Устройство накачки лазера Российский патент 2024 года по МПК H01S3/91 H01S5/04 

Изобретение относится к технике формирования импульсов тока, в частности к устройствам питания импульсных газонаполненных ламп накачки твердотельных лазеров с разрядом через лампу накопительного конденсатора.

Известно [1] устройство накачки твердотельного лазера с помощью импульсной лампы накачки, через которую производится разряд накопительного конденсатора путем пробоя разрядного промежутка лампы и пропускания через лампу разрядного импульса тока заданной длительности Т, определяемой емкостью накопительного конденсатора и индуктивностью дросселя в разрядном контуре. Подобные схемы обладают большими потерями энергии в контуре, поскольку ток через лампу в процессе разряда меняется в широких пределах и значительную часть времени отличается от оптимального значения, при котором полезная светоотдача лампы максимальна. Это особенно заметно при формировании импульсов тока длительностью 1 мс и более, требуемой, например, для накачки лазеров на стекле с эрбием, работающих в безопасном диапазоне длин волн. Кроме того, такие схемы обладают значительными габаритами из-за большой индуктивности дросселя.

Известно устройство накачки лазера, выполненное в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, транзисторного ключа со схемой управления, дросселя и газонаполненной лампы [2].

В указанном источнике управляющий вход ключа со схемой управления находятся под высоким напряжением накопительного конденсатора. Это приводит к необходимости использования высоковольтных элементов, а следовательно, удорожанию устройства и увеличению его габаритов. Кроме того, ухудшаются быстродействие схемы и токопотребление, так как для переключения высоковольтных напряжений затрачивается дополнительная энергия и время на перезаряд емкостей схемы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство накачки лазера, выполненное в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, газонаполненной лампы, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпфирующего диода, включенного параллельно дросселю и лампе, дроссель и лампа с демпфирующим диодом включены между выводом транзисторного ключа и высоковольтным электродом накопительного конденсатора, а схема управления выполнена в виде формирователя управляющего импульса фиксированной длительности и содержит пороговое устройство, связанное по своему сигнальному входу с датчиком тока, а по выходу с импульсным формирователем, подключенным ко входу транзисторного ключа [3].

Режим формирования тока в этом устройстве должен быть оптимальным по коэффициенту полезного действия лазера. Однако разброс характеристик элементов в широком диапазоне условий эксплуатации не гарантирует выполнения этого условия.

Задачей изобретения является повышение эффективности накачки.

Эта задача решается за счет того, что в известном устройстве накачки лазера, выполненном в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, газонаполненной лампы, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпфирующего диода, включенного параллельно дросселю и лампе, дроссель и лампа с демпфирующим диодом включены между выводом транзисторного ключа и высоковольтным электродом накопительного конденсатора, а схема управления содержит пороговое устройство, связанное по своему сигнальному входу с датчиком тока, а по выходу с импульсным формирователем, подключенным ко входу транзисторного ключа, введен фотоприемник с нагрузкой и схемой смещения, причем, чувствительный элемент фотоприемника находится в поле излучения лампы, а нагрузка фотоприемника связана с управляющим входом порогового устройства.

На фиг. 1 представлена схема устройства накачки лазера.

Устройство состоит из последовательно включенных накопительного конденсатора 1, дросселя 2, импульсной газонаполненной лампы 3, транзисторного ключа 4 со схемой управления 5 и датчика тока обратной связи - сопротивления 6. Цепь дроссель - лампа зашунтирована демпфирующим диодом 7. Схема управления (фиг. 2) состоит из порогового устройства 8 и импульсного формирователя 9. Выход импульсного формирователя подключен к управляющему входу транзисторного ключа 4. В потоке излучения лампы установлен фотоприемник 10 с нагрузкой 11 источником смещения 12. Заряд накопительного конденсатора осуществляется от внешнего источника 13.

