СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИМ ВЧ-НАПРЯЖЕНИЕМ Российский патент 2003 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к газоразрядным лазерным системам с электрическим возбуждением, и может быть использовано при разработке и эксплуатации СО₂-лазера с ВЧ-возбуждением.

Известны способы возбуждения СО₂-лазера при помощи системы, содержащей ВЧ-генератор, кабель питания, схему согласования и газоразрядную трубку. При этом для ввода мощности накачки в газовый промежуток используют режим полного согласования импеданса активного элемента лазера с выходным сопротивлением ВЧ-генератора, который вырабатывает напряжение на рабочей частоте. Кроме того, высокий уровень электрического поля, необходимый для инициирования разряда, создают за счет резонансного увеличения ВЧ-напряжения в резонансном контуре схемы согласования.

Переход от режима инициирования разряда к режиму полного согласования осуществляют при помощи изменения импеданса схемы согласования при неизменной величине частоты накачки, как описано в патенте на систему ВЧ-накачки лазера [1]. Такой переход осуществляют также с помощью изменения частоты напряжения ВЧ-генератора при неизменных параметрах схемы согласования, как приведено в патенте на систему накачки газовых приборов с ВЧ-возбуждением [2] и в патенте на источник накачки волноводного СO₂-лазера с разверткой частоты [3].

Недостатки таких способов возбуждения заключаются в низком кпд ВЧ-генератора, сложности обеспечения режима полного согласования и недостаточной надежности работы лазера в связи с трудностью обеспечения тепловой безопасности транзисторов ВЧ-генератора.

Известен способ возбуждения на разных частотах, приведенный в авт.свид. на способ возбуждения газового лазера и устройстве для его осуществления [4] , в котором надежность работы лазера увеличивают за счет введения в устройство возбуждения средств слежения за изменением величины рассогласования и средств управления частотой ВЧ-генератора. Недостатки такого способа возбуждения заключаются в низком кпд ВЧ-генератора и повышенной сложности устройства возбуждения.

Наиболее близким техническим решением является способ возбуждения газового лазера непрерывным ВЧ-напряжением фиксированной частоты, приведенный в патенте на волноводный газовый лазер с ВЧ-накачкой [5]. Напряжение ВЧ-генератора подается по кабелю питания длиной λ/4 на первичную обмотку повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого входит в резонансный контур согласования. Дополнительное увеличение уровня ВЧ-напряжения получают за счет применения кабеля питания длиной λ/4, величина волнового сопротивления которого выше величины выходного сопротивления ВЧ-генератора. До зажигания разряда величину ВЧ-мощности устанавливают на уровне, достаточном для зажигания газовой среды лазера и обеспечивающем тепловую безопасность выходных транзисторов ВЧ-генератора. После возникновения разряда уровень выходной мощности ВЧ-генератора плавно увеличивают до максимального значения за время не менее 1 мс.

Недостаток такого способа возбуждения заключается в невысоком кпд ВЧ-генератора и невысокой надежности работы лазера в связи с трудностью обеспечения тепловой безопасности выходных транзисторов ВЧ-генератора.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение кпд ВЧ-генератора, повышение надежности его работы за счет обеспечения тепловой безопасности выходных транзисторов, упрощение режима согласования, а также введение возможности простого и эффективного управления режимами излучения лазера.

Поставленная задача достигается, во-первых, за счет введения режима неполного согласования, а именно за счет введения расссогласования между активной составляющей импеданса лазерной головки и выходного сопротивления ВЧ-генератора, что приводит и к увеличению кпд ВЧ-генератора, и к упрощению режима согласования. И, во-вторых, за счет того, что для возбуждения лазера применяют импульсно-периодическое ВЧ-напряжение фиксированной частоты с управляемой скважностью Q (радиоимпульсы). Это позволяет установить величину пиковой выходной мощности ВЧ-генератора на уровне, достаточном для надежного зажигания газового высокочастотного разряда, и обеспечить тепловую безопасность выходных транзисторов, а также дает возможность ввести управление режимами излучения лазера после установления газового разряда.

Известно, что при работе лазера в режиме полного согласования, ВЧ-генератор нагружен на сопряженную нагрузку, т.е. активные составляющие импеданса лазерного излучателя и выходного сопротивления ВЧ-генератора равны, а реактивные составляющие равны и противоположны по знаку.

Известно также, что кпд ВЧ-генератора в режиме полного согласования определяется отношением активной составляющей сопротивления нагрузки (импеданса активного элемента лазера) к сумме активных составляющих сопротивления нагрузки и выходного сопротивления ВЧ-генератора, и величина кпд в этом случае составляет 50%.

