Импульсный лазер на парах металлов (его варианты) Советский патент 1992 года по МПК H01S3/134 

Илобрегенме относится к области кванггм ой электроники и может быть использо0 л и о при создании стабильных по МО1.ЦНОСТИ иг:1пульсных саморазогревных лазерор на парах металлов.

Известе. импульсный лазер на парах металло.в, содержащий разрядную трубку с электродами, накопительный конденсатор, подключенный к источнику питания, коммутатор и импульсный трансформатор, вторичная обмотка которого подсоединена к электродам разрядной трубки.

Недостагкам известного устройства являются нестабильность MoaiHOCTH излучения и невозможно.ть дальнейшего повышен и я величины, мощности. Первый недостаток является следствием того, что нет обратной связи м-ежду мощностью накачки и концентрацией паров металла в активной зоне лазера. Отсутствие обратной связи приводит к тому, что при увеличении (снижении) концентрации паров металла в активной зоне мощности накачки не снижается (увеличивается). Поэтому относительная нестабильность моа1ноСти и излучения в процессе работы лазера .может достигать 100%. Второй недостаток связан с ограниченностью частоты срабатывания одного коммутатора.

Известен импульсный лазер на парах металла, который по своей технической сущности наиболее близок к изобретению. Лазер содержит разрядную трубку с электродами, накопительный конденсатор, подключенный к источнику питания, коммутатор и катущку индуктивности, расположенную коаксиально с трубкой.

Преимущество этого устройства перед аналогом заключается в том, что в нем имеется обратная связь между концентрацией паров рабочего вещества и мощностью накачки, что позволяет уменьщить нестабильность мощности излучения до +5%.

Недостатки изв.естного устройства заключаются в невозможности дальнейщего ПОВ11шения мощности и стабильности излученмя.

Эти недостатки вызваны тем, что используется один коммутатор, подключенный последовательно с активным элементом, а также тем-, что изменение индуктивности катущки, расположенной коаксиально с трубкой, при изменении концентрации паров металла слабо влияет на разрядный ток.-т.е. на мощность накачки, поскольку обратная связь осуществляется через изменение скорости перезарядки накопительного конденсатора. При большой величине накопительного конденсатора, что необходимо для получения высокой

мощности излучения, скорость перезарядки при изменении индуктивности катушки изменяется незначительно.

Целью изобретения является повышение мощности и стабильности излучения лазера.

Указанная цель достигается тем (первый вариант изобретения), что в импульсный лазер на парах элементов, содержащий разрядную трубку с электродами, накопительный конденсатор, подключенный к источнику питания, коммутатор и катушку индуктивности, расположенную коаксиально с разрядной трубкой, введены второй коммутатор и импульсный трансформатор, катушка индуктивности выполнена в виде двух секций, каждая секция включена между одним из коммутаторов и одним из крайних выводов первичной обмотки трансформатора, средняя точка которой подключена к накопительному конденсатору, при этом вторичная обмотка трансформатора соединена с электродами трубки, а величина индуктивности каждой секции катушки составляет 0,,1 от индуктивности первичной обмотки трансформатора.

Во втором варианте изобретения в импульсный лазер на парах металлов, содержащий разрядную, трубку с электродами, накопительный конденсатор, подключенный к источнику питания, коммутатор и катушку индуктивности, расположенную коаксиально с разрядной трубкой, введены второй коммутатор и импульсный трансформатор, крайние выводы первичной обмотки трансформатора соединены с коммутаторами, а ее средняя точка подключена через катушку индуктив1ности к накопительному конденсатору, при этом вторичная обмотка трансформатора соединена с электродами трубки, а величина индуктивности катушки составляет 0,01-0,1 от индуктивности первичной обмотки трансформатора.

В третьем варианте изобретения в импульсный лазер, содержащий разрядную трубку с электродами, накопительный конденсатор, подключенный к источнику питания, коммутатор и катушку индуктивности, расположенную коаксиально с разрядной трубкой, введены второй коммутатор, импульсный трансформатор и обострительный конденсатор, катушка индуктивности выполнена в виде двух секций, каждая секция включена между одним из электродов и одним из выводов вторичной обмотки трансформатора, крайние выводы первичной обмотки трансформатора соединены с коммутаторами, а средняя точка этой обмотки подключена к накопительному конденсатору, при этом обостритеяьный конденсатор

подключен к электродам трубки, а величина индуктивности каждой из секций катушки составляет 0.01-0.05 от индукти.вности вторичной обмотки трансформатора.

На фиг. 1 изображен первый вариант конструкции лазера: на фиг. 2 - второй вариант; на фиг. 3 третий вариант конструкции.