В исходном состоянии накопительный конденсатор 1 заряжен до номинального напряжения. Транзисторный ключ 4 закрыт.После его открывания по команде «пуск» и пробоя разрядного промежутка лампы конденсатор 1 начинает разряжаться в разрядном контуре. После пробоя разрядного промежутка ток через лампу постепенно нарастает со скоростью, определяемой емкостью накопительного конденсатора 1 и индуктивностью дросселя 2. Падение напряжения на датчике тока 6 пропорционально протекающему через него току. Как только ток достигнет верхней границы I_max заданного номинального интервала, падение напряжения на датчике 6 вызывает срабатывание порогового устройства 8, и формирователь 9 формирует управляющий импульс заданной длительности, подаваемый на вход транзисторного ключа 4 и запирающий ключ. При закрытом ключе 4 ток через лампу поддерживается по малому контуру дроссель - лампа -демпфирующий диод за счет энергии, накопленной в дросселе. Этот ток убывает экспоненциально с постоянной времени τ_L=L/R_L, где R_L - суммарное сопротивление лампы и демпфирующего диода.

В течение управляющего импульса ток через лампу, поддерживаемый за счет энергии, накопленной в дросселе, снижается до нижней границы I_min заданного номинального интервала. По окончании управляющего импульса схема управления снова открывает ключ 4. После этого демпферный диод запирается обратным напряжением, восстанавливается контур разряда конденсатора 1, питание лампы вновь осуществляется за счет энергии, содержащейся в накопительном конденсаторе, и ток через лампу растет, пока не достигнет верхней границы. Одновременно увеличивается энергия, запасенная дросселем. Описанный процесс многократно повторяется до тех пор, когда будет исчерпан заряд накопительного конденсатора. После этого импульс тока через лампу прекращается.

Описанный процесс управления током через лампу осуществляется параметрически, не учитывая физических процессов, сопровождающий горение лампы и процесс накачки активного элемента. Согласно данному техническому решению, управление режимом накачки осуществляется по яркости горения лампы, контролируемой фотоприемником 10, сигнал с нагрузки которого используется для корректировки режима порогового устройства путем поддержания порога на уровне, соответствующем значению тока I_max, обеспечивающем оптимальный режим горения лампы. Если вследствие релаксационных процессов возбуждения активного элемента его накачку целесообразно проводить в нестационарном режиме [4], то предлагаемое изобретение обеспечивает такую возможность для разных активных элементов и разных режимов накачки.

При указанном построении источника накачки в контуре постоянно поддерживается ток оптимальной интенсивности, обеспечивая решение поставленной задачи, а именно повышение эффективности накачки.

Источники информации

1. Лазерный прибор разведки ЛПР-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

2. В.В. Тогатов, П.А. Гнатюк. Высокочастотный разрядный модуль для питания ламп накачки твердотельных лазеров. «Приборы и техника эксперимента». №5, 2003 г., с. 89-95.

3. Генератор импульсов тока. Патент РФ на изобретение №2494532 по заявке №2012147412 от 08.11.2012 г. - прототип.

4. Способ оптической накачки лазера. Патент РФ на изобретение №2494533 по заявке №2012147414 от 08.11.2012 г.

Изобретение относится к области техники формирования импульсов тока, в частности к устройствам питания импульсных газонаполненных ламп накачки твердотельных лазеров с разрядом накопительного конденсатора через лампу. Технический результат изобретения состоит в повышении эффективности накачки за счет поддержания тока оптимальной интенсивности. Для этого устройство накачки лазера выполнено в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, газонаполненной лампы, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпфирующего диода, включенного параллельно дросселю и лампе. При этом дроссель и лампа с демпфирующим диодом включены между выводом транзисторного ключа и высоковольтным электродом накопительного конденсатора, схема управления содержит пороговое устройство, связанное по своему сигнальному входу с датчиком тока, а по выходу с импульсным формирователем, подключенным ко входу транзисторного ключа. Кроме того, в устройство введен фотоприемник с нагрузкой и схемой смещения таким образом, что чувствительный элемент фотоприемника находится в поле излучения лампы, а нагрузка фотоприемника связана с управляющим входом порогового устройства. 2 ил.

Устройство накачки лазера, выполненное в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, газонаполненной лампы, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпфирующего диода, включенного параллельно дросселю и лампе, дроссель и лампа с демпфирующим диодом включены между выводом транзисторного ключа и высоковольтным электродом накопительного конденсатора, а схема управления содержит пороговое устройство, связанное по своему сигнальному входу с датчиком тока, а по выходу с импульсным формирователем, подключенным ко входу транзисторного ключа, отличающееся тем, что введен фотоприемник с нагрузкой и схемой смещения, причем чувствительный элемент фотоприемника находится в поле излучения лампы, а нагрузка фотоприемника связана с управляющим входом порогового устройства.