ИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР НА ПАРАХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2001 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании импульсно-периодических лазеров на парах химических элементов.

Известен импульсный лазер на парах химических элементов, содержащий помещенную в резонатор газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, высоковольтный выпрямитель, дроссель резонансной зарядки, накопительную емкость, коммутатор и генератор запускающих импульсов. Дроссель резонансной зарядки через свою цепь, состоящую из соединенных последовательно дросселя резонансной зарядки и накопительной емкости, соединены с катодом газоразрядной трубки, а коммутатор электрически связан с накопительной емкостью. Генератор запускающих импульсов своим выходом электрически связан с управляющим электродом коммутатора. Высоковольтный выпрямитель одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки, а другим - с катодом коммутатора и анодом газоразрядной трубки [Зубов В.В., Лябин Н.А., Мишин В. И. и др. // Квантовая электроника, Т.10, N 9, С.1908-1910, 1983]. Накопительная емкость в лазере заряжается от источника постоянного напряжения (выпрямителя) через дроссель резонансной зарядки.

Недостатком данного устройства является работа лазера только на фиксированной частоте следования импульсов генерации, обусловленной резонансной частотой заряда накопительной емкости.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является импульсный лазер на парах химических элементов, содержащий помещенную в резонатор газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, высоковольтный выпрямитель, дроссель резонансной зарядки, зарядный диод, накопительную емкость, коммутатор и генератор запускающих импульсов. Дроссель резонансной зарядки через свою цепь, состоящую из соединенных последовательно дросселя резонансной зарядки, зарядного диода и накопительной емкости, соединены с катодом газоразрядной трубки. Коммутатор электрически связан с накопительной емкостью. Генератор запускающих импульсов своим выходом электрически связан с управляющим электродом коммутатора, а высоковольтный выпрямитель одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки, а другим - с катодом коммутатора и анодом газоразрядной трубки [Исаев А.А., Леммерман Г.Ю. Схемы питания импульсных лазеров на парах металлов. // Лазеры на парах металлов и их галогенидов. М.: Наука, С.164-179 (тр. ФИАН; Т.181), 1987].

Недостатком данного устройства является низкая надежность работы лазера на высокой частоте следования импульсов возбуждения из-за узкой области устойчивой работы тиратрона, определяемой паспортными характеристиками минимального и максимального значения обратного напряжения на аноде тиратрона [Юдин Н.А. // Квантовая электроника, Т. 25, N 9, С. 795-798, 1998], что существенно снижает коммутируемую тиратроном энергию.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы лазера на парах химических элементов при высоких уровнях накачки активной среды.

Технический результат достигается тем, что в импульсный лазер на парах химических элементов, содержащий помещенную в резонатор газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, высоковольтный выпрямитель, дроссель резонансной зарядки, зарядный диод, накопительную емкость, коммутатор, и генератор запускающих импульсов, при этом дроссель резонансной зарядки через свою цепь, состоящую из соединенных последовательно дросселя резонансной зарядки, зарядного диода и накопительной емкости, соединены с катодом газоразрядной трубки, а коммутатор электрически связан с накопительной емкостью, при этом генератор запускающих импульсов своим выходом электрически связан с управляющим электродом коммутатора, а высоковольтный выпрямитель одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки, а другим - с катодом коммутатора и анодом газоразрядной трубки, введены дополнительные индуктивность и емкость, при этом дополнительная емкость одним концом соединена с катодом коммутатора, а другим подключена в точку соединения дросселя резонансной зарядки и зарядного диода, а дополнительная индуктивность включена между зарядным диодом и накопительной емкостью.

Резонансный заряд накопительной емкости в импульсных лазерах на парах химических элементов применяется в случае, когда в качестве коммутаторов используют тиратроны или тиристоры. Это позволяет заряжать накопительную емкость до удвоенного напряжения относительно напряжения на выпрямителе и обеспечивать необходимую скорость нарастания напряжения на аноде коммутатора, поскольку тиратронам и тиристорам требуется определенное время для восстановления электрической прочности. Это время обеспечивается путем рассогласования источника питания с нагрузкой, в качестве которой в лазерах используется газоразрядная трубка. Рассогласование источника питания с нагрузкой определяется параметрами разрядного контура лазера, которые выбирают такими, чтобы обеспечивался перезаряд накопительной емкости во время коммутации до напряжения - U_обр (обратное напряжение на аноде тиратрона). В этом случае заряд накопительной емкости осуществляется от -U_обр до (2U_в + U_обр), где U_в - напряжение на выпрямителе. Время восстановления электрической прочности коммутатора определяется временем заряда накопительной емкости от -U_обр до 0, а время заряда накопительной емкости от -U_обр до 0 определяется как величиной - U_обр, так и скоростью нарастания напряжения на аноде коммутатора. Проведенные нами исследования показали, что с уменьшением накопительной емкости наблюдается согласование источника питания с нагрузкой, т.е. происходит уменьшение величины U_обр. При этом наблюдается улучшение энергетических характеристик генерации лазера и уменьшение потребляемой мощности от выпрямителя. Однако тиратроны имеют относительно узкую область устойчивой работы, определяемую минимальным и максимальным значением U_обр для тиратрона. На границе этих значений наблюдается неустойчивая работа тиратрона, а за ее пределами тиратрон не работает. Это и определят границы согласования источника питания с нагрузкой и коммутационные способности тиратрона.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства. На фиг. 2 приведена эквивалентная схема прототипа с параметрами элементов, при которых проводилось компьютерное моделирование процессов в этой схеме. На фиг. 3 приведены вольтамперные характеристики, полученные при компьютерном моделировании процессов в контуре, изображенном на фиг. 2. На фиг. 4 приведена эквивалентная схема предлагаемого импульсного лазера на парах химических элементов с параметрами элементов схемы, при которых проводилось компьютерное моделирование процессов в этой схеме. На фиг. 3 приведены вольтамперные характеристики, полученные при компьютерном моделировании процессов в контуре, изображенном на фиг. 4.

На фиг. 1 изображены: высоковольтный выпрямитель 1 с емкостью фильтра 2; генератор запускающих импульсов 3; коммутатор 4; резонатор 5; газоразрядная трубка 6; дроссель резонансной зарядки 7; зарядный диод 8; шунтирующая индуктивность 9; накопительная емкость 10; дополнительная емкость 11; дополнительная индуктивность 12.

Газоразрядная трубка 6 помещена в резонатор 5, параллельно которой подключена шунтирующая индуктивность 9. К катоду газоразрядной трубки 6 подключена накопительная емкость 10. К накопительной емкости анодом подключен коммутатор (тиратрон) 4, катод которого соединен с анодом газоразрядной трубки 6. В точку соединения накопительной емкости 10 и коммутатора 4 подключена дополнительная индуктивность 12, а другим концом соединена с катодом зарядного диода 8. Анод зарядного диода 8 соединен с дросселем резонансной зарядки 7. Второй конец дросселя резонансной зарядки 6 соединен с выходом высоковольтного выпрямителя 1. В точку соединения зарядного диода 8 и дросселя резонансной зарядки 7 подключена одним концом дополнительная емкость 11, а вторым концом соединена со вторым выходом высоковольтного выпрямителя 1 и катодом коммутатора 4.

