сигнал с выхода задатчика выходного параметра 1; U5(t) - сигнал с выхода измерителя выходного параметра 5.

Для момента времени t1 ... t2, когда установлен световодный инструмент минимального диаметра и величина сигнала с выхода блока 7 больше величины первого порогового сигнала в микропроцессоре 45, управление осуществляется только лазерным модулем 32. Лазерные модули 33 ... 35 отключены от управления с помощью ключей 38 ... 40. Световоды 14 ... 17 от лазерного модуля 32 установлены в центре втулки 8. Т.е. в системе управления обеспечивается на выходе устройства 3, в соответствии с установленным световодным инструментом 4, минимальный диаметр светового потока, формируемый от световодов 14 ... 17, и минимальная мощность светового потока, равная P1=4Pлд, где Pлд - мощность одного лазерного диода.

Для момента времени t2 ... t3, когда установлен световодный инструмент среднего диаметра и величина сигнала с выхода блока 7 больше величин первых двух пороговых сигналов и микропроцессоре 45, управление осуществляется лазерными модулями 32, 33. Лазерные модули 34 ... 35 отключены от управления с помощью ключей 39 ... 40. Световоды 14 ... 21 от лазерных модулей 32, 33 установлены в центре втулки 8. т.е. в системе управления обеспечивается на выходе устройства 3, в соответствии с установленным световодным инструментом 4, средний диаметр светового потока, формируемый от световодов 14 ... 21, и средняя мощность светового потока, равная P2=8Pлд.

Для момента времени t > t3, когда установлен световодный инструмент максимального диаметра и величина сигнала с выхода блока 7 больше величин всех пороговых сигналов в микропроцессоре 45, управление осуществляется всеми лазерными модулями 32 . . . 35. Т.е. в системе управления обеспечивается на выходе устройства 3, в соответствии с установленным световодным инструментом 4, максимальный диаметр светового потока, формируемый от всех световодов 14 ... 29, и максимальная мощность светового потока, равная P1=16Pлд.

Следовательно, рассмотренная система управления обеспечивает расширение функциональных возможностей лазера и увеличение плотности энергии излучения при использовании световодных инструментов различных диаметров.

Таким образом, предлагаемый способ управления параметрами излучения лазера, система и устройство для его осуществления обеспечивают расширение функциональных возможностей лазера и увеличение плотности энергии излучения при использовании световодных инструментов различных диаметров за счет объединения световодов от лазерных модулей с помощью концентраторов и распределения концентраторов по требуемому закону с помощью сепараторов, а также использования при управлении лазером дополнительной обратной связи по параметрам инструмента.

Следовательно, использование новых элементов 6 ... 13+N(K+4), соединенных в соответствии с фиг. 1 ... 5 с указанными характеристиками (1) ... (8), в предлагаемой системе управления выгодно отличает предлагаемое техническое решение от прототипа, так как обеспечивает расширение функциональных возможностей лазера и увеличение плотности энергии излучения при управлении параметрами излучения световодных инструментов различных диаметров.

Список литературы

1. Ю. Г. Дьякова, В. К. Калинина, С. В. Шавкунов. Лазерное медицинское оборудование: состояние рынка в странах СНГ // Лазерные новости, 1996, N 2, с.4. Хирургическая установка "Ласка".

2. High Power Diode Laser System near 1 m and Comparative Tissue Interaction Studies. C.G.Dupuy, C.J.Hwang, D.Benenati, H.T.Simmonds, R.Fu, and D. Bull (Applied Optronics Corporation III Corporate Blvd.,Bldg.J South Plainfield, NJ 07080), M.R. Dickinson and P.D.Youell (University of Manchester, M13 9PL United Kingdom, England) // SPIE Biomedical Optics'94 N2131-43 C. Dupuy p. 1-10.

3. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. М.: Радио и связь, 1981.

4. Каталог фирмы "ANDA". P.O.BOX 326, Livani; LV-531 6, LATVIA.

5. Виноградов Ю. Д. Машинистов В.М.,Розентул С.А. Электронные измерительные системы для контроля малых перемещений. М.: Машиностроение, 1976, 142 с.

6. П. И.Орлов Основы конструирования: справочно-методическое пособие. В 2-х книгах. Кн. 1/Под ред. П.Н.Учаева. Изд. 3. М.: Машиностроение, 1988. -560 с.

7. ГОСТ 20477-75.

8. ТУ 1014-02-04806898-93.

9. ТУ 48882469-7-90.

10. Справочник по интегральным микросхемам. Под ред. Б.В. Тарабрина. М.: Энергия, 1981.

11. 1993 Laser Diode Product. Catalog.- 80 Rose Orchard Way San Jose, CA 95134-1365, USA.

12. АДБК. 432140.440 ТУ.

13. В.С. Гутников Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоиздат, 1988.

14. Микропроцессоры. Под ред. Л.Н.Преснухина. В 3-х книгах. Кн. 2. Средства сопряжения. Контролирующие и информационно-управляющие системы. Минск: Высшая школа, 1987.- 303 с. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Способ управления параметрами излучения лазера, заключающийся в том, что задают опорный сигнал, пропорциональный номинальной величине выходного параметра, выделяют сигнал, пропорциональный величине выходного параметра, и управляют изменением выходного параметра, пропорционально величине опорного и выделенного сигналов, отличающийся тем, что после задания опорного сигнала устанавливают выходной световодный инструмент, при этом, если установлен выходной световодный инструмент, центральная жила которого имеет минимальный диаметр, то в процессе управления включают минимальное количество лазерных модулей, если установлен выходной световодный инструмент, центральная жила которого имеет максимальный диаметр, то в процессе управления включают все лазерные модули, если установлен выходной световодный инструмент, центральная жила которого имеет диаметр в диапазоне от минимальной до максимальной величины, то в процессе управления включают соответствующее количество лазерных модулей.

2. Система управления параметрами излучения лазера, содержащая задатчик выходного параметра, измеритель выходных параметров и последовательно соединенные блок лазерных модулей, устройство суммирования, выход которого соединен со входом измерителя выходных параметров, и световодный инструмент, при этом все выходы блока лазерных модулей соединены с соответствующими входами устройства суммирования, отличающаяся тем, что в нее введен блок формирования управления, все выходы которого соединены с соответствующими входами блока лазерных модулей, измеритель параметров световодного инструмента, вход которого соединен с выходом световодного инструмента, выход задатчика выходного параметра соединен с первым входом блока формирования управления, второй вход которого соединен с выходом измерителя выходных параметров, а третий вход блока формирования управления соединен с выходом измерителя параметров инструмента.

3. Блок формирования управления, содержащий последовательно соединенные блок формирования разности и блок управления, отличающийся тем, что введены N компараторов и N ключей, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами N компараторов, причем выход задатчика выходных параметров соединен с первым входом блока формирования разности, второй вход которого соединен с выходом измерителя выходных параметров, выход блока управления соединен со входами N ключей, выходы которых соединены с соответствующими входами блока лазерных модулей, а выход измерителя параметров инструмента соединен с входами N компараторов.

4. Блок формирования управления, содержащий последовательно соединенные блок формирования разности и блок управления, отличающийся тем, что введены микропроцессор, аналого-цифровой преобразователь и N ключей, управляющие входы которых соединены с соответствующими N выходами микропроцессора, причем выход задатчика выходных параметров соединен с первым входом блока формирования разности, второй вход которого соединен с выходом измерителя выходных параметров, выход блока управления соединен со входами N ключей, выходы которых соединены с соответствующими входами блока лазерных модулей, а выход измерителя параметров инструмента соединен через аналого-цифровой преобразователь со входом микропроцессора.

5. Устройство суммирования, содержащее втулку, выполненную в виде полого конуса, световоды лазерных модулей, устанавливаемые внутри втулки, отличающееся тем, что внутрь втулки введены концентраторы, объединяющие световоды каждого лазерного модуля, и сепаратор, обеспечивающий требуемое распределение концентраторов внутри втулки.


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru