Способ возбуждения газового лазера и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК H01S3/97 

СО

С

Сущность изобретения: возбуждение лазера осуществляют за счет подача электроды высокочастотного переменного напряжения с изменяемой частотой. Частота изменяется в пределах 1,06-0.97 рабочей частоты со скоростью изменения, зависящей от добротности резонансного контура согласования выходн о го сопротивления ВЧ-генератора с импедансом активного элемента и от времени запаздывания возникновения разряда. Устройство содержит схему согласования; датчик р ассогласова- ния, пикдетекторы и дифференциальный усилитель, выделяющие ур овень рассогласованиям воздействующие через буферный усилитель, двухуровневый компаратор и устройство выборки-хранения на вход управления частотой ВЧ-генератора. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к газоразрядным лазерным системам с электрической накачкой, и может быть использовано при создании и разработке С02-лаэера с ВЧ-возбуждением.

Известен лазер, возбуждаемый переменным ВЧ-напряжением одной частоты, в котором компенсация ухода реактивной составляющей импеданса лазерной трубки и реактивных элементов цепей согласования осуществляется изменением величины конденсатора резонансного контура.

Недостаток такого способа управления заключается в невозможности достижения режима полного согласования при изменении активной составляющей импеданса, что снижает КПД и надежность,

Кроме того, реализация такого устройства при высокой мощности вкач ибаемой в газовый разряд ( 50-200 Вт) затруднено из-за отсутствия выс ЬКоэффектипных управляемых варикондов , Способных работать при высоких уровнях напряжений, обеспечивающих требуемый коэффициент перекрытия по емкости.

Известна система накачки газового лазера высокочастотным переменным напряжением на различных частотах, содержащая высокочастотный источник питания, схему согласования. усилитель мощности. Сначала подают ВЧ-напряжение с частотой более высокой по сравнению с рабочей частотой для инициирования разряда в газовом гтрЬмёжугке. а затем частоту скачком смещают до рабочей, при которой достигается согласование импеданса

VI 00

ел о ел

00

газоразрядной трубки излучателя с выходным сопротивлением источника ВЧ-напря- жения.

Недостаток такого способа возбуждения заключается в низком КПД, невысокой надежности из за Шмёнения со временем электрических параметров газоразрядной трубки, старения электрорадиоэлементов, в частности конденсаторов, гфи этом происходит смещение резонансной частоты контура J --,

Эго снижает надежность инициирования pa%f5Sfla R не позволяет достигнуть полного согласования выходного сопротивления источника питания с импедансом лазерной трубки, что снижает КПД.

Целью изобретения является повышение надежности и КПД работы лазера.

Поставленная цель достигается тем, что в способе возбуждения газового лазера, заключающемся в подаче на активный элемент от ВЧ-генератора высокочастотного переменного напряжения возбуждения., разряда с изменяемой частотой, изменение частоты напряжения возбуждения осуществляют Ч.Обтрн 0,97трн до частоты, обеспечивающей достижение режима полного согласования выходного сопротивления ВЧ-генератора с импедансом активного элемента, причем скорость изменения час- df

тоты

dt

напряжения устанавливают в соответствии с соотношением- df fp к d t 2 Qr fР н номинальная рабочая частота;

Q - добротность резонансного контура согласования выходного сопротивления ВЧ-генератора с импедансом активного элемента;

г- максимальное время запаздывания возникновения разряда.

Переменное напряжение возбуждения подают пачками с паузой между ними не более времени послесвечения газового промежутка активного элемента.

Устройство для возбуждения газового лазера согласно изобретению содержит последовательно соединенные ВЧ-генератор, датчик рассогласования и схему согласования, два пиковых детектора, дифференциальный усилитель, двухуровневый компаратор, формирователь опорных напряжений, генератор импульсов, переключатель, устройство выборки-хранения и буферный усилитель, при этом входы пиковых детекторов подключены к выходам датчика рассогласования, а выходы - к входам дифференциального усилителя, выход которого соединен с одним из входов компаратора и через буферный усилитель - с одним из входов переключателя, к двум другим входам компаратора подключен формирователь опорных напряжений, выход компаратора подключен ко входу запуска генератора импульсов и к управляющему входу переключателя, второй вход переключателя соединен с выходом устройства выборки-хранения, а выход - с входом управления частотой ВЧ-генератора, другой управляющий вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов и к входу устройства выборки-хранения.