От высоковольтного выпрямителя 1 заряжается дополнительная емкость 11 через дроссель резонансной зарядки 7. Одновременно с этим процессом от высоковольтного выпрямителя 1 заряжается накопительная емкость 10 через цепь-дроссель резонансной зарядки 7, зарядный диод 8, дополнительную индуктивность 12 и шунтирующую индуктивность 9. Процесс заряда дополнительной 11 и накопительной 10 емкостей имеет резонансный характер с периодом колебаний
2π[L₇(C₁₁+ C₁₀)]^1/2 (1)
(где L₇ - индуктивность дросселя резонансной зарядки 7, C₁₁ - дополнительная емкость, C₁₀ - накопительная емкость) и амплитудой колебаний ±(U_в + U_обр) относительно напряжения на выпрямителе U_в. Заряд дополнительной 11 и накопительной 10 емкостей осуществляется за четверть этого периода, затем должен идти процесс разряда емкостей до U_в за вторую четверть периода, затем заряд емкостей от U_в до - U_обр и их разряд от - U_обр до U_в за вторую половину периода, т.е. этот процесс имеет колебательный характер. Однако из-за наличия зарядного диода 8 разряд накопительной емкости 10 невозможен и будет наблюдаться после заряда накопительной емкости 10 колебательный процесс перезаряда только дополнительной емкости 11 с периодом
2π(L₇C₁₁)^1/2. (2)
После заряда накопительной емкости 10 на управляющий электрод коммутатора 4 подается импульс запуска с генератора запускающих импульсов 3 и происходит разряд накопительной емкости 10 через газоразрядную трубку 6 и коммутатор 4. При разряде накопительной емкости 10 энергия, запасенная в последней, диссипирует на коммутаторе 4 и газоразрядной трубке 6 и накопительная емкость 10 перезаряжается до напряжения - U_обр. Одновременно с процессом разряда накопительной емкости 10 происходит перезаряд дополнительной емкости 11 через цепь - зарядный диод 8, дополнительную индуктивность 12 и коммутатор 4. Величину дополнительной индуктивности 12 выбирают такой, чтобы время перезаряда дополнительной емкости 11 было соизмеримо со временем разряда накопительной емкости 10. В этом случае время перезаряда дополнительной емкости 11 намного меньше времени ее перезаряда через дроссель резонансной зарядки 7. Можно считать, что процесс разряда накопительной емкости 10 и перезаряда дополнительной емкости 11 происходит мгновенно по сравнению с процессом (2). За время этого процесса накопительная емкость перезаряжается до напряжения - U_обр, а дополнительная емкость оказывается с потенциалом, близким к нулю. После этого процесса в рассматриваемой цепи образуется контур, состоящий из элементов: дополнительная емкость 11, зарядный диод 8, дополнительная индуктивность 12, накопительная емкость 10, газоразрядная трубка 6, параллельно которой подключена шунтирующая индуктивность 9. Поскольку в этом контуре заряженной оказывается только накопительная емкость 10 до напряжения - U_обр, происходит резонансный процесс перезаряда дополнительной емкости 11 и накопительной емкости 10 с периодом, близким к значению
2π[L₁₂(C₁₁+ C₁₀)]^1/2, (3)
поскольку после разряда накопительной емкости 10 через газоразрядную трубку 6 сопротивление последней порядка 10 Ом. Если выбрать C₁₁ < C₁₀, то дополнительная емкость 11 перезарядится до большего отрицательного напряжения, чем накопительная емкость 10. Это означает, что в течение процесса (3) происходит рекуперация энергии из накопительной емкости 10 в дополнительную емкость 11 и снижается величина обратного напряжения на аноде тиратрона. Подбирая величину дополнительной емкости 11, можно обеспечивать необходимое обратное напряжение на аноде тиратрона 4. После этого процесса к аноду зарядного диода 8 будет приложено отрицательное напряжение дополнительной емкости 11, и зарядный диод 8 будет закрыт. При этом будет наблюдаться процесс резонансного заряда дополнительной емкости 11 через дроссель резонансной зарядки 7 до момента, пока напряжения на дополнительной емкости 11 и накопительной емкости 10 не станут равными. Затем зарядный диод 8 откроется и будет происходить одновременный резонансный заряд перечисленных выше емкостей, т.е. весь выше приведенный процесс повторится. Процесс резонансного заряда дополнительной емкости 11 через дроссель резонансной зарядки 7 до момента открывания зарядного диода 8 позволяет поддерживать на время этого процесса обратное напряжение на аноде тиратрона 4, т.е. увеличить время восстановления электрической прочности тиратрона. Таким образом, подбирая величину дополнительной емкости 11, можно регулировать обратное напряжение на аноде тиратрона 4 и время восстановление его электрической прочности. Если на управляющий электрод коммутатора 4 подавать импульс запуска с генератора запускающих импульсов 3 в моменты времени, когда в процессе резонансного перезаряда дополнительной емкости 11 через дроссель резонансной зарядки 7 напряжение равно или близко к нулю, то исключается процесс перезаряда дополнительной емкости через коммутатор 4. Это исключает потери энергии на коммутаторе 4 и протекание импульсного тока перезаряда дополнительной емкости 11 через зарядный диод 8. Величину дополнительной емкости 11 можно определять из условия, чтобы
π(L₁₂C₁₁)1/2~

Наиболее наглядно выше сказанное иллюстрируется вольтамперными характеристиками (см. фиг. 3, 5) работы предлагаемого устройства и прототипа, полученными при компьютерном моделировании с параметрами элементов, указанных на фиг. 2, 4, типичных для импульсного лазера на парах меди. На фиг. 2 приведена блок-схема лазера на парах меди (прототипа), в которой дроссель резонансной зарядки 7 представлен в виде элементов L₇, R₇ и C₇, где L₇ - индуктивность дросселя резонансной зарядки 7, R₇ - его активное сопротивление и C₇ - емкость дросселя резонансной зарядки 7 относительно земли. C₂ - емкость фильтра высоковольтного выпрямителя 1. Расчеты проводились при напряжении на выпрямителе - 5 кВ. D₈ - зарядный диод 8. C₁₀ - накопительная емкость 10. L₉ - шунтирующая индуктивность 9. Газоразрядная трубка 6 представлена в виде последовательно включенных элементов - индуктивности L₆ и среднего активного сопротивления R6 газоразрядной трубки 6 за импульс возбуждения. Такая замена правомерна, если нас интересует только степень перезаряда накопительной емкости 10. На фиг. 3 приведены параметры изменения вольтамперных характеристик на элементах схемы. Как видно из приведенных вольтамперных характеристик, при выбранных параметрах схемы (см. фиг. 2) накопительная емкость C₁₀ и емкость дросселя резонансной зарядки C₇ заряжаются за четверть периода (1) до напряжения 12,5 кВ за 60 мкс. После заряда накопительная емкость C₁₀ не может разряжаться из-за наличия зарядного диода D8 и наблюдается процесс перезаряда емкости C₇ через дроссель резонансной зарядки L₇ с периодом (2). Ток, протекающий через зарядный диод D8, соответствует времени заряда накопительной емкости C₁₀. При включении коммутатора 4 через диод протекает импульсный ток, обусловленный разрядом емкости C₇ через коммутатор. Величина обратного напряжения на коммутаторе 4 после разряда накопительной емкости C₁₀ через газоразрядную трубку составляет - 2,5 кВ, а время восстановления тиратрона - 16 мкс. В этом случае в качестве коммутатора можно выбрать тиратрон ТГИ2- 500/20, который имеет время восстановления ~15 мкс и допускает работу с обратным напряжением до - 3 кВ. При этих параметрах будет наблюдаться устойчивая работа тиратрона с коммутируемой средней мощностью ~1,7 кВт. Увеличение напряжения на выпрямителе с 5 до 6 кВ приводит к увеличению обратного напряжения (как показали расчеты) с - 2,5 до - 3,1 кВ, что выходит за рамки паспортных значений на тиратрон ТГИ2 - 500/20 и приводит к его неустойчивой работе и к быстрому выходу из строя. Для коммутации больших значений средней мощности необходимо использовать тиратроны с более высокими паспортными значениями обратного напряжения на аноде тиратрона, в случае резонансно - диодного заряда накопительной емкости (прототип).

На фиг. 4 приведена блок-схема лазера на парах меди (предлагаемое устройство), в котором дроссель резонансной зарядки 7 представлен в виде элементов L₇, R₇. Емкость дросселя резонансного заряда 7 много меньше дополнительной емкости 11 - C₁₁, поэтому на схеме не указана. L₁₂ - дополнительная индуктивность - 12, остальные элементы соответствуют фиг. 2. На фиг. 5 приведены параметры изменения вольтамперных характеристик на элементах схемы (см. фиг. 4) при напряжении на выпрямителе 8,5 кВ. Как видно из приведенных вольт-амперных характеристик, при выбранных параметрах схемы (см. фиг. 4) накопительная емкость C₁₀ и дополнительная емкость C₁₁ заряжаются за четверть периода (1) до напряжения 20 кВ за 80 мкс. После заряда накопительная емкость C₁₀ не может разряжаться из-за наличия зарядного диода D₈ и наблюдается процесс перезаряда емкости C₁₁ через дроссель резонансной зарядки L₇ с периодом (2). Ток, протекающий через зарядный диод D₈, соответствует времени заряда накопительной емкости C₁₀. При включении коммутатора 4 через диод протекает импульсный ток, обусловленный процессом рекуперации энергии из накопительной емкости C₁₀ в емкость C₁₁. Величина обратного напряжения на коммутаторе 4 после разряда накопительной емкости C₁₀ через газоразрядную трубку составляет - 2,5 кВ, а время восстановления тиратрона - 23 мкс. В этом случае в качестве коммутатора можно выбрать также тиратрон ТГИ2-500/20, который имеет время восстановления ~15 мкс и допускает работу с обратным напряжением до - 3 кВ. При этих параметрах будет наблюдаться устойчивая работа тиратрона с коммутируемой средней мощностью ~3 кВт. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет увеличить коммутируемую мощность тиратроном в рамках области его устойчивой работы.

Практическая реализация предлагаемого устройства была осуществлена в лазере на парах меди. В качестве газоразрядной трубки использовались промышленные лазерные трубки: LT 10Cu, рабочий канал которой изготовлен из Al₂O₃ - керамики диаметром 14 мм и длиной 400 мм с потребляемой мощностью от выпрямителя ~ 1,6 кВт; ГЛ-201 "Кристалл", рабочий канал которой изготовлен из Al₂O₃ - керамики диаметром 20 мм и длиной 800 мм с потребляемой мощностью от выпрямителя ~ 3 кВт.

Номинальная средняя мощность генерации по паспорту завода-изготовителя для этих трубок 10 Вт на двух линиях генерации (510,6 и 578,2 нм) при частоте следования импульсов ~ 10-18 кГц в плоскопараллельном резонаторе и 7 Вт с неустойчивым резонатором. В качестве коммутатора использовался для формирования импульса возбуждения тиратрон ТГИ2-500/20 с воздушным принудительным охлаждением. Исследования проводились в схеме с неустойчивым резонатором.

Исследования проводились для трубки LT 10 Cu с резонансно-диодным зарядом накопительной емкости (прототип). Рабочее напряжение на высоковольтном выпрямителе 1 было 5 кВ, потребляемый ток от выпрямителя 1 составлял 360 мА при накопительной емкости 10 - 1200 пФ и частоте следования импульсов ~ 18 кГц. Потребляемая мощность от выпрямителя составляла ~ 1650 Вт. В качестве зарядного диода 8 использовались 120 соединенных последовательно диода КД213А. Была получена средняя мощность генерации лазера при этих параметрах ~ 7 Вт. Величина обратного напряжения на аноде тиратрона не превышала 2,8 кВ. Испытания проводились в течение 300 ч с циклом непрерывной работы в течение 8 ч. За время проводимых испытаний не наблюдалось отказов в работе лазера из-за неустойчивой работы тиратрона.

