ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР НА ПАРАХ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ Советский патент 1995 года по МПК H01S3/22 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке газовых лазеров на парах химических веществ.

Целью изобретения является повышение стабильности мощности и обеспечение возможности управления спектром излучения лазера.

На фиг. 1 показано устройство газового лазера на парах химических веществ; на фиг.2 блок-схема устройства датчика суммарного давления; на фиг.3 блок-схема устройства регулирования давления; на фиг.4 структурная схема формирователя управляющих сигналов; на фиг.5 диаграммы напряжений устройства регулировки давления паров рабочих веществ.

Разрядная трубка газового лазера на парах химических веществ представляет собой металлический блок 1 с выполненной в нем продольной катодной полостью 2, ось которой совпадает с оптической осью трубки. Рядом с катодной полостью вдоль нее располагается вторая полость, которая сообщается с катодной полостью продольной щелью и в которой установлен анод 3, имеющий электровыводы 4. Трубка снабжена двумя испарителями 5 и 6 с нагревателями 7 и 8. Испарители включают резервуары 9 и 10, присоединенные непосредственно к трубке, и резервуары 11 и 12, присоединенные соответственно к резервуарам 9 и 10, и содержащие измерительные электроды 13 и 14. В резервуарах 9-12 размещены два рабочих вещества, обладающих различной температурой конденсации, при этом рабочее вещество с более высокой температурой конденсации расположено в резервуарах 9 и 10. Лазер содержит датчик суммарного давления 15, датчик парциального давления 16 и устройство 17 регулирования давления паров.

Перечисленные элементы газового лазера соединены следующим образом. Измерительный электрод 14 испарителя соединен с входом датчика парциального давления 16, выход которого соединен с первым входом датчика суммарного давления 15 и с первым входом устройства 17 регулирования давления паров. Катод разрядной трубки подключен к источнику питания 18 и соединен с вторым входом датчика суммарного давления 15, выход которого соединен с вторым входом устройства 17 регулирования давления паров. Первый выход устройства 17 соединен с нагревателем 7 испарителя 5, а второй с нагревателем 8 испарителя 6.

Датчик суммарного давления 15 (см. фиг.2) содержит соединенные последовательно узел 19 нормирования напряжения и сумматор 20. Причем вход узла нормирования напряжения соединен с катодом разрядной трубки, а его выход с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом датчика парциального давления 16.

Устройство для регулирования давления паров (см. фиг.3) содержит входные блоки 21 и 22, коммутатор 23 аналоговых сигналов, компаратор 24, коммутатор 25 дискретных сигналов, два формирователя 26 и 27 сигналов управления, генератор тактов 28 и распределитель 29.

Блоки устройства для регулировки давления паров соединены следующим образом. Выход коммутатора 23 соединен с компаратором 24, выходы которого через коммутатор 25 подсоединены к первому и второму формирователям управляющих сигналов. Выход генератора тактов 28 соединен с входом распределителя 29, первый выход которого подсоединен к коммутаторам 23 и 25, а второй выход к компаратору 24 и формирователям 26 и 27 сигналов управления.

Структурная схема формирователя сигналов управления одного канала регулирования показана на фиг.4. Устройство содержит реверсивный счетчик 30, цифроаналоговый преобразователь 31, формирователь 32 форсирующих импульсов и сумматор сигналов управления 33. Причем выход реверсивного счетчика 30 соединен с входом цифроаналогового преобразователя 31. Выходы преобразователя 31 и формирователя 32 форсирующих импульсов подсоединены к первому и второму входам сумматора сигналов управления 33.

Газовый лазер на парах химических веществ работает следующим образом.

На катод разрядной трубки для возбуждения и поддержания в ней газового разряда подается стабилизированное постоянное напряжение от источника питания 18. В резервуар 9 испарителя 5 помещается первое рабочее вещество с более высокой температурой конденсации, а в резервуар 12 испарителя 6 второй вещество с меньшей температурой конденсации. Переключатель 34 переводится в положение, показанное на фиг.1, испаритель 5 нагревается до рабочей температуры Т₁, а испаритель 6 до рабочей температуры Т₂, при этом Т₁>Т₂. Для предотвращения конденсации паров рабочих веществ на холодных концевых участках трубки и загрязнения выходных окон между дополнительными анодами 35 и катодом зажигаются дополнительные разряды, препятствующие вылету паров рабочих веществ из рабочей зоны. Второе вещество поступает в рабочую зону заряда полость катода. При этом его давление в полости равно давлению в испарителе 6, поскольку второе вещество не может конденсироваться ни в испарителе 5, ни в концевых участках трубки, и контроль за его давлением осуществляется по напряжению на измерительном электроде 14. Пары первого вещества из резервуара 9 испарителя 5 поступают в рабочую зону разряда полость катода и, пройдя ее, конденсируются в резервуаре 10 испарителя 6. Контроль за его давлением в полости катода осуществляется по показаниям датчика парциального давления 16 и напряжению на катоде трубки. При изменении давления паров второго рабочего вещества изменяется напряжение на измерительном электроде 14 испарителя 6, а также на катоде разрядной трубки. Напряжение с измерительного электрода 14 подается на вход датчика парциального давления 16 паров второго рабочего вещества, где выделяется и усиливается его переменная составляющая, соответствующая полному диапазону изменения давления паров второго рабочего вещества. С выхода датчика 16 напряжение, пропорциональное изменению давления паров второго рабочего вещества, поступает на вход устройства 17, а также на первый вход датчика суммарного давления 15. С катода разрядной трубки напряжение подается на второй вход датчика суммарного давления 15, откуда оно поступает на узел нормирования 19 (см. фиг.2), выполненный на основе дифференциального усилителя, где регулировкой смещения и усиления сигнал нормируется к изменению давления паров второго рабочего вещества так же, как и датчик парциального давления 16. Таким образом, на первом и втором входах сумматора 20 датчика суммарного давления 15 при изменении давления паров второго рабочего вещества напряжения изменяются одинаково, а после их вычитания в сумматоре 20 сигнал на выходе датчика суммарного давления 15 зависит от давления паров первого рабочего вещества. Входные блоки 21 и 22 устройства для регулирования давления выполнены на основе дифференциальных усилителей и вырабатывают сигналы рассогласования, равные разности напряжений, поступающих с датчиков 15 или 16, и опорных напряжений, задающих величины давления паров первого и второго рабочих веществ. С выходов блоков рабочих веществ. С выходов блоков 21 и 22 сигналы рассогласования проходят по соответствующим каналам устройства 17 регулирования давления паров, которое, воздействуя на тепловой режим испарителя, приводит сигнал рассогласования в каждом из каналов регулирования практически к нулю. При необходимости изменить соотношение спектральных составляющих излучения изменяют соответствующим образом давление паров первого и второго рабочих веществ, регулируя опорные напряжения на входах блоков 21 и 22.

Работа устройства регулирования давления паров иллюстрируется диаграммами 36-54 (см. фиг.5). На выходах входных блоков 21 и 22 (диаграммы 36 и 37) напряжение характеризует отклонение давления паров первого и второго рабочих веществ от заданного значения. Причем напряжение положительной полярности соответствует состоянию, когда давление паров меньше заданного, а отрицательной полярности больше заданного. С выходов блоков 21 и 22 сигналы отклонения регулируемых величин подаются на коммутатор 23, с помощью которого через промежуток времени, определяемый периодом следования импульсов генератора 28, они поочередно подключаются к компаратору 24. Генератор тактов 28 (диаграмма 38) совместно с распределителем 29 служит для синхронизации работы устройства 17 pегулиpования давления паров. Кроме этого, изменением частоты следования тактовых импульсов производится оптимальное согласование динамических свойств разрядной трубки, определяющих процессы разогрева, испарения и диффузии рабочих веществ с характеристиками канала регулирования. Распределитель 29 осуществляет распределение импульсов генератора тактов по четырем выходам (диаграммы 39-42), а также формирование импульсов синхронного переключения коммутаторов 23 и 25 (диаграммы 43 и 44), образующих два канала регулирования с временным разделением. На входе компаратора 24 (диаграмма 45) поочередно действуют напряжения, характеризующие отклонения давления паров первого и второго рабочих веществ. Если напряжение имеет положительную полярность и превышает некоторое значение плюс Δ U_от, что соответствует условию недостаточного давления паров рабочего вещества в разряде, то компаратор 24 пропускает импульс с одного из выходов (диаграмма 40 или 42) распределителя 29 на первый выход (диаграмма 46) компаратора 24. Если на вход компаратора поступает напряжение отрицательной полярности, меньшее некоторой величины минус Δ U_от, что соответствует условию повышенной концентрации паров рабочего вещества в разряде, то тактовые импульсы с выходов распределителя 29 (диаграмма 40 или 42) проходят на второй выход (диаграмма 47) компаратора 24. Величина ΔU_от определяет чувствительность устройства 17 регулирования давления паров. Если величина напряжения на входе компаратора 24 находится в пределах ±Δ U_от, то тактовые импульсы с распределителя 29 на выход компаратора 24 не проходят. С выхода компаратора тактовые импульсы поступают на коммутатор 25 дискретных сигналов, который работает от импульсов распределителя (диаграммы 43 и 44) синхронно с коммутатором 23. Причем, если к входу компаратора подключается напряжение рассогласования с первого входного блока 21, то к его выходу коммутатором 25 одновременно подключается первый формирователь 26 управляющих сигналов, а при подключении входа компаратора к второму входному блоку 22 выход компаратора подключается соответственно к второму формирователю 27 управляющих сигналов (см. диаграммы 48-51).

Работа формирователя управляющих сигналов (для одного канала регулирования) показана на диаграммах 52-54. В формирователе управляющих сигналов импульсы с первого выхода компаратора поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика 30, а с второго выхода компаратора на вычитающий вход счетчика. При этом с каждым тактом, прошедшим на суммирующий вход, двоичное число на счетчике увеличивается на единицу, а при поступлении такта на вычитающий выход счетчика уменьшается на единицу. С выхода реверсивного счетчика 30 сигнал поступает на цифроаналоговый преобразователь 31, где формируется аналоговая величина кор- ректирующего сигнала (диаграмма 52), соответствующая цифровому коду, образованному на выходе реверсивного счетчика 30. При изменении состояния счетчика на единицу напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя 31 изменяется на одну ступень. Как видно из диаграммы 52, при недостаточном давлении паров рабочего вещества счетчик работает в режиме суммирования, что приводит к возрастанию напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя, а при завышенном давлении в режиме вычитания и при этом напряжение снижается. Тактовые импульсы с компаратора 24 через коммутатор 25 (см. фиг.3) поступают также на формирователь 32 форсирующих импульсов (см. фиг.4), который вырабатывает импульсы положительной полярности в моменты перехода реверсивного счетчика в новое состояние при возрастании напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя, или импульсы отрицательной полярности, когда напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя снижается (диаграмма 53). В сумматоре 33 (см. фиг.4) сигналы у цифроаналогового преобразователя 31 и формирователя 32 форсирующих импульсов складываются и на его выходе формируется управляющее напряжение, изменяющееся ступенями в такт с цифроаналоговым преобразователем. Причем при каждом изменении напряжение форсируется импульсами, полярность которых совпадает со знаком изменения напряжения (диаграмма 54).

В рассмотренном примере устройства напряжение на подогревателях испарителей первого и второго рабочих веществ изменяется ступенями 0,05 В через интервалы времени 10 с. При изменении напряжения режим питания испарителей форсируется импульсами 6-8 В длительностью 1,5-2 с. В компараторе использованы интегральные схемы 5С1СА1. Восьмиразрядный реверсивный счетчик построен на интегральной схеме 133 ИЕ7, применение которой позволяет получить 256 значений напряжения на подогревателе. В качестве цифроаналогового преобразователя используется интегральная схема 304 ИД 4 А (управляемый делитель R=2R).

Таким образом, выполнение испарителей состоящими из двух резервуаров и помещение в один из резервуаров измерительного электрода позволяет осуществить с помощью датчиков давления и устройства регулирования давления контроль за давлением каждого из рабочих веществ в отдельности и благодаря этому обеспечить стабилизацию мощности излучения лазера.

После полной перекачки первого рабочего вещества из резервуара 9 в резервуар 10 осуществляется реверсирование его движения в трубке. Для этого переключатель 34 переводится в положение 55. При этом испаритель 6 нагревается до температуры Т₃ (Т₁>Т₃>Т₂) и происходит быстрая транспортировка второго рабочего вещества в испаритель 5 и конденсация его в резервуаре 11. По окончании конденсации переключатель 34 переводится в положение 56. При этом испаритель 5 нагревается до температуры Т₂, испаритель 6 до температуры Т₁, к входу датчиков давления 15 и 16 подключается измерительный электрод 13.

Измерения стабильности мощности излучения, приведенные в газовом лазере на парах кадмия и ртути в смеси с гелием, излучающем в синей, зеленой и красной областях спектра, одновременно показали, что относительная температурная нестабильность не превышала 0,5% град. что в 4 раза ниже чем у известных решений.

Независимая регулировка парциальных давлений рабочих веществ газового лазера на парах, излучающего одновременно в нескольких спектральных линиях, позволяет осуществлять перестройку спектральных составляющих излучения лазера.

Высокая точность регулирования давления паров рабочих веществ обеспечивается за счет оптимального согласования характеристик канала регулирования с динамическими характеристиками разрядной трубки, а также за счет снижения времени установления переходного процесса в разряде, возникающего при изменении напряжения на нагревателе. Уменьшение времени установления достигается посредством использования форсирующих импульсов.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке газовых лазеров на парах химических элементов. Изобретение позволяет повысить стабильность мощности и обеспечить возможность перестройки соотношения спектральных составляющих излучения путем обеспечения стабильности давления паров каждого рабочего вещества. Газовый лазер содержит катод 1, испарители 5, 6, каждый из которых состоит из двух последовательно соединенных резервуаров 9, 11 и 10, 12 соответственно, датчики давления 15, 16 и устройство регулирования давления 17. Причем резервуар 9 содержит первое рабочее вещество с большей рабочей температурой, а резервуар 12 второе рабочее вещество с меньшей рабочей температурой. Пары рабочего вещества из резервуара 12 поступают в рабочую зону разряда полость катода 1. При этом их давление в полости равно давлению в резервуаре 12 и контроль за давлением паров рабочего вещества осуществляется по напряжению на измерительном электроде 14, которое поступает на вход датчика давления 16, соединенного с устройством 17 регулирования давления паров. Пары первого рабочего вещества из резервуара 9 поступают в рабочую зону разряда и, пройдя ее, конденсируются в резервуаре 10. Контроль за их давлением осуществляется по напряжениям на катоде и на измерительном электроде, которые поступают с катода и с выхода измерительного электрода на вход датчика давления 16, соединенного с устройством 17 регулирования давления паров. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР НА ПАРАХ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ, содержащий разрядную трубку с полым катодом и анодом, подключенными к источнику питания, испарители, в которых размещены по крайней мере два рабочих вещества, нагреватели испарителей, устройства измерения и регулирования давления паров рабочих веществ, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности мощности и обеспечения возможности управления спектром излучения, устройство измерения давления образовано датчиком суммарного давления и датчиком парциального давления, каждый испаритель выполнен в виде двух сообщающихся резервуаров, один из которых сообщен с полостью разрядной трубки, а во втором установлен измерительный электрод, соединенный через переключатель с входом датчика парциального давления, выход которого соединен с первым входом датчика суммарного давления и с первым входом устройства регулирования давления паров, катод соединен с вторым входом датчика суммарного давления, выход которого соединен с вторым входом устройства регулирования давления паров, а выходы устройства регулирования соединены с нагревателями испарителей. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что датчик суммарного давления содержит узел нормирования напряжения и сумматор, вход узла нормирования напряжения соединен с вторым входом датчика суммарного давления, а выход узла нормирования напряжения с первым входом сумматора, при этом второй вход сумматора соединен с первым входом датчика суммарного давления. 3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что устройство регулирования давления паров рабочих веществ содержит коммутатор аналоговых сигналов, компаратор, коммутатор дискретных сигналов, два формирователя сигналов управления, генератор тактов и распределитель, при этом выход коммутатора аналоговых сигналов соединен с компаратором, выход которого через коммутатор дискретных сигналов присоединен к первому и второму формирователям управляющих сигналов, выход генератора тактов соединен с входом распределителя, первый выход которого соединен с коммутаторами аналоговых и цифровых сигналов, а второй выход с формирователем управляющих сигналов.