ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР НА ПАРАХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2005 года по МПК H01S3/975 

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

Известен импульсно-периодический лазер на парах химических элементов (Солдатов А.Н., Федоров В.Ф. Лазер на парах меди с частотой следования импульсов 230 кГц. // Известия ВУЗов (Физика), Т.26, С.80-84, 1983 г.), содержащий помещенную в резонатор газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, высоковольтный выпрямитель, дроссель резонансной зарядки, зарядный диод, накопительную емкость, тиратрон, генератор, проходную емкость, источник отрицательного смещения, источник питания. Высоковольтный выпрямитель одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки, а другим - с катодом тиратрона и накопительной емкостью, второй конец которой соединен с анодом газоразрядной трубки. Дроссель резонансной зарядки через зарядный диод соединен с анодом газоразрядной трубки. Анод тиратрона электрически связан с катодом газоразрядной трубки. Генератор своим выходом электрически связан через проходную емкость с управляющим электродом - сеткой тиратрона. К управляющему электроду - сетке тиратрона подключен источник отрицательного смещения, а к катоду тиратрона одним выходом и генератору водорода тиратрона и подогревателю катода тиратрона другим выходом подключен источник питания.

К недостаткам данного устройства относится проблематичность измерения электрических характеристик импульса возбуждения на газоразрядной трубке и, соответственно, оптимизации параметров накачки активной среды лазера, а также недостаточная электробезопасность, что требует дополнительных мер при настройке и юстировке лазера. Недостатки обусловлены тем, что газоразрядная трубка и анод тиратрона находятся под потенциалом высоковольтного выпрямителя.

Наиболее близким по назначению и совокупности признаков к предлагаемому устройству является импульсно-периодический лазер на парах химических элементов (И.И.Климовский, Л.А.Селезнева. О некоторых особенностях работы схемы с резонансной перезарядкой накопительной емкости, используемой для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах. // Теплофизика высоких температур, 17, №1, С.27-30, 1979 г.), содержащий помещенную в резонатор газоразрядную трубку, высоковольтный выпрямитель, дроссель резонансной зарядки, зарядный диод, накопительную емкость, тиратрон, генератор, проходную емкость, источник отрицательного смещения, источник питания. Высоковольтный выпрямитель одним своим выходом электрически связан с входом дросселя резонансной зарядки, а другим - с катодом тиратрона и накопительной емкостью, второй конец которой соединен с анодом газоразрядной трубки. Дроссель резонансной зарядки через зарядный диод соединен с анодом газоразрядной трубки. Анод тиратрона электрически связан с катодом газоразрядной трубки. Генератор своим выходом электрически связан через проходную емкость с управляющим электродом - сеткой тиратрона. К управляющему электроду - сетке тиратрона подключен источник отрицательного смещения, а к катоду тиратрона одним выходом и генератору водорода тиратрона и подогревателю катода тиратрона другим выходом подключен источник питания. Высоковольтный выпрямитель одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки, а другим - с катодом тиратрона.

К недостаткам данного устройства относится проблематичность измерения электрических характеристик импульса возбуждения на газоразрядной трубке и, соответственно, оптимизации параметров накачки активной среды лазера, а также недостаточная электробезопасность, что требует дополнительных мер при настройке и юстировке лазера. Недостатки обусловлены тем, что газоразрядная трубка и анод тиратрона находятся под потенциалом высоковольтного выпрямителя.

Техническим результатом изобретения является:

- облегчение измерения электрических характеристик импульса возбуждения на газоразрядной трубке и, соответственно, оптимизации параметров накачки активной среды лазера;

- повышение электробезопасности.

Технический результат достигается тем, что импульсно-периодический лазер на парах химических элементов, содержащий помещенную в резонатор газоразрядную трубку, высоковольтный выпрямитель, дроссель резонансной зарядки, зарядный диод, накопительную емкость, тиратрон, генератор, проходную емкость, источник отрицательного смещения, источник питания, при этом высоковольтный выпрямитель одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки, генератор своим выходом электрически связан через проходную емкость с управляющим электродом - сеткой тиратрона, к управляющему электроду - сетке тиратрона подключен источник отрицательного смещения, высоковольтный выпрямитель другим своим выходом связан с накопительной емкостью, второй конец которой соединен через зарядный диод с выходом дросселя резонансной зарядки, а второй - общий выход генератора подключен к катоду тиратрона, анод тиратрона электрически связан с накопительной емкостью и зарядным диодом, а катод тиратрона с анодом газоразрядной трубки также содержит развязывающий фильтр и две дополнительные емкости, при этом развязывающий фильтр выполнен в виде двух индуктивностей, одна из которых соединена одним концом с катодом тиратрона, а вторым через дополнительную емкость с заземленным катодом газоразрядной трубки, выходом высоковольтного выпрямителя и накопительной емкостью, а вторая индуктивность одним концом соединена с генератором водорода тиратрона и подогревателем катода тиратрона, а вторым концом через свою дополнительную емкость с заземленным катодом газоразрядной трубки, общий выход источника отрицательного смещения подключен к катоду тиратрона через индуктивность развязывающего фильтра, а источник питания своими выходами подключен к индуктивностям развязывающего фильтра со стороны дополнительных емкостей или содержит развязывающий фильтр и одну дополнительную емкость, при этом развязывающий фильтр выполнен в виде двух индуктивностей со встречной намоткой на ферритовом сердечнике, одна из которых соединена одним концом с катодом тиратрона, а вторым - с заземленным катодом газоразрядной трубки, выходом высоковольтного выпрямителя и накопительной емкостью, а вторая индуктивность одним концом соединена с генератором водорода тиратрона и подогревателем катода тиратрона, а вторым концом через свою дополнительную емкость с заземленным катодом газоразрядной трубки, общий выход источника отрицательного смещения заземлен, источник питания одним выходом заземлен, а вторым - подключен к генератору водорода тиратрона и подогревателю катода тиратрона через индуктивность развязывающего фильтра со стороны дополнительной емкости.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами. На Фиг.1 приведена блок-схема заявляемого устройства с развязывающим фильтром и двумя дополнительными емкостями, где 1 - высоковольтный выпрямитель; 2 - дроссель резонансной зарядки; 3 - зарядный диод; 4 - тиратрон; 5 - накопительная емкость; 6 - резонатор; 7 - газоразрядная трубка; 8 - индуктивность развязывающего фильтра; 9 - индуктивность развязывающего фильтра; 10 - дополнительная емкость; 11 - дополнительная емкость; 12 - проходная емкость; 13 - генератор; 14 - источник отрицательного смещения; 15 - источник питания. На Фиг.2 приведена блок-схема заявляемого устройства с развязывающим фильтром, выполненным в виде двух индуктивностей со встречной намоткой на ферритовом сердечнике, и одной дополнительной емкостью, где 1 - высоковольтный выпрямитель; 2 - дроссель резонансной зарядки; 3 - зарядный диод; 4 - тиратрон; 5 - накопительная емкость; 6 - резонатор; 7 - газоразрядная трубка; 8 - индуктивность развязывающего фильтра; 9 - индуктивность развязывающего фильтра; 11 - дополнительная емкость; 12 - проходная емкость; 13 - генератор; 14 - источник отрицательного смещения; 15 - источник питания.

В импульсно-периодических лазерах на парах химических элементов тиратроны с водородным наполнением используют в качестве коммутаторов. Катоды современных тиратронов выполняются термоэмиссионными. Для обеспечения работоспособности тиратрона необходимо разогреть катод тиратрона до рабочей температуры и обеспечить рабочее давление водорода в тиратроне. С этой целью к соответствующим электродам тиратрона (генератору водорода тиратрона и подогревателю катода тиратрона, катоду тиратрона) подключают источник питания постоянного или переменного напряжения с номинальным рабочим напряжением ˜6,3 В. Чтобы источник питания находился под собственным потенциалом, как в вышеприведенных известных технических решениях, в импульсных схемах используют заземление катода тиратрона.

В предлагаемом устройстве осуществлена развязка источника питания от высоковольтных импульсов возбуждения с помощью развязывающего фильтра и дополнительно введенных емкостей. При этом тиратрон находится под высоковольтным потенциалом, а катод газоразрядной трубки заземлен, что и позволяет осуществлять измерение электрических характеристик возбуждения активной среды в газоразрядной трубке относительно заземленного электрода и осуществлять юстировку лазера также со стороны заземленного электрода.

Расчеты и экспериментальные исследования показали, что при напряжении на высоковольтном выпрямителе 1 около 6 кВ, величине накопительной емкости 5 около 3 нФ, индуктивностях 8 и 9 около 100 мкГн на дополнительных емкостях 10 и 11 наблюдаются импульсы напряжения амплитудой порядка 150 В при амплитуде напряжения импульса возбуждения 7-8 кВ. Импульсы напряжения амплитудой порядка 150 В на дополнительных емкостях 10 и 11 существенно меньше, чем допускает изоляционная прочность между первичной и вторичной обмотками понижающего трансформатора, используемого в лазерах в качестве источника питания 15. С другой стороны, если развязывающий фильтр выполнить в виде двух индуктивностей 8 и 9 величиной около 100 мкГн со встречной намоткой на ферритовом сердечнике, например, на ферритовом кольце, то за счет взаимоиндукции в обмотках достигается полная развязка источника питания 15 от потенциала импульса возбуждения активной среды. В этом случае для осуществления работоспособности тиратрона 4 достаточно использовать одну дополнительную емкость 11, как показано на Фиг.2.

Достижение технического результата в предлагаемом устройстве осуществляется за счет того, что за время действия импульса возбуждения индуктивности 8 и 9 развязывающего фильтра оказывают высокое реактивное сопротивление заряду дополнительных емкостей 10 и 11 от импульса возбуждения. В этом случае импульсное напряжение, реализуемое на выходе источника питания 15, существенно ниже его изоляционной прочности, что и позволяет осуществлять развязку источника питания 15 от потенциала импульса возбуждения.

Заявляемое устройство содержит (см. Фиг.1): 1 - высоковольтный выпрямитель, 2 - дроссель резонансной зарядки, 3 - зарядный диод, 4 - тиратрон, 5 - накопительная емкость, 6 - резонатор, 7 - газоразрядная трубка, 8 - индуктивность развязывающего фильтра, 9 - индуктивность развязывающего фильтра, 10 - дополнительная емкость, 11 - дополнительная емкость, 12 - проходная емкость, 13 - генератор, 14 - источник отрицательного смещения, 15 - источник питания.

Газоразрядная трубка 7 помещена в резонатор 6. Высоковольтный выпрямитель 1 одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки 2, а другим с накопительной емкостью 5, второй конец накопительной емкости 5 соединен через зарядный диод 3 с выходом дросселя резонансной зарядки 2. Выход генератора 13 подключен через проходную емкость 12 к управляющему электроду - сетке тиратрона 4, а второй - общий выход подключен к катоду тиратрона 4. К управляющему электроду - сетке тиратрона 4 подключен своим выходом источник отрицательного смещения 14, общий выход которого подключен к катоду тиратрона 4 через индуктивность развязывающего фильтра 8. Индуктивность развязывающего фильтра 8 соединена одним концом с катодом тиратрона 4, а вторым через дополнительную емкость 10 с катодом газоразрядной трубки 7, выходом высоковольтного выпрямителя 1 и накопительной емкостью 5. Индуктивность развязывающего фильтра 9 одним концом соединена с генератором водорода тиратрона 4 и подогревателем катода тиратрона 4, а вторым концом через свою дополнительную емкость 11 с катодом газоразрядной трубки 7. Анод тиратрона 4 электрически связан с накопительной емкостью 5 и зарядным диодом 3, а катод тиратрона 4 с анодом газоразрядной трубки 7, катод которой заземлен. Источник питания своими выходами подключен к индуктивностям 8 и 9 развязывающего фильтра между дополнительными емкостями 10 и 11.

Либо заявляемое устройство содержит (см. Фиг.2): 1 - высоковольтный выпрямитель, 2 - дроссель резонансной зарядки, 3 - зарядный диод, 4 - тиратрон, 5 - накопительная емкость, 6 - резонатор, 7 - газоразрядная трубка, 8 - индуктивность развязывающего фильтра, 9 - индуктивность развязывающего фильтра, 11 - дополнительная емкость, 12 - проходная емкость, 13 - генератор, 14 - источник отрицательного смещения, 15 - источник питания.

В этом случае конструктивные элементы связаны следующим образом. Газоразрядная трубка 7 помещена в резонатор 6. Высоковольтный выпрямитель 1 одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки 2, а другим с накопительной емкостью 5, второй конец накопительной емкости 5 соединен через зарядный диод 3 с выходом дросселя резонансной зарядки 2. Выход генератора 13 подключен через проходную емкость 12 к управляющему электроду - сетке тиратрона 4, а второй - общий выход подключен к катоду тиратрона 4. К управляющему электроду - сетке тиратрона 4 подключен своим выходом источник отрицательного смещения 14, общий выход которого заземлен. Индуктивность развязывающего фильтра 8 соединена одним концом с катодом тиратрона 4, а вторым с катодом газоразрядной трубки 7, выходом высоковольтного выпрямителя 1 и накопительной емкостью 5. Индуктивность развязывающего фильтра 9 одним концом соединена с генератором водорода тиратрона и подогревателем катода тиратрона 4, а вторым концом через свою дополнительную емкость 11 с катодом газоразрядной трубки 7, катод которой заземлен. Анод тиратрона 4 электрически связан с накопительной емкостью 5 и зарядным диодом 3, а катод тиратрона 4 с анодом газоразрядной трубки 7. Источник питания одним выходом подключен к индуктивности 9 развязывающего фильтра между дополнительной емкостью 11, а другим выходом - заземлен.

Для реализации блок-схем заявляемого устройства (Фиг.1, 2) были использованы: высоковольтный выпрямитель 1 с напряжением на выходе до 6 кВ, дроссель резонансной зарядки 2 с величиной индуктивности 0,3 Гн, в качестве зарядного диода 3 - 30 последовательно включенных диодов КД226Д, тиратрон 4 - ТГИ 1 - 1000/25, накопительная емкость 5 конденсатор КВИЗ-3,3 нФ, газоразрядная трубка 7 - ГЛ-201, индуктивности развязывающего фильтра 8 и 9 по величине составляющие 100 мкГн, в случае реализации блок-схемы, представленной Фиг.2, эти индуктивности были намотаны на ферритовом кольце диаметром 120 мм, дополнительные емкости 10 и 11 по величине составляющие 0,1 мкФ типа К78-2, проходная емкость 12 величиной порядка 0,01 мкФ типа К78-2, генератор 13, состоящий из накопительного конденсатора, транзистора КП810А и импульсного трансформатора, источник отрицательного смещения 14 - на 300 В, подключенный к управляющему электроду - сетке тиратрона через сопротивление 15 кОм, в качестве источника питания 15 - трансформатор ТН61-200/50.

Импульсно-периодический лазер на парах химических элементов работает следующим образом. Высоковольтный выпрямитель 1 осуществляет заряд накопительной емкости 5 через дроссель резонансной зарядки 2 и зарядный диод 3. После заряда накопительной емкости 5 с генератора 13 через проходную емкость 12 поступает импульс запуска на управляющий электрод - сетку тиратрона 4. Импульс запуска с генератора 13 формируется за счет разряда накопительного конденсатора в генераторе 13 транзистором КП810А через первичную обмотку импульсного трансформатора, а вторичная обмотка импульсного трансформатора подключена к управляющему электроду - сетке тиратрона 4 через проходную емкость 12. При этом тиратрон открывается и происходит разряд накопительной емкости 5 через тиратрон 4 на газоразрядную трубку 7. Затем данный цикл повторяется с периодичностью, равной периоду следования импульсов запуска с генератора 13. Импульсно-периодическая последовательность диссипации энергии в активной среде лазера, запасаемой в накопительной емкости 5, приводит к разогреву активной среды до рабочей температуры с одновременным возбуждением атомов активной среды, что обеспечивает формирование инверсии в активной среде с последующим излучением импульса генерации. Источник отрицательного смещения 14 запирает тиратрон 4 после разряда накопительной емкости 5. Проходная емкость 12 создает гальваническую развязку между генератором 13 и источником отрицательного смещения 14. Источник питания 15 с номинальным напряжением ˜6,3 В обеспечивает работоспособность тиратрона 4. Развязывающий фильтр, состоящий из двух индуктивностей 8 и 9 и дополнительных емкостей 10 и 11 или состоящий из двух индуктивностей 8 и 9 со встречной намоткой на ферритовом сердечнике, например на ферритовом кольце, и дополнительной емкости 11 осуществляет развязку источника питания 15 от потенциала импульса возбуждения активной среды лазера. Осуществление развязки источника питания 15 от потенциала импульса возбуждения активной среды позволяет изменить последовательность связи тиратрона 4 и газоразрядной трубки 7, обеспечивая возможность заземления катода газоразрядной трубки 7.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании импульсно-периодических лазеров на парах химических элементов. Лазер содержит газоразрядную трубку, высоковольтный выпрямитель, дроссель резонансной зарядки, зарядный диод, накопительную емкость, тиратрон, генератор, проходную емкость, источник отрицательного смещения, источник питания. Газоразрядная трубка помещена в резонатор. Высоковольтный выпрямитель одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки. Генератор выходом электрически связан через проходную емкость с управляющим электродом - сеткой тиратрона. К управляющему электроду подключен источник отрицательного смещения. Высоковольтный выпрямитель другим своим выходом связан с накопительной емкостью. Второй конец накопительной емкости соединен через зарядный диод с выходом дросселя резонансной зарядки. Общий выход генератора подключен к катоду тиратрона. Анод тиратрона электрически связан с накопительной емкостью и зарядным диодом. Катод тиратрона связан с анодом газоразрядной трубки. Катод тиратрона содержит развязывающий фильтр и две дополнительные емкости. Развязывающий фильтр выполнен в виде двух индуктивностей. Общий выход источника отрицательного смещения подключен к катоду тиратрона. Источник питания своими выходами подключен к индуктивностям развязывающего фильтра со стороны дополнительных емкостей. Развязывающий фильтр выполнен в виде двух индуктивностей со встречной намоткой на ферритовом сердечнике. Технический результат - облегчение измерения электрических характеристик импульса возбуждения на газоразрядной трубке, оптимизация параметров накачки активной среды лазера и повышение электробезопасности. 2 ил.

Импульсно-периодический лазер на парах химических элементов, содержащий помещенную в резонатор газоразрядную трубку, высоковольтный выпрямитель, дроссель резонансной зарядки, зарядный диод, накопительную емкость, тиратрон, генератор, проходную емкость, источник отрицательного смещения, источник питания, при этом высоковольтный выпрямитель одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки, генератор своим выходом электрически связан через проходную емкость с управляющим электродом - сеткой тиратрона, к управляющему электроду - сетке тиратрона подключен источник отрицательного смещения, отличающийся тем, что высоковольтный выпрямитель другим своим выходом связан с накопительной емкостью, второй конец которой соединен через зарядный диод с выходом дросселя резонансной зарядки, а второй, общий, выход генератора подключен к катоду тиратрона, анод тиратрона электрически связан с накопительной емкостью и зарядным диодом, а катод тиратрона с анодом газоразрядной трубки, а также содержит развязывающий фильтр и две дополнительные емкости, при этом развязывающий фильтр выполнен в виде двух индуктивностей, одна из которых соединена одним концом с катодом тиратрона, а вторым через дополнительную емкость с заземленным катодом газоразрядной трубки, выходом высоковольтного выпрямителя и накопительной емкостью, а вторая индуктивность одним концом соединена с генератором водорода тиратрона и подогревателем катода тиратрона, а вторым концом через свою дополнительную емкость с заземленным катодом газоразрядной трубки, общий выход источника отрицательного смещения подключен к катоду тиратрона через индуктивность развязывающего фильтра, а источник питания своими выходами подключен к индуктивностям развязывающего фильтра со стороны дополнительных емкостей или содержит развязывающий фильтр и одну дополнительную емкость, при этом развязывающий фильтр выполнен в виде двух индуктивностей со встречной намоткой на ферритовом сердечнике, одна из которых соединена одним концом с катодом тиратрона, а вторым - с заземленным катодом газоразрядной трубки, выходом высоковольтного выпрямителя и накопительной емкостью, а вторая индуктивность одним концом соединена с генератором водорода тиратрона и подогревателем катода тиратрона, а вторым концом через свою дополнительную емкость с заземленным катодом газоразрядной трубки, общий выход источника отрицательного смещения заземлен, источник питания одним выходом заземлен, а вторым подключен к генератору водорода тиратрона и подогревателю катода тиратрона через индуктивность развязывающего фильтра со стороны дополнительной емкости.