Частоту изменяют от превышающей рабочую частоту до частоты, на которой достигается равенство реактивных составляющих согласующего устройства и импеданса активного элемента излучателя в режиме холостого хода, когда достигаются резонансные явления в контуре, сопровождаемые увеличением переменного напряжения. Тем самым обеспечивается эффективное зажигание газового промежутка. После зажиганий частота с генератора продолжает изменяться до рабочей частоты, обеспечивающей полное согласование импедансов лазерного излучателя в зажженном состоянии с выходным сопротивлением ВЧ-генератора.

Дальнейшее повышение надежности зажигания газового промежутка достигается подачей переменного напряжения возбуждения пачками (2 и более), паузу между

которыми устанавливают не более времени послесвечения газового промежутка лазера. При этом длительность каждой пачки определяется с учетом времени достаточно- го для изменения частоты переменного напряжения во всем выбранном диапазоне, т.е. с учетом скорости изменения частоты

Использование пачечного режима работы снижает влияние рассогласования на работу элементов при холостом ходе и

обеспечивается более плавный переход из режима зажигания в режим полного согласования. Для гарантии зажигания каждая последующая пачка частично перекрывает по частоте предыдущую пачку.

На фиг. 1 представлены эпюры, поясняющие процесс возбуждения лазера согласно предлагаемому способу, где Ti - длительность пачки, Т2 - длительность паузы, на фиг. 2 - частотная характеристика

резонансного контура возбуждения лазера, где f0 - резонансная частота; fo1 и f0 - частоты, смещенные из-за изменения параметров контура; на фиг. 3 - устройство для осуществления предлагаемого способа.

Устройство содержит ВЧ-генератор 1, датчик 2 рассогласования, схему 3 согласования, активный элемент 4 лазера, соединенные последовательно, пикодетекторы 5, б, связанные входами с выходами датчика 2, дифференциальный усилитель 7, входами связанный с выходами пикдетекторов 5, б, двухуровневый компаратор 8, один вход которого соединен с выходом усилителя 7, а два других - с выходами формирователя 9 опорных напряжений Uon.sepx., 11оп.нижн.. выход компаратора 8 подключен к управляющему входу переключателя 10 и к входу генератора импульсов 11, соединенного выходом с разрешающим входом ВЧ-генера- тора 2 и с входом устройства выборки-хранения (УВХ) 12, выход которого подключен к одному входу переключателя 10, другой вход переключателя 10 подключен через буферный усилитель 13 к выходу дифференциального усилителя 7. а выход - к входу управления частотой ВЧ-генератора 1.

На фиг. 4 представлены эпюры, поясняющие работу устройства, где UH выходное напряжение генератора импульсов 11;

l/пит - выходное напряжение интегратора 12;

UK - выходное напряжение ВЧ-генератора 1.

В качестве схемы согласования может быть использован резонансный LC-контур, датчиком рассогласования импедансов может служить фазосдвигающая LC-цепь, отрезок кабеля с длиной меньше 1 /4 Я.

Для ограничения частоты ВЧ-генератора 1 вводится цепь, ограничивающая выходное напряжение (связь УВХ 12 с третьим выходом формирователя опорного напряжения - Uynp max).

Сущность способа возбуждения газового лазера высокочастотным напряжением заключается в следующем.

Первоначально переменное ВЧ-напря- жение возбуждения подают на электроды лазеры 4 с частотой, изменяющейся от наибольшей, равной 1,06fp н до рабочей частоты fp. Скорость уменьшения частоты определяется из соотношения df fp н dt 2Qr где fp.H. - рабочая номинальная частота;

Q - добротность резонансного контура согласования выходного сопротивления ВЧ-генератора с импедансом активного элемента;

т- максимальное время запаздывания возникновения разряда.

В результате старения элементов и при изменении климатических условий эксплуатации лазера частота возникновения разряда, при которой достигается наибольшее 5 напряжение при резонансе и рабочая частота, очевидно, изменяются. Как известно, ре- зонансный контур характеризуется нормированной частотной характеристикой (фиг. 2).

0 Как следует из фиг. 2, наибольший коэффициент передачи обеспечивается на резонансной частоте fo контура схемы согласования. С уходом параметров элементов частота f0 смещается и принимает зна5 чение f0 и fo. при этом значительно изменяется коэффициент передачи напряжения схемы согласования, значит ухудшаются условия зажигания. Изменяя частоту с верхней f0 до резонансной f0 коэффициент

0 передачи имеет наибольшее значение, сопротивление достигает наибольшего значения и напряжение максимально. После зажигания газового разряда добротность контура Q схемы согласования 3 падает и

5 влияние изменения частоты на коэффициент передачи ослабляется, влияние скорости изменения частоты на процессы согласования уменьшается и тем самым улучшаются условия достижения полного

0 согласования, в режиме автоматического регулирования.

Таким образом, режим полного согласования достигается при различных условиях на разных частотах, тем самым устраняется

5 воздействие любых дестабилизирующих факторов.

Надежность зажигания лазера может быть повышена за счет подачи изменяющейся частоты пачками.

0 При этом в каждой последующей пачке задаваемый частотный диапазон частично перекрывает верхние частоты предыдущей пачки. Пауза между пачками устанавливается не более времени послесвечения газово5 го промежутка лазера. Тем самым существенно облегчается режим работы электроралиоэлементов при рассогласованиях за время изменения частоты.

Устройство для осуществления способа

0 работает следующим образом. При включении устройства на разрешающем входе ВЧ- генератора 1 присутствует потенциал, запускающий генератор 1 ч высокочастотное переменное напряжение поступает че5 рез датчик рассогласования 2 и схему согласования 3 на электроды активного элемента 4. При этом переключатель 10 находится в состоянии передачи сигнала с выхода УВХ 12 на вход управления частотой ВЧ-генератора 1, поскольку первоначально

поступает переменное напряжение более высокой частоты по сравнению с рабочей частотой, в цепи передачи мощности генератора 1 в нагрузку 4 и имеет место рассогласованный режим.

С выходов датчика рассогласования 2 напряжение детектируется пикодетекторз- ми 5 и 6 и подается на дифференциальный усилитель 7, с выхода которого сигнал поступает на двухуровневый компаратор 8 и через усилитель 13 и на переключатель 10.

При напряжении на выходе усилителя 7 выше уровня Uon.BepxH. либо менее уровня и0п.нижн. двухуровневый компаратор 8 обеспечивает работу электронного переключа- теля 10 и генератора импульсов 11.

Генератор 11 вырабатывает требуемую длительность импульса для управления работой генератором 1 (определяет длительность пачки) и подает напряжение на УВХ-12. За время длительности импульса с генератора 11 УВХ 12 накапливает напряжение (фиг. 4, Unm), поступающее через переключатель 10 на управляющий частотой вход генератора 1, изменяя (уменьшая) час- тоту на A f, соответствующую уровню напряжения Ли (рис. 4). В случае пачечного режима работы генератор 11 вырабатывает последовательность импульсов . При этом с каждым импульсом интегратор 12, 13 запо- минает свое состояние в конце импульса, сохраняя это состояние в паузах между импульсами (фиг. 4). По достижении рабочей частоты, т.е. согласованного режима работы устройства, напряжение на выходе усилите-

ЛЯ 7 наХОДИТСЯ Между Uon верхи. И Uon нижи.,

что обеспечивает перевод двухуровневого компаратора 8 в другое состояние, обеспечивающее отключение генератора 11, УВХ 12 и перевод переключателей 10 в другое положение. В таком положении переключатель 10 соединяет выход усилителя 13 непосредственно с входом управления по частоте генератора 1. Таким образом, в рабочем режиме, т.е. при малом рассогласова- нии, незначительное изменение импеданса излучателя 4 приводит к изменению напряжения на выходе усилителя 7, которое при поступлении на генератор 1 изменяет его частоту так, чтобы изменение импеданса компенсировалось.

При этом достигается эффективное зажигание лазера за время одного цикла изменения частоты и автоматический переход в непрерывный режим работы.

Таким образом, использование предложенного способа возбуждения газовых лазеров высокочастотным переменным напряжением с изменяющейся частотой по

установленному закону позволяет достигнуть высокой эффективности работы лазера и надежности в условиях изменяющихся температур, старения электрических параметров как самого лазера, так и радиоэлементов.

Формула изобретения

тоты -г- напряжения устанавливают в соответствии с соотношением: df fp.n. dt - 2Qr где fp и. - номинальная рабочая частота;

Q - добротность резонансного контура согласования выходного сопротивления ВЧ-генератора с импедансом активного элемента;

г- максимальное время запаздывания возникновения разряда.

переключателя соединен с выходом устрой- управляющий вход которого подсоединен к ства выборки-хранения, а выход входом выходу генератора импульсов и к входу уст- управления частотой ВЧ-генератора, другой ройства выборки-хранения.

Qk/lf