Устройство возбуждения газового лазера Советский патент 1992 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в системах накачки газовых лазеров, в частности СОа-лазеров.

Известна система для накачки СОг-ла- зера, содержащая ВЧ-генератор, согласующее устройство в виде П-образного четырехполюсника, передающий кабель и лазерный излучатель. Согласующее устройство может обеспечивать равенство выходного сопротивления ВЧ-генератора с импедансом лазерной трубки. Однако заметное различие режима эффективного зажигания газового промежутка и режима наибольшей передачи мощности ВЧ-генератора в газовый промежуток требует введения определенной расстройки от режима полного согласования. Это связано с увеличением емкостной составляющей в импедансе активного элемента лазера при нормальной его работе.

Кроме того,ввиду имеющегося при производстве лазеров разброса их электрических параметров (активной и реактивной

составляющих импеданса) требуется введение D согласующее устройство подстроеч- ных элементов. За время долговечности лазера импеданс активного элемента не сохраняется постоянным, что приводит к нарушению согласования и, соответственно к уменьшению КПД.

Практически трудно достижима взаимозаменяемость ВЧ-генераторов и лазерных излучателей, поскольку требуется подбор параметров элементов согласующего устройства в режиме излучения.

Наиболее близким техническим решением является устройство для ёозбуждения газового лазера, содержащее последовательно включенные ВЧ-генератор. средство для обнаружения изменения импеданса, в качестве которого используется направленный ответвителцблок согласования изменяющихся импедансов активного элемента излучателя с выходным импедансом ВЧ-геь нератора, в качестве которого использован резонансный контур. Средство для управления импедансом блока согласования,вклкЯ

сл

с

VI

00

сл

8

о

чающее в себя детектор, фильтр и регулируемый усилитель постоянного тока.

Недостаток такого устройства заключается в том, что за время эксплуатации лазера происходит изменение активной составляющей импеданса лазерного излучателя, полное согласование не представляется возможным, это понижает КПД устройства возбуждения и лазера в целом.

Кроме того, при работе на фиксированной частоте ВЧ-генератора сохраняются имеющееся противоречия между режимами эффективного зажигания и эффективного ввода мощности в газовый промежуток.

Для реализации блока согласования требуются вариконы или вариконды, способные выдерживать высокие уровни напряжений и реактивной мощности.

Целью изобретения является повышение КПД и упрощение устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство для возбуждения газового лазера, содержащее высокочастотный генератор, схему согласования, пиковый детектор и дифференциальный усилитель, введены второй пиковый детектор и фазосдвигающая цепочка, при этом фазосдвигающая цепочка включена между выходом высокочастотного генератора и входом схемы согласования к входу и выходу схемы согласования подключены входы соответственно первого и второго пиковых детекторов, выходы пиковых детекторов соединены с входами дифференциального усилителя, выход которого подключен к управляющему входу высокочастотного генератора.

Использование системы управления режимом работы лазера путем автоматическогорегулированиячастотывысокочастотного генератора позволяет за счет обеспечения условий резонансных явлений в схеме согласования достигнуть эф- фективного зажигания газового промежутка лазера на промежуточной частоте, которая выше рабочей, обеспечить условия полного согласования импеданса лазерной трубки с выходным сопротивлением высокочастотного генератора на рабочей частоте, тем самым достигнуть максимального КПД.

На чертеже представлена схема устройства.

Устройство содержит последовательно соединенные высокочастотный (ВЧ) генератор 1, включающий в себя задающий генератор 2 с управлением по частоте, усилитель мощности 3, фазосдвигающую цепь 4, схему согласования 5, например LC-контур с неполным включением, подключенную к лззеру 6. Кроме того.устройство включает два пикодетектора 7,8, подключенные через ослабители 9, 10, например делители напряжения, ко входу и выходу фазосдвигающей

цепи 4. Выходы пик-детекторов 7,8 подключены ко входам дифференциального усилителя 11, выход которого соединен с управляющим входом задающего генератора 2.

В качестве фазосдвигающей цепи 4 мо- жет быть использована LC цепь с фазовым сдвигом 90°, либо отрезок радиочастотного кабеля длиной меньше или равной 1 /4 А, где А-длина волны высокочастотных колебаний.