При неизменной величине сопротивления нагрузки можно получить величину кпд выше 50% за счет уменьшения величины выходного сопротивления ВЧ-генератора.

Применение режима неполного согласования приводит к упрощению схемы согласования, поскольку с ее помощью осуществляется теперь согласование только реактивных составляющих импеданса активного элемента лазера и выходного сопротивления ВЧ-генератора. Как известно, цель неполного согласования минимизировать возможное возрастание коэффициента стоячей волны, чтобы избежать превышения допустимого уровня коллекторного напряжения на выходных транзисторах ВЧ-генератора и не допустить выхода их из строя.

Кроме того, известно что, если до зажигания газового разряда ВЧ-генератор будет работать в непрерывном режиме на фиксированной частоте, то в условиях отсутствия согласования величина мощности рассеяния на выходных транзисторах P_pacc1 практически в два раза превысит номинальный уровень. Это вызовет температурный перегрев. Иначе говоря, температура структуры транзисторов превысит критическое значение, а это значит, что величина пробивного напряжения на коллекторном переходе опустится ниже уровня питающего напряжения, что как следствие приведет к выходу из строя выходных транзисторов.

Для того чтобы избежать температурного перегрева, используют импульсно-периодический режим работы ВЧ-генератора с изменяемой скважностью радиоимпульсов Q. В этом режиме величина температуры выходных транзисторов Т_тр связана с величиной скважности Q обратно пропорциональной зависимостью:
T_тр≅T_o+P_расс/CQ, (1)
где Т_о - величина температуры окружающей среды; Р_расс - величина пиковой мощности, рассеиваемой на выходных транзисторах ВЧ-генератора; С - средняя теплоемкость выходных транзисторов (по определению равная отношению количества полученного тепла к разности конечной и начальной температур).

Т_о - постоянная величина; С - тоже постоянная величина для конкретного транзистора; Р_расс может принимать два разных значения: Р_расс1- до зажигания газового разряда и Р_расс2 - после возникновения разряда, при этом Р_расс2 меньше Р_расс1.

До момента возникновения разряда в газовой среде лазера существуют два критических значения скважности Q_кр1 и Q_кр2. Во-первых, из формулы (1) видно, что существует значение скважности Q_кр1 такое, что при Q≥Q_кр1 температура выходных транзисторов Т_тр не будет превышать критического уровня. И, во-вторых, для ВЧ-генератора существует значение Q_кр2 такое, что при Q≥Q_кр2 величина выходной пиковой мощности недостаточна для зажигания разряда.

Ясно, что для работы лазера выбирают ВЧ-генератор с высоким уровнем выходной пиковой мощности, обеспечивающим выполнение условия Q_кp2>Q_кp1. Тогда зажигание разряда происходит при значении скважности Q_з, удовлетворяющем условию Q_кр1< Q_з<Q_кр2.

После зажигания разряда величина мощности рассеяния на выходных транзисторах уменьшается до уровня Р_расс2 и соответственно уменьшается критическое значение скважности Q_кp1 до минимального уровня Q_min. Ясно, что существует и максимальное (пороговое) значение скважности Q_пop, при котором величина выходной пиковой мощности ВЧ-генератора становится недостаточной для генерации излучения. Таким образом, генерация излучения лазера происходит при величине скважности Q_г, лежащей в области значений Q_min<Q_г<Q_пop.

Кроме того, если величину скважности устанавливают выше порогового уровня Q_пop, но ниже Q_кр2, то разряд горит, а на выходе лазера излучения нет. Следовательно, можно сказать, что лазер работает в ждущем режиме при значении скважности Q_ж, удовлетворяющем условию Q_пор<Q_ж<Q_кр2.

Применение импульсно-периодического ВЧ-сигнала для возбуждения лазера обусловлено тем, что в активной газовой среде лазерного излучателя существуют эффект остаточной ионизации и эффект послесвечения. Необходимое условие возникновения разряда заключается в том, что период следования радиоимпульсов не должен превышать времени деионизации. Излучение лазера может быть квазинепрерывным, импульсным или импульсно-периодическим. В частности, квазинепрерывный режим излучения лазера получают в случае, когда период следования радиоимпульсов возбуждения не превышает времени послесвечения.

Кроме того, величина средней мощности излучения Р_изл в квазинепрерывном режиме пропорциональна средней мощности возбуждения, которая, в свою очередь, равна величине отношения пиковой мощности возбуждения Р_нак к скважности Q, т. е. можно записать, что:
Р_изл~Р_нак/Q. (2)
Известно, что когда лазер находится в рабочем режиме, уровень Р_нак остается практически неизменным. Тогда из формулы (2) следует, что, устанавливая величину скважности радиоимпульсов в пределах от пороговой Q_пop до минимальной Q_min, получают среднюю величину выходной мощности излучения лазера Р_изл в диапазоне от пороговой до максимальной Р_max.

Таким образом, введение управления величиной Q позволяет устанавливать разные режимы излучения лазера: ждущий, импульсный, импульсно-периодический и квазинепрерывный с требуемой величиной мощности излучения Р_изл.

Сущность изобретения заключается в том, что возбуждение лазера осуществляют в условиях неполного согласования между импедансом активного элемента лазера и выходным сопротивлением ВЧ-генератора, работающего на фиксированной частоте в импульсно-периодическом режиме с управляемой скважностью радиоимпульсов Q. Надежное зажигание газового высокочастотного разряда обеспечивают при помощи создания высокой величины пиковой мощности на выходе ВЧ-генератора, при этом безопасность теплового режима работы выходных транзисторов осуществляют за счет выбора величины скважности радиоимпульсов Q_з. Кроме того, величину периода следования радиоимпульсов устанавливают на уровне, не превышающем время деионизации. После зажигания разряда в газовом промежутке излучателя управление величиной скважности Q используют для установления требуемого режима излучения лазера.

На фиг.1 изображена схема устройства возбуждения лазера.

На фиг. 2 показана схема параллельного соединения мощных транзисторов в выходной цепи ВЧ-генератора с помощью LC-филътров.

На фиг. 3 приведены эпюры, поясняющие работу устройства в квазинепрерывном режиме:
а) амплитуда напряжения на электродах лазерного излучателя U_эл в зависимости от времени t, где U_з, U_p - амплитуды радиоимпульсов на электродах до зажигания и после зажигания соответственно; τ_з, τ - длительность радиоимпульсов до зажигания и после зажигания соответственно; t_п - период следования радиоимпульсов;
б) скважность радиоимпульсов Q в зависимости от времени t, где Q_з - скважность до зажигания разряда, Q_т - скважность, соответствующая требуемой мощности излучения лазера, Q_min - минимальная скважность; t_з - момент зажигания газовой среды лазерного излучателя; t_т - момент установки требуемой величины мощности излучения лазера;
в) мощность излучения лазера Р_изл в зависимости от времени t, где Р_нач - начальный уровень мощности излучения лазера (Q=Q_з); Р_т - требуемая мощность излучения (Q=Q_т); P_mах - максимальный уровень мощности излучения (Q=Q_min);
г) температура на выходных транзисторах Т_тр в зависимости от времени t, где T₁, Т₂, Т_т - температура транзисторов до зажигания разряда, после его установления и при требуемом уровне мощности излучения лазера Р_т соответственно; Т_ном - номинальная температура транзисторов (при P_изл=P_mах); Т_о - температура окружающей среды.

Предложенный способ поясняется схемой устройства возбуждения лазера, изображенной на фиг. 1. Устройство состоит из последовательно соединенных схемы управления скважностью импульсов 1, генератора импульсов 2, ВЧ-генератора 3, кабеля 4 питания длиной λ/4, схемы согласования 5 и лазерного излучателя 6.

Устройство для осуществления способа работает следующим образом. При включении устройства генератор импульсов 2 со схемой управления скважностью 1 производит амплитудную модуляцию высокочастотного сигнала ВЧ-генератора 3 импульсами прямоугольной формы с величиной скважности Q_з. Полученное импульсно-периодическое высокочастотное напряжение с выхода ВЧ-генератора 3 (радиоимпульсы) по кабелю питания 4 с величиной волнового сопротивления 50 Ом и длиной λ/4 через схему согласования 5 поступает на электроды лазерного излучателя 6. Величина пиковой мощности ВЧ-генератора 3 достаточна для зажигания разряда в газовой среде лазера. В то же время, установленная величина скважности радиоимпульсов Q_з обеспечивает безопасный тепловой режим работы выходных транзисторов ВЧ-генератора 3. Кроме того, установленный период следования радиоимпульсов t_п не превышает времени деионизации. После возникновения высокочастотного разряда изменение режимов излучения и управление величиной выходной мощности лазера Р_изл осуществляют с помощью схемы управления скважностью 1.

Достаточную для зажигания разряда мощность ВЧ-генератора получают за счет параллельного включения идентичных, мощных выходных транзисторов. На фиг.2 показан пример такого включения. Работа ВЧ-генератора на фиксированной частоте упрощает сложение мощностей транзисторов. Объединяя коллекторы транзисторов с помощью цепей согласования, реализуемых, например, в виде LC-фильтров с подобранными параметрами, получают необходимую величину выходного сопротивления ВЧ-генератора.

На фиг.3 приведены эпюры, поясняющие работу устройства при работе лазера в квазинепрерывном режиме излучения.

После включения устройства на электроды лазерного излучателя 6 подаются радиоимпульсы с амплитудой U_з, достаточной для зажигания разряда и со скважностью Q_з, обеспечивающей тепловую безопасность выходных транзисторов ВЧ-генератора 3. Период следования радиоимпульсов t_п не превышает времени деионизации. Температура выходных транзисторов принимает значение T₁, не превышающее номинальный уровень Т_ном. На выходе лазера излучение отсутствует.

В момент времени t_з зажигается разряд в газовой среде лазера и амплитуда напряжения радиоимпульсов на электродах скачком уменьшается до рабочего уровня U_p, который в дальнейшем имеет практически постоянное значение. На выходе лазера появляется излучение с начальной мощностью Р_нач, соответствующее скважности радиоимпульсов Q_з. Температура выходных транзисторов ВЧ-генератора 3 через некоторое время уменьшается до значения Т₂.

С момента времени t_т устанавливают требуемый уровень мощности излучения лазера Р_т. Уменьшением скважности радиоимпульсов Q до уровня Q_т вызывают повышение мощности излучения до требуемого значения Р_т. Температура выходных транзисторов ВЧ-генератора 3 в этом режиме работы лазера во всех условиях не превышает номинального значения Т_ном.

В реализованной конструкции лазера после инициирования высокочастотного разряда величина выходного сопротивления ВЧ-генератора составляет ~20 Ом, величина сопротивления нагрузки при максимальной величине мощности накачки составляет ~ 50 Ом. Таким образом, в условиях режима неполного согласования получают значение величины кпд ВЧ-генератора 50 Ом/(50+20) Ом≈70%.

Техническая эффективность способа возбуждения газового лазера, в котором применяют импульсно-периодический режим работы ВЧ-генератора с управляемой скважностью импульсов Q в условиях неполного согласования, заключается в высоком кпд ВЧ-генератора, простоте согласования, высокой надежности работы, в простоте и эффективности управления режимами излучения лазера.

Источники информации
1. Патент США 4451766, кл. H 01 J 61/56, 1984.

2. Патент США 4748634, кл. Н 01 S 3/097, 1988.

3. Патент США 5150372, кл. Н 01 S 53/00, 1992.

4. Авт. свид. СССР 1785058 A1, кл. Н 01 S 3/097, 1993.

5. Патент США 4493087 кл. Н 01 S 3/03, 1992.

Использование: в квантовой электронике, в частности в газоразрядных лазерных системах с электрическим возбуждением при разработке и эксплуатации СО₂-лазера с ВЧ-возбуждением. Сущность изобретения: накачку лазера осуществляют в условиях неполного согласования между импедансом активного элемента лазера и выходным сопротивлением ВЧ-генератора, работающего на фиксированной частоте в импульсно-периодическом режиме с управляемой скважностью радиоимпульсов Q. Надежное зажигание газового высокочастотного разряда обеспечивают при помощи создания высокой величины пиковой мощности на выходе ВЧ-генератора, при этом безопасность теплового режима работы выходных транзисторов осуществляют за счет выбора величины скважности радиоимпульсов Q_з. Кроме того, величину периода следования радиоимпульсов устанавливают на уровне, не превышающем время деионизации. После зажигания разряда в газовом промежутке излучателя управление величиной скважности Q используют для установления требуемого режима излучения лазера. Техническим результатом изобретения является увеличение кпд ВЧ-генератора, повышение надежности его работы за счет обеспечения тепловой безопасности выходных транзисторов, упрощение режима согласования, а также введение возможности простого и эффективного управления режимами излучения лазера. 3 ил.

Способ возбуждения газового лазера, заключающийся в подаче на активный элемент излучателя через согласующее устройство высокочастотного сигнала от работающего на фиксированной частоте ВЧ-генератора, величина выходного сопротивления которого меньше волнового сопротивления кабеля питания преимущественно четвертьволновой длины, отличающийся тем, что возбуждение осуществляют в режиме неполного согласования между импедансом активного элемента лазера и выходным сопротивлением ВЧ-генератора, работающего в импульсно-периодическом режиме с управляемой величиной скважности радиоимпульсов Q, при этом до зажигания газового высокочастотного разряда лазера устанавливают период следования радиоимпульсов, не превышающий время деионизации, и величину скважности Q₃, обеспечивающую безопасный тепловой режим работы выходных транзисторов ВЧ-генератора, а после зажигания разряда управление величиной скважности радиоимпульсов Q используют для управления режимами излучения лазера.