ИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР НА ПАРАХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2004 года по МПК H01S3/975 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании импульсных лазеров на парах химических элементов с управляемыми энергетическим характеристиками генерации.

Известен импульсный лазер на самоограниченных переходах паров химических элементов, в котором разогрев активного вещества и возбуждение активной среды осуществляются периодически повторяющимися импульсами с высокой частотой следования, которые, во-первых, за счет выделяемой при разряде в газовой смеси энергии производят нагрев активной среды до рабочей температуры и, во-вторых, создают инверсную населенность в активной среде [Письма в ЖТФ, 1972, т.16, с.40].

Известен импульсный лазер на парах химических элементов, в котором разогрев и возбуждение активной среды осуществляются импульсами возбуждения и дополнительными импульсами, не вызывающими генерации [Квантовая электроника, 1983, т.10, с.974-976]. Такая последовательность наложения импульсов накачки на активную среду позволяет осуществлять стабилизацию энергетических характеристик генерации.

Известен импульсный лазер на парах химических элементов, работающий в режиме саморазогрева, в котором накачка активной среды и ее разогрев осуществляются сдвоенными импульсами с регулируемой задержкой между импульсами [Квантовая электроника. 1988, т.15, с.2510].

Известен импульсный лазер на парах химических элементов, в котором для накачки активной среды с каждым импульсом возбуждения формируется дополнительный импульс, не вызывающий генерации, с регулируемой задержкой между импульсами [Патент РФ №2082262 на изобретение "Способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах", опубл. 20.06.97]. Этот лазер содержит установленную в резонаторе газоразрядную трубку, два высоковольтных источника питания, два коммутатора, один генератор запускающих импульсов, две линии задержки и два конденсатора. При этом оба электрода газоразрядной трубки электрически связаны между собой через одну из указанных индуктивностей; оба конденсатора электрически параллельно присоединены к катоду газоразрядной трубки; к каждому из конденсаторов электрически присоединен один из высоковольтных источников питания и параллельно один из тиратронов; генератор запускающих импульсов электрически параллельно связан со входом каждой из линий задержки, а выход каждой из этих линий задержки электрически связан с управляющим входом одного из коммутаторов.

Этот лазер содержит установленную в резонатор ГРТ и, в обязательном порядке, два одинаковых источника накачки, что усложняет его конструкцию и снижает надежность его работы.

Данный лазер имеет сложную конструкцию и имеет большие весогабаритные характеристики, поскольку он в обязательном порядке должен содержать два одинаковых источника питания.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции лазера и снижение его весогабаритных характеристик.

Решение поставленной задачи достигается тем, что, как и известный, заявляемый лазер на парах химических элементов содержит помещенную в оптический резонатор газоразрядную трубку, высоковольтный источник питания, два коммутатора, каждый из которых обеспечивает скорость переключения не менее чем 100 мкс, один генератор запускающих импульсов, две линии задержки, два конденсатора и шунтирующий элемент, например индуктивность или резистор, при этом оба электрода газоразрядной трубки электрически связаны между собой через указанный шунтирующий элемент; оба конденсатора электрически параллельно присоединены к катоду газоразрядной трубки; высоковольтный источник питания своим положительным выходом электрически присоединен к одному из конденсаторов; каждый из коммутаторов своим выходом электрически параллельно связан через один из конденсаторов с катодом газоразрядной трубки, а своим входом заземлен; генератор запускающих импульсов электрически параллельно связан с входом каждой из линий задержки, а выход каждой из этих линий задержки электрически связан с управляющим входом одного из коммутаторов.

В отличие от известного, в заявляемом лазере на парах химических элементов установлены дополнительная индуктивность и зарядный диод, при этом один конец указанной дополнительной индуктивности через зарядный диод электрически связан с тем конденсатором, у которого отсутствует электрическая связь с высоковольтным источником питания, а другой конец этой дополнительной индуктивности электрически параллельно связан с основным входом каждого из коммутаторов, с анодом газоразрядной трубки и с отрицательным выходом высоковольтного источника питания, причем величина дополнительной индуктивности должна быть такой, чтобы она была не ниже величины индуктивности разрядного контура лазера.