Импульсный лазер согласно первому варианту изобретения включает разрядную трубку 1 активного элемента, в которой расположены электроды 2. подсоединенные к вторичной обмотке импульсного трансформатора 3 и ампулы с рабочим веществом 4. Разрядная трубка 1 расположена в оптическом резонаторе, образованном зеркалами 5, секции катушки индуктивности 6 размещены коаксиально с разрядной трубкой между электродами 2 и подключены последовательно с первичной обмоткой импульсного трансформатора 3 и коммутаторами 7 и 8, К средней точке первичной обмотки трансформатора подключен накопительный конденсатор 9, соединенный с источником постоянного напряжения.

Величина каждой секции катушки индуктивности 6 выбирается в пределах от 0.01 до 0,1 индуктивности первичной обмотки трансформатора.

При меньшей величине этих индуктивностей падение напряжения на них практически не оказывает влияния на величину разрядного тока.

При большей их величине падение напряжения на них становится настолько большим, что снижает мощность лазера более чем на 10%, так как уменьшается напряжение, прикладываемое к электродам 2.

Работа лазера, выполненного по первому варианту, происходит следующим образом.

Накопительный конденсатор заряжается от источника постоянного напряжения до определенной величины, после чего срабатывает один из коммутаторов. Конденсатор 9 разряжается одно из плеч первичной обмотки импульсного трансформатора. 3, одну из катуЩек индуктивности 6 и сработавший коммутатор 7 или 8. Во вторичной обмотке импульсного трансформатора возникает высокое напряжение (20 кВ), которое прикладывается к электродам 2 и приводит к зажиганию разряда в трубке 1.

Коммутаторы 7 и 8 срабатывают поочередно. Применение двух коммутаторов, соединенных через импульсный трансформатор, позволяет увеличить импульсный разрядный ток и повысить частоту срабатывания лазера, а следовательно, повысить

импульсную и среднюю мощногль излучения лазера.

После разогрева активной зоны до рабочей температуры в ней появляются плры рабочего вещества и возникает генерации излучения.

Перегрев активной зоны, например,изза изменения условий охлаждения, вызывает увеличение концентрации паров металла

0 в ней (между электродами 2), что эквивалентно вне:;ению металлического сердечника в катушке индуктивности 6. В результате увеличивается их индуктивность и. следовательно, индуктивное сопротивление.

5При этом происходит перераспределение напряжения в цепи разряда конденсатора 9, заключающееся в том. что на секции катушек б падение напряжения возрастает, а на первичной обмотке трансформатора 3

0 оно снижается. На вторичной обмотке трансформатора напряжение также снижается, а следовательно, уменьшается и разрядный ток в активном элементе. В результате этого уменьшается и мощность

5 накачки, что прекращает рост температуры активной зоны. При этом концентрация паров рабочего вещества также перестает возрастать. Этот ,троцесс в сочетании с уменьшениемразрядного тока приводит к

0 прекращению роста мощности излучения или ее снижению, т.е. мощность излучения лазера стабилизируется.

При уменьшении температуры активной зоны происходит уменьшение концент5 рации паров металла и снижение индуктивности катушек 6. Перераспределение напряжения между первичной обмоткой трансформатора 3 и катушкой б приводит к увеличению разрядного тока и

0 дополнительному подогреву активной зоны и. следовательно, увеличению концентрации паров металла и мощности излучения

Таким образом, появляется обратная связь между концентрацией паров металлг

5 в активной зоне и мощностью накачки, что позволяет осуществлять стабилизацию TQMпературы активной зоны в заданном диапазоне подбором величины индуктивности катушки 6.

0Второй вариант лазера по изобрет(нию

включает те же элементы, что и первый (фиг. 2). Отличие заключается в том. что в нем используется катушка индуктивности б.-размещенная коаксиально с разрядной труб5 кой 1 и подключенная между средней точкой первичной обмотки импульсного трансформатора 3 и накопительным конденсатором

Величина индуктивности катушки б выбирается также в пределах от 0.01 до О 1

т11пи()СП-1 первичной обмгпки импульriHiio трансформатора Тр. Это объясняется ОМ. ПО во ртором варианте индуктивность

6работает попеременно с каждым.плечом первичной обмотки трансформатора.

Работа лазера, выполненного по второму варианту, аналогична работе лазера, выполненного по первому вариант /. Различие заключается в том. что накопительный конденсатор 9 при срабатывании коммутаторов

7и 8 всегда разряжается через индуктивность б и попеременно через одно из плеч первичной обмотки трансформатора Тр.

Появление паров металла в активной зоне также вызывает изменение величины индуктивности катушки 6. При этом происходит перераспределение напряжения в цепи разряда накопительного конденсатора 9, в результате которого при перегреве активной зоны мощность накачки снижается, а при недогреве возрастает. Следовательно, появляется обратная связь между мощность накачки и концентрацией паров металлов в активной зоне лазера. Как и в первом варианте, это позволяет осуществить эффе.ктивную стабилизацию температуры активной зоны лазера, а следовательно, стабилизацию мощности его излучения.

В лазере, выполненном согласно третьему варианту, коаксиально с разрядной трубкой 1 снаружи трубки расположены секции катушки индуктивности 6, подсоединенные к вторичной обмотке импульсного трансформатора ,3 последовательно с разрядным промежутком. Секции катушки индуктивности б соединены между собой через подключенный параллельно разрядному промежутку обострительный конденсатор 10, Первичная обмотка импульсного трансформатора 3 подключена к анодам коммутаторов 7 и 8, а средняя точка первичной обмотки - к накопительному конденсатору 9, соединенному с источником постоянного напряжения.

Б;еличина индуктивности катушки 6 выб.рается в пределах от 0,01 до 0,05 индуктивности вторичной обмотки трансфopv aтopa, При меньшей величине индуктивчостей этих катушек они не оказывают влияния на процессы в разря.дной трубке,

При большей их величине импульсный разрядный ток не достигает нужной.величины, так как обострительный конденсатор 10 не успевает полностью зарядиться через них к приходу последующего импульса, Работа лазера, выполненного по третьему варианту, происходит следующим образом.

Конденсатор 9 заряжается до определенной величины, после чего срабатывает один из коммутаторов и по одному из плеч

первичной обмотки импульсного трансформатора 3 происходит разряд конденсатора 9. Во вторичной обмотке . импульсного трансформатора при этом возникает высокое напряжение.

При этом емкость 10 начинает заряжаться через секцию катушки индуктивности 6. После достижения напряжения на емкости 10 необходимой величины зажигается разряд между электродами 2, и емкость 10 разряжается через промежуток.

В процессе работы лазера происходит разогрев активной зоны до рабочей температуры и в ней появляются пары рабочего вещества и создаются условия для генерации излучения.

Перегрев активной зоны сопровождается увеличением концентрации паров металла в ней, что вызывает увеличение индуктивностей катушки 6, При этом скорость заряда емкости 10 уменьшается и к моменту возникновения разряда в активной зоне она зарядится неполностью. Это приводит к уменьшению разрядного тока, т.е, мощности накачки, а следовательно, снижению температуры активной зоны и концентрации паров металла. Все это приведет к прекращению роста мощности лазера.

При уменьшении температуры активной зоны происходит уменьшение концентрации паров металла, вызывающее уменьшение индуктивностей катушки б.

При этом емкость 10 успевает зарядиться до большей величины и разряд происходит при больших токах. Это прекращает снижение температуры активной зоны и, следовательно, мощности излучения.

Таким образом в этом случае также создается обратная связь между концентрацией паров металла в активной зоне и мощностью накачки, позволяющая осуществить стабилизацию температуры активной зоны.

Катушки ин..цуктивности 6 в данном случае являются также поджигающими электродами, позволяющими зажигать разряд при 1зысоких давлениях.

Третий вариант предлагаемого импульсного лазера может быть использован при больших давлёниях-буферного газа в активном элементе с активной зоной, длина которого превышает 300-350 мм. В этом случае катушка индуктивности позволяет понизить напряжение зажигания разряда в лазере до приемлемой величины (10 кВ),

Первый вариант импульрного лазера может быть использовано также для длинных разрядных трубок с длиной активной зоны, превышающей 300-350 мм. При такой длине активной зоны концентрация паров

металла в различнь1х местах ее может существенно различдпься. В этом случае две секции катушки дают более точную информацию о средней концентрации паров в активной зоне, чем одна секция катушки.

При меньшей длине активной зоны (для малогабаритных импульсных лазеров) возможно применение второго варианта лазера. Использование одной секции катушки индуктивности упрощает схему питания и облегчает балансировку плеч импульсного трансформатора.

Подключение Kaiyiii 11мдуьЧ ости (одна или две секции), расгю/южеиной коаксиально с разрядной ipyfiKoCi на активной зоне, в первичную или вторччную обмотки импульсного трансформатора, позволяющего получить большие разрядные токи, дзет возможность непосредственно воздействовать на токи разряда при изменении концентрации паров металла в активной (рабочей) зоне трубки, это позволяет повысить эффективность обратной связи, а также мощность и стабильность излучения лазера.

rh .И