ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2237955

ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР НА ПАРАХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ГЕНЕРАЦИИ (ВАРИАНТЫ)

ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР НА ПАРАХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ГЕНЕРАЦИИ (ВАРИАНТЫ)

Имя изобретателя: Юдин Н.А.
Имя патентообладателя: Институт физики полупроводников СО РАН (RU); Юдин Николай Александрович
Адрес для переписки: 630090, г.Новосибирск, пр. Акад. Лаврентьева, 13, Институт физики полупроводников СО РАН
Дата начала действия патента: 2002.05.13

Изобретение относится к квантовой электронике. Лазер содержит помещенную в резонатор газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, основной и дополнительный источники импульсного возбуждения активной среды, задающий генератор, регулируемую линию задержки источника импульсного возбуждения активной среды. По первому и второму вариантам лазер дополнительно содержит накопительную емкость с параллельно подключенным резистором и формирователь длительности импульса управления. По третьему варианту лазер дополнительно содержит диод с параллельно подключенным резистором и формирователь длительности импульса управления. Обеспечено повышение надежности работы, уменьшение весогабаритных параметров и себестоимости.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании импульсно-периодических лазеров на парах химических элементов.

Известен импульсно-периодический лазер на парах химических элементов, содержащий помещенную в резонатор газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, высоковольтный выпрямитель, дроссель резонансной зарядки, зарядный диод, накопительную емкость, коммутатор и генератор запускающих импульсов. Дроссель резонансной зарядки через свою цепь, состоящую из последовательно соединенных дросселя резонансной зарядки, зарядного диода и накопительной емкости, соединен с катодом газоразрядной трубки. Коммутатор электрически связан с накопительной емкостью. Генератор запускающих импульсов своим выходом электрически связан с управляющим электродом коммутатора, а высоковольтный выпрямитель одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки, а другим - с катодом коммутатора и анодом газоразрядной трубки. Исаев А.А., Леммерман Г.Ю. Схемы питания импульсных лазеров на парах металлов. //Лазеры на парах металлов и их галогенидов. М.: Наука, тр. ФИАН; Т.181. С.164-179, 1987.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления параметрами генерации без изменения параметров накачки активной среды лазера.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является импульсно-периодический лазер на парах химических элементов с управляемыми параметрами генерации, содержащий помещенную в резонатор газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, основной источник импульсного возбуждения активной среды, дополнительный источник импульсного возбуждения активной среды, задающий генератор и регулируемую линию задержки. Источники импульсного возбуждения активной среды своим выходом подключены к катоду газоразрядной трубки, а общий выход источников импульсного возбуждения активной среды соединен с анодом газоразрядной трубки. Задающий генератор своим выходом подключен к управляющему входу дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды и через регулируемую линию задержки к управляющему входу основного источника импульсного возбуждения активной среды.

Одним из примеров конкретной реализации блоков такого устройства является помещенная в резонатор газоразрядная трубка с параллельно подключенной индуктивностью, а также высоковольтный выпрямитель, дроссель резонансной зарядки, зарядный диод, накопительная емкость, коммутатор, генератор запускающих импульсов и дополнительные: источник питания, дроссель резонансной зарядки, зарядный диод, накопительная емкость, коммутатор и регулируемая линