ИОННЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1996 года по МПК H01S3/03 

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности, к конструкции ионных лазеров.

Известно, что одним из необходимых элементов лазеров являются их источники питания. Перспективно использование ключевых преобразователей в качестве источников питания (см. [1, 2] т.к. они весьма компактны и имеют высокий, близкий к 100% КПД. Это обусловлено применением дросселей, конденсаторов и приборов ключевого типа.

Известно также, что имеются попытки совместить индуктивность схем питания с другими элементами лазера. Например, в [3, 4] используют активные потери в индуктивности для разогрева активного элемента и эта индуктивность является неотъемлемой его частью. Однако, очевидно, что непосредственно применение такого решения для ионного лазера на инертных газах просто неприемлемо.

Во-первых, в [3] индуктивность намотана на внешнюю поверхность теплоизолированной трубы и она является одновременно нагревателем и элементом конструкции активного элемента лазера, что затруднило бы теплоотвод из зоны разряда активного элемента и охлаждение самого соленоида.

Во-вторых, для ионных лазеров на инертных газах (в дальнейшем просто ионных лазеров) требуются непрерывные однополярные источника питания, а не импульсные в буквальном смысле слова. Именно последние используются для лазеров на самоограниченных переходах [3] и требования к индуктивным накопителям и их схемотехническое применение разное.

С другой стороны, для получения максимальной мощности ионных лазеров необходимо использовать аксиальное магнитное поле. Максимальная мощность лазера достигается при некотором оптимальном магнитном поле Н_к ≃ 1 - 5 кГс и зависит от типа ионного лазера. Примером может служить ионный лазер, описанный в [5] (прототип). Он содержит активный элемент, соленоид и источник питания. Соленоид, создающий аксиальное магнитное поле, используется в этой конструкции в качестве выходного LC-фильтра, что положительно сказывается на пассивной стабилизации тока разряда. Однако однородное магнитное поле соленоида не позволяет полностью оптимизировать выходную мощность и оптимальные условия работы лазера. В рабочем режиме соленоид и лазерная трубка-активный элемент включены последовательно, поэтому остаточные пульсации тока переносятся на выходную мощность лазера не только через пульсации тока, но и через пульсации магнитного поля. Минимальное влияние этих пульсаций обеспечивается при токах, при которых реализуется оптимальное магнитное поле. КПД лазера из-за наличия дополнительных потерь в балластном сопротивлении в этой схеме невысок. Кроме того, при такой конструкции соленоида возможна только временная модуляция магнитного поля и в используемой там конструкции активного элемента нельзя использовать преимущества пространственно-временной модуляции магнитного поля соленоида для обеспечения более оптимальных условий работы активного элемента.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в создании лазера с возможностью оптимизации выходной мощности, малыми габаритно-весовыми характеристиками, высоким КПД, сдвигом концентрационной неустойчивости в активном элементе в сторону больших токов, а также в уменьшении пульсаций излучения лазера при фиксированном уровне пульсаций ключевого элемента.

Данная задача решается за счет того, что в ионном лазере, содержащем активный элемент, соленоид и источник питания, последний выполнен по схеме ключевого преобразователя и содержит параллельные ключевые элементы, дроссели которых совмещены с секционированным соленоидом. Для уменьшения коммутационных помех возможно размещение ключевых элементов вблизи активного элемента.

Здесь и в дальнейшем под ключевым элементом подразумевается полностью функционально оформленный ключевой преобразователь с обязательными элементами ключом с системой управления, дросселем, диодом и конденсатором.

Для уменьшения пульсаций излучения при фиксированном уровне пульсаций ключевого элемента источник питания содержит ключевой преобразователь с 2^к параллельными ключевыми элементами, которые синхронизированы и циклически сдвинуты между собой на фазу где к 1, 2, 3. целые числа.

В предлагаемом решении все признаки, указанные в отличительной части формулы изобретения, проявляют в процессе взаимодействия присущие им известные свойства, дающие каждый в отдельности известный положительный эффект. Однако при этом обеспечивается сверхсуммарный положительный эффект, обусловленный совокупностью указанных признаков и заключающийся в следующем:
Для уменьшения пульсаций излучения при фиксированном уровне пульсаций ключевого элемента источник питания содержит 2^к параллельных ключевых элемента, синхронизированных и циклически сдвинутых между собой на фазу где к 1, 2, 3, целые числа.

В предлагаемом решении все признаки, указанные в отличительной части формулы изобретения, проявляют в процессе взаимодействия присущие им известные свойства, дающие каждый в отдельности известный положительный эффект. Однако при этом обеспечивается сверхсуммарный положительный эффект, обусловленный совокупностью указанных признаков и заключающийся в следующем:
1). Совмещение дросселей ключевых элементов с секционированным соленоидом позволяет уменьшить габариты и вес ионного лазера, а также использовать преимущества ключевых схем и последовательного включения соленоида. Индивидуальная настройка ключевых элементов позволяет оптимизировать магнитное поле секции вдоль разрядного промежутка с целью получения максимальной мощности.

2). Совмещение дросселей с секциями соленоида и близость их расположения к активному элементу обусловливает уменьшение коммутационных помех.

3). Использование пульсирующих магнитных полей секций соленоида, даже и не синхронизированных, положительно сказывается на выравнивании давления газа вдоль газоразрядного промежутка секционированных активных элементов, изготовленных по новейшей технологии [6, 7] что в свою очередь, сдвигает концентрационную неустойчивость в разряде в область больших токов. Последнее обстоятельство особенно важно при получении генерации на ультрафиолетовых линиях, требующих повышенных плотностей возбуждения.

На чертеже показана одна их схем ключевого преобразователя на примере ключевого источника тока. Она состоит из выпрямителя 1, ключевого элемента 2, содержащего: транзисторный ключ (транзистор, транзисторный модуль и т.д.) 3, плату управления 4, плату защиты 5, шунт (делитель) 6, диод 7 и соленоид
индуктивный элемент (дроссель) 8, последовательно соединенного с ними активного элемента 9 и синхронизатора 10. В схемах без синхронизации элемент 10 отсутствует. Для простоты не показаны другие элементы электрической схемы лазера поджиг, накал катода и т.д.

Устройство работает следующим образом:
Входное напряжение с выпрямителя 1 преобразуется ключевым элементом 2 в выходное напряжение, под действием которого в нагрузке активном элементе 9 протекает ток. Транзисторный ключ 3 управляется импульсным сигналом с некоторой длительностью с помощью схемы управления 4 (или иным способом), представляющей собой модулятор, обычно на базе простого компаратора. Во всех схемах такого рода транзисторный ключ 3 и диод 7 работают как однонаправленные ключи. На вход компаратора подается тактовый сигнал пилообразной, треугольной или иной подходящей формы и управляющий сигнал с шунта 6, сопротивление которого намного меньше нагрузки активного элемента 9. Модулятор включает транзисторный ключ 3 в начале каждого такта и выключает его, когда управляющий сигнал достигает текущего значения пилообразного напряжения. Транзисторный ключ, управляемый таким сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) постоянной частоты, вместе с силовым диодом формируют направленный ток в соленоиде-дросселе, который в свою очередь передает постоянную составляющую этого тока на активный элемент с небольшими остаточными пульсациями, имеющими частоту, равную частоте работы ключа. Таким образом, мы имеем ситуацию, близкую к описанной ранее при анализе прототипа [2]
Если изготовить соленоид из 2^к идентичных частей-секций и взять ключевой преобразователь из 2^к идентичных ключевых элементов, синхронизированных и циклически сдвинутых между собой на фазу , то получим качественно иную ситуацию, приводящую к уменьшению пульсаций в излучении лазера.

Покажем это для к 1. Соленоид состоит из двух идентичных секций, а ключевой преобразователь из двух ключевых элементов с тактовой циклической частотой ω, сдвинутых на p; т.е. считается, что если в секции, условно названной первой, ключ включается, то во второй секции он выключается. Для простоты будем считать, что пульсации от каждого ключевого элемента имеют синусоидальную форму.

Пульсации тока в двух секциях соленоида приведут к пульсациям магнитного поля и, как следствие, к пульсациям выходной мощности лазера.

Чтобы понять, как происходит уменьшение пульсаций выходной мощности излучения в предложенной схеме включения, предположим, что пульсации тока, как и раньше, происходят с циклической частотой w и зависимость мощности излучения от тока в соленоиде имеет вид
P(H(I)) P(I), где
I = I₀+I₁sin(ωt+Δ(ω))
где I₁ пульсирующая составляющая тока, I_o постоянная составляющая тока, а Δ(ω) постоянная фазовая сдвижка между током и периодически меняющимся магнитным полем.

Тогда выходная мощность будет складываться из двух частей, считая, что I_I/I_o ≅ 1.

(1)
Здесь предполагается, что функцию Р(1) можно разложить в ряд Тейлора до третьего члена разложения включительно. Из этого рассмотрения видно, что пульсации в мощности по сравнению с [2] уменьшаются не только при магнитном поле Н_к, где P¹(Iкo

Аналогично можно рассмотреть случай к 2. 4 ключевых элемента в этом случае включают параллельно по току (чертеж), сдвигают циклически относительно друг друга на π/2 и синхронизируют.

Рассмотрение выходной мощности лазера, приведенное подобно формуле (1) и при тех же предположениях, приводит к следующем выражению:
(2),
т. е. при предложенном способе подключения секций пульсации мощности по причине модуляции током магнитного поля уменьшаются, а пульсации разрядного тока в активном элементе полностью отсутствуют.

Таким образом, упрощенное рассмотрение показывает уменьшение пульсаций в выходной мощности лазера при любом целом к, если каждый ключевой элемент - единичный ключевой преобразователь циклически сдвинут относительно друг друга на фазу 2π/2^к и синхронизирован.

Реальные технические ограничения, связанные с режимами синхронизации, фиксации фаз, эквивалентности ключевых элементов и т.д. конечно, сказываются на конечном результате уровне пульсаций излучения лазера, но уже при к 3 легко получить пульсации в излучении менее 10% при уровне пульсаций ключевого элемента в 20%
Чтобы понять, как пульсирующие магнитные поля положительно сказываются на выравнивании давления газа вдоль газоразрядного промежутка секционированных активных элементов, приведем следующие рассуждения.

При стационарной генерации с использованием постоянного магнитного поля в активном элементе устанавливаются стационарные потоки вдоль плазменного шнура за счет ката- и электрофорезных явлений в разряде и обратные потоки в отверстиях связи за счет концентрационной неоднородности. Причем интенсивность потоков вдоль разрядного канала меняется из-за наличия и радиального обмена газом вследствие конструктивных особенностей активных элементов [3, 4, 5]
Поэтому, во-первых, секционность соленоида-дросселя позволяет оптимизировать выравнивать давление газа вдоль разрядного промежутка, а, во-вторых, пульсирующие магнитные поля, пространственно модулируя размерами плазменного шнура, усиливают радиальный обмен газом между этими потоками.

Таким образом, предложенное решение, сохраняя в отдельности преимущества [1, 2] предоставляет новые возможности уменьшает габаритно-весовые характеристики, сдвигает концентрационную неустойчивость в сторону высоких токов, позволяет оптимизировать выходную мощность, а также уменьшить пульсации излучения лазера при фиксированном уровне пульсаций ключевого преобразователя. В конечном итоге простота предлагаемого решения позволяет повысить надежность работы и снизить стоимость лазера.

Использование: квантовая электроника, в частности ионные лазеры. Сущность изобретения: в ионном лазере, состоящем из активного элемента, соленоида и источника питания, последний выполнен по схеме ключевого преобразователя и содержит параллельные ключевые элементы, дроссели которых совмещены с секционированным соленоидом. Это дает возможность оптимизировать выходную мощность, иметь малые габариты и вес, высокий КПД, сдвинуть концентрационную неустойчивость в активном элементе в сторону больших токов. Для уменьшения пульсаций излучения при фиксированном уровне пульсаций ключевого элемента источник питания содержит 2^к параллельных ключевых элемента, синхронизированных и циклически сдвинутых между собой на фазу , где к = 1, 2, 3... целые числа. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ионный лазер, содержащий активный элемент, соленоид и источник питания, отличающийся тем, что источник питания, выполненный по схеме ключевого преобразователя, содержит параллельные ключевые элементы, дроссели которых совмещены с секционированным соленоидом. 2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что источник питания содержит 2^k параллельных ключевых элемента, синхронизированных и циклически сдвинутых между собой на фазу , где k 1, 2, 3. целые числа.