В качестве коммутатора в данной схеме лазера на парах химических элементов целесообразно брать тиратрон.

В данной схеме лазера на парах химических элементов шунтирующий элемент, например индуктивность или резистор, может быть выполнен с возможностью его отключения. С этой целью в лазере на парах металлов может быть установлен высоковольтный ключ, который электрически последовательно связан с указанным шунтирующим элементом и с одним из электродов газоразрядной трубки.

Известны способы возбуждения импульсных лазеров на парах химических элементов за счет формирования импульса возбуждения и дополнительного импульса, а также устройства на их основе [Солдатов А.Н., Федоров В.Ф. Лазер на парах меди со стабилизированными выходными характеристиками. // Квантовая электроника, 1983, т.10, с.974-976; Исаев А.А. Кинетика возбуждения рабочих уровней лазера на парах меди в режиме сдвоенных импульсов. // Квантовая электроника. 1988, т.15, с.2510].

Известны способ и устройство управления энергетическими характеристиками генерации за счет изменения амплитуды импульса возбуждения при накачке активной среды сдвоенными импульсами [Солдатов А.Н., Соломонов В.И. Газоразрядные лазеры на самоограниченных переходах в парах металлов. // Новосибирск: Наука, 1985, с.93].

Авторам известны также способ возбуждения и устройство на его основе, позволяющие управлять в широких пределах от нуля до максимального значения энергетическими характеристиками генерации [Скрипниченко А.С., Солдатов А.Н., Юдин Н.А. Способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах. // Заявка на изобретение №5035482, 1992].

Проведенные исследования впервые показали, что индуктивность, подключенная параллельно газоразрядной трубке, запасает энергию во время разряда накопительной емкости [Елаев В.Ф., Солдатов А.Н., Юдин Н.А. Исследование поведения проводимости плазмы лазера на парах меди. // Оптика атмосферы и океана. 1996, т.9, №2, с.169-173.]. Величина этой энергии сравнима с энергией дополнительного импульса управления в прототипе. В этом случае подключение индуктивности к катодам коммутаторов цепи резонансно-диодной зарядки, формирующей дополнительный импульс, позволяет исключить второй высоковольтный источник питания. При разряде накопительной емкости, формирующей импульс возбуждения, будет также запасаться энергия в дополнительной индуктивности и затем будет происходить заряд накопительной емкости, формирующей дополнительный импульс. Напряжение на накопительной емкости будет определяться величиной накопительной емкости, поскольку запасаемая энергия в индуктивности постоянна для стационарного режима работы лазера. При этом работа введенной в цепь дополнительной индуктивности должна быть согласована с работой обоих коммутаторов и с источником питания, для чего эта дополнительная индуктивность электрически связывается с обоими коммутаторами и с отрицательным выходом источником питания.

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого устройства, включающая: высоковольтный регулируемый источник питания 1, генератор 2 запускающих импульсов, линии задержки 3 и 4, в качестве которых можно использовать ждущие мультивибраторы, коммутаторы 5 и 6, в качестве которых можно использовать тиратроны, зеркала 7 резонатора, между которыми установлена газоразрядная трубка 8, дополнительную индуктивность 9, зарядный диод 10, шунтирующий элемент, например индуктивность 11, накопительные емкости 12 и 13. Газоразрядная трубка 8 помещена между зеркалами 7 резонатора. Электроды газоразрядной трубки 8 соединены между собой через шунтирующий элемент 11, которым в данном примере является зарядная индуктивность. К катоду газоразрядной трубки 8 подключены накопительные емкости 12 и 13. К каждой накопительной емкости 12 и 13 анодами подключены коммутаторы 5 и 6, катоды которых соединены с анодом газоразрядной трубки 8 и с отрицательным выходом источника питания 1. В точку соединения накопительной емкости 12 и коммутатора 5 подключен высоковольтный источник питания 1.