Устройство работает следующим образом. ВЧ-генератор 1 вырабатывает напряжение высокой частоты, которое поступает через фазосдвигающую цепь 4. схему согласования 5 на излучатель лазера 6. С помощью ВЧ-напряжения осуществляется накачка газовой среды излучателя лазера б, тем самым обеспечивается преобразование подводимой электрической мощности к излучателю в световое лазерное излучение. При этом начальная частота генератора 1 при пуске устанавливается больше или равной резонансной частоте контура схемы согласования 5, которая выше рабочей

частоты накачки.

Известно, что для передачи ВЧ-мощно- сти в нагрузку требуется равенство активных сопротивлений выходного сопротивления генератора 1 и нагрузки лазера 6 и обеспечение нулевого значения реактивных составляющих их импедансов.

Поскольку частота ВЧ-генератора 1 выше рабочей, то в цепи передачи мощности в

лазер 6 имеет место несогласованный режим, характеризуемый тем, что переменное напряжение на входе и выходе фазосдвигающей цепи 4 существенно различны. С по- мощью пикодетекторов 7, 8 через

ослабители 9, 10 получают постоянные напряжения определенной величины, поступающие на входы дифференциального усилителя 11, с выхода которого постоянное напряжение воздействует на управляющий

элемент задающего генератора 2 (например варикап или вариконд) и уменьшает частоту ВЧ-генератора 1. Осуществляется плавное уменьшение частоты и при ее достижении резонансной частоты контура схемы согласования 5 без учетй динамической емкости излучателя 6, поскольку его газовая среда не зажжена, происходит компенсация реактивных составляющих импеданса лазера. За счет резонансных явлений в схеме согласования, высокого сопротивление лазера б в незажженном состоянии напряжение на электродах излучателя лазера б возрастает, и тем самым обеспечивается эффективное зажигание разряда. После зажигания лазе- ра 6 возрастает емкостная составляющая импеданса лазерного излучателя и уменьшается его активная составляющая. Рассогласование импеданса лазера б с выходным сопротивлением генератора 1 сохраняется, частота задающего генератора 1 продолжает снижаться до тех пор, пока на выходах пикодетекторов 7, 8 сигналы сравняются.

В этом состоянии режим работы устройства удерживается автоматически.

Если в процессе работы по каким-либо причинам (старение элементов, температурных уходов элементов и др.) произойдет разбаланс напряжений на выходах детекторов 7, 8. то автоматически изменяется на- пряжение на выходе дифференциального усилителя 11 и соответственно изменится частота, приводящая к Ёосстановлению равенства напряжения на выходе пикодетекторов 7,8.

Таким образом, при работе лазера автоматически устанавливается и поддерживается оптимальное согласование выходного сопротивления ВЧ-генератора 1 с импедансом лазера 6 за сует автоматической перестройки рабочей частоты ВЧ-генератора.

Поддержание частоты генератора 1 на величине, при которой создаются условия максимальной передачи мощности в нагруз- ку повышает КПД устройства.

Формула изобретения Устройство для возбуждения газового лазера, содержащее высокочастотный генератор, схему согласования, первый пиковый детектор и дифференциальный усилитель, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД и упрощения устройства, в него введены второй пиковый детектор-и фазосдвигающая цепочка, при этом фазосд- вигающая цепочка включена между выходом высокочастотного генератора и входом схемы согласования, к входу и выходу схемы согласования подключены сходы соответственно первого и второго пиковых детекторов, выходы пиковых детекторов соединены с входами дифференциального усилителя, выход которого подключен к управляющему входу высокочастотного генератора.

Сущность изобретения: в устройстве возбуждения между генератором 1 и нагрузкой 6 включена фазосдвигающая цепь 4. к входу и выходу которой подключены два пи- кодетектора 7,8. Схема позволяет выделить с помощью дифференциального усилителя 11 сигнал, пропорциональный рассогласованию импедансов генератора и нагрузки. Этот сигнал управляет частотой генератора изменяя ее в сторону уменьшения,до обеспечения резонансных явлений в блоке 5 согласования. 1 ил,