Для трубки ГЛ-201 исследования проводились с резонансно-диодным зарядом накопительной емкости (по предлагаемому устройству). Рабочее напряжение на высоковольтном выпрямителе 1 было 7,8 кВ, потребляемый ток от выпрямителя 1 составлял 390 мА при накопительной емкости 10 - 1200 пФ, дополнительной емкости 11 - 300 пФ, дополнительной индуктивности 12-2 мкГн и частоте следования импульсов ~ 12 кГц. Потребляемая мощность от выпрямителя составляла ~ 3000 Вт. В качестве зарядного диода 8 использовались 120 соединенных последовательно диода КД213А. Была получена средняя мощность генерации лазера при этих параметрах ~ 11 Вт. Величина обратного напряжения на аноде тиратрона не превышала 2,6 кВ. Испытания проводились в течение 300 ч с циклом непрерывной работы в течение 8 ч. За время проводимых испытаний не наблюдалось отказов в работе лазера из-за неустойчивой работы тиратрона. Следует отметить, что длительная эксплуатация тиратронов ТГИ2-500/20 при приведенных выше параметрах в лазерах на парах меди с обычной резонансной зарядкой невозможна и срок их службы не превышает 100 ч. Для накачки газоразрядных трубок типа ГЛ-201 завод-изготовитель рекомендует более мощные тиратроны ТГИ 1- 2000/35 или ТГИ 1-2500/50 с водяным охлаждением.

Применение предлагаемого устройства позволяет обеспечить условия эксплуатации тиратронов, соответствующие предельным паспортным характеристикам, и обеспечивает их надежную работу в течение гарантийного срока эксплуатации. Увеличение напряжения на газоразрядной трубке за счет повышения коммутационной способности тиратрона создает условия для более эффективной накачки активной среды импульсных лазеров и позволяет повысить как выходные энергетические характеристики импульсных лазеров, так и надежность работы лазера в целом.

Изобретение относится к квантовой электронике и используется при создании импульсно-периодических лазеров на парах химических элементов. Импульсный лазер на парах химических элементов содержит помещенную в резонатор газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, высоковольтный выпрямитель, дроссель резонансной зарядки, зарядный диод, накопительную емкость, коммутатор и генератор запускающих импульсов. Дроссель резонансной зарядки через свою цепь, состоящую из соединенных последовательно дросселя резонансной зарядки, зарядного диода и накопительной емкости, соединен с катодом газоразрядной трубки. Коммутатор электрически связан с накопительной емкостью. Генератор запускающих импульсов своим выходом электрически связан с управляющим электродом коммутатора. Высоковольтный выпрямитель одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки, а другим - с катодом коммутатора и анодом газоразрядной трубки. Устройство дополнительно содержит индуктивность и емкость. Емкость одним концом соединена с катодом коммутатора, а другим подключена в точку соединения дросселя резонансной зарядки и зарядного диода. Индуктивность включена между зарядным диодом и накопительной емкостью. Технический результат изобретения: повышение надежности работы и увеличение мощности импульсных лазеров на парах химических элементов. 5 ил.

Импульсивный лазер на парах химических элементов, содержащий помещенную в резонатор газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, высоковольтный выпрямитель, дроссель резонансной заряди, зарядный диод, накопительную емкость, коммутатор и генератор запускающих импульсов, при этом дроссель резонансной зарядки через свою цепь, состоящую из соединенных последовательно дросселя резонансной зарядки, зарядного диода и накопительной емкости, соединен с катодом газоразрядной трубки, коммутатор электрически связан с накопительной емкостью, генератор запускающих импульсов своим выходом электрически связан с управляющим электродом коммутатора, высоковольтный выпрямитель одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки, а другим - с катодом коммутатора и анодом газоразрядной трубки, отличающийся тем, что в него введены дополнительные индуктивность и емкость, при этом дополнительная емкость одним концом соединена с катодом коммутатора, а другим подключена в точку соединения дросселя резонансной зарядки и зарядного диода, а дополнительная индуктивность включена между зарядным диодом и накопительной емкостью.