В точку соединения накопительной емкости 13 и коммутатора 6 своим катодом подключен диод 10, к аноду которого одним своим концом подключена дополнительная индуктивность 9, другой конец которой подключен к катодам коммутаторов 5 и 6. Выход генератора 2 запускающих импульсов через линии задержки 3 и 4 соединен с управляющими электродами коммутаторов 5 и 6. Между шунтирующим элементом 11 и анодом А газоразрядной трубки 8 установлен высоковольтный ключ 14, в качестве которого можно использовать, например, вакуумное реле. Высоковольтный ключ 14 связывает между собой шунтирующий элемент 11 и анод А газоразрядной трубки 8 в последовательную электрическую цепь.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

От регулируемого высоковольтного источника питания 1 через зарядную индуктивность 11 заряжается накопительная емкость 12. При поступлении на управляющий электрод коммутатора 5 импульса запуска с генератора 2 запускающих импульсов через линию 3 задержки происходит разряд накопительной емкости 12 на газоразрядную трубку 8. Энергия, запасенная в накопительной емкости 12, выделяется в активной среде газоразрядной трубки 8 и осуществляет нагрев и возбуждение активной среды. При разряде накопительной емкости 12 часть электрического тока проходит через шунтирующий элемент 11 и создает на электродах А и К газоразрядной трубки 8 падение потенциала, в результате чего в газоразрядной трубке 8 происходит ионизация рабочей среды и генерация излучения. В межимпульсный период энергия, запасенная в индуктивности 11, выделяется в активной среде газоразрядной трубки 8. При поступлении импульса запуска с генератора 2 запускающих импульсов через линию задержки 4 на управляющий электрод коммутатора 6 происходит разряд накопительной емкости 13, а дополнительная индуктивность 9 совместно с диодом 10 обеспечивает создание на катоде К и аноде А газоразрядной трубки 8 соответствующее падение потенциала. В результате этого в активной среде газоразрядной трубки 8 формируется дополнительный импульс, который существенно влияет на энергетические характеристики импульса генерации лазера. Управление энергетическими характеристиками осуществляется за счет изменения временного интервала между дополнительным и возбуждающим импульсами. При выходе лазера на рабочий режим шунтирующий элемент 11 можно отключить высоковольтным ключом 14, так как в этом режиме падение потенциала на электродах газоразрядной трубки 8 будет поддерживаться происходящим в ней электрическим разрядом. При этом будут исключены потери энергии, которые происходят на шунтирующем элементе 11, и, таким образом, в разрядную область газоразрядной трубки 8 будет поступать дополнительная энергия.

Практическая реализация предлагаемого устройства была осуществлена авторами в лазере на парах меди. В качестве газоразрядной трубки использовалась промышленная лазерная трубка УЛ-102 "Квант", рабочий канал которой изготовлен из алундовой керамики Al₂O₃ диаметром 20 мм и длиной 400 мм. Давление буферного газа неона - 300 Торр. Номинальная средняя мощность генерации по паспорту завода-изготовителя 5 Вт на двух линиях генерации (510,6 и 578,2 нм) при частоте следования импульсов ~8 кГц. В качестве коммутаторов использовались: для формирования импульса возбуждения тиратрон ТГИ3-500/16 и для формирования дополнительного импульса тиратрон ТГИ1-270/12. В качестве линий задержки - два ждущих мультивибратора, которые запускались от одного генератора.

Рабочее напряжение на высоковольтном выпрямителе 1 было 5 кВ, накопительная емкость 14-3000 пФ, частота следования импульсов ~8 кГц, потребляемая мощность от выпрямителя ~1,6 кВт. Во время разряда накопительной емкости 12, формирующей импульс возбуждения, индуктивность 9 запасает энергию и происходит заряд накопительной емкости 13. Для осуществления устойчивого режима управления напряжение заряда накопительной емкости 13 подбирается оптимальным за счет изменения величины накопительной емкости 13. Это обусловлено тем, что индуктивность 9 запасает постоянное количество энергии (Е) во время прохождения импульса возбуждения при стационарном режиме работы лазера (Е=CU²/2-const, где С - накопительная емкость, U - напряжение на накопительной емкости). Изменение величины накопительной емкости 13 приводит к изменению напряжения ее заряда. При расположении дополнительного импульса в момент импульса генерации была получена суммарная средняя мощность генерации 5 Вт. При изменении задержки между возбуждающим и дополнительным импульсами в пределах ~20 мксек осуществлялось управление средней мощностью генерации от максимального значения до нуля.

Таким образом, в предлагаемом устройстве управление энергетическими характеристиками генерации осуществляется аналогично прототипу. Однако не требуется дополнительный высоковольтный выпрямитель для формирования дополнительного импульса и более устойчиво работает тиратрон, формирующий дополнительный импульс. Это обусловлено отсутствием положительного напряжения на аноде тиратрона до прихода импульса возбуждения, что позволяет использовать маломощные коммутаторы для формирования дополнительного импульса.

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер содержит помещенную в резонатор газоразрядную трубку, высоковольтный источник питания, два коммутатора, каждый из которых обеспечивает скорость переключения не менее чем 100 мкс, один генератор запускающих импульсов, две линии задержки, два конденсатора и шунтирующий элемент, например индуктивность или резистор. Оба электрода газоразрядной трубки электрически связаны между собой через указанный шунтирующий элемент; оба конденсатора электрически параллельно присоединены к катоду газоразрядной трубки; высоковольтный источник питания своим положительным выходом электрически присоединен к первому конденсатору. Каждый из коммутаторов своим выходом электрически параллельно связан через один из конденсаторов с катодом газоразрядной трубки, а своим входом заземлен. Генератор запускающих импульсов электрически параллельно связан со входом каждой из линий задержки, а выход каждой из этих линий задержки электрически связан с управляющим входом одного из коммутаторов. Один конец дополнительной индуктивности через зарядный диод электрически связан со вторым конденсатором, а другой конец дополнительной индуктивности электрически параллельно связан с основным входом каждого из коммутаторов, с анодом газоразрядной трубки и с отрицательным выходом высоковольтного источника питания. Величина дополнительной индуктивности больше или равна величине индуктивности разрядного контура лазера. Обеспечено упрощение конструкции лазера и снижение веса и габаритов. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Импульсный лазер на парах химических элементов, содержащий помещенную в оптический резонатор газоразрядную трубку, высоковольтный источник питания, два коммутатора, каждый из которых обеспечивает скорость переключения не менее 100 мкс, один генератор запускающих импульсов, две линии задержки, два конденсатора и шунтирующий элемент, например индуктивность или резистор, при этом оба электрода газоразрядной трубки электрически связаны между собой через указанный шунтирующий элемент, оба конденсатора электрически параллельно присоединены к катоду газоразрядной трубки, высоковольтный источник питания своим положительным выходом электрически присоединен к одному из конденсаторов, каждый из коммутаторов своим выходом электрически параллельно связан через один из конденсаторов с катодом газоразрядной трубки, а своим входом заземлен, генератор запускающих импульсов электрически параллельно связан со входом каждой из линий задержки, а выход каждой из этих линий задержки электрически связан с управляющим входом одного из коммутаторов, отличающийся тем, что в нем установлены дополнительная индуктивность и зарядный диод, при этом один конец указанной дополнительной индуктивности через зарядный диод электрически связан с тем конденсатором, у которого отсутствует электрическая связь с высоковольтным источником питания, а другой конец этой дополнительной индуктивности электрически параллельно связан с основным входом каждого из коммутаторов, с анодом газоразрядной трубки и с отрицательным выходом высоковольтного источника питания, причем величина дополнительной индуктивности должна быть такой, чтобы она была не ниже величины индуктивности разрядного контура лазера.2. Импульсный лазер на парах химических элементов по п.1, отличающийся тем, что в нем в качестве коммутатора установлен тиратрон.3. Импульсный лазер на парах химических элементов по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в нем шунтирующий элемент, например индуктивность или резистор, выполнен с возможностью его отключения.4. Импульсный лазер на парах химических элементов по п.3, отличающийся тем, что в нем установлен высоковольтный ключ, который электрически последовательно связан с шунтирующим элементом и с одним из электродов газоразрядной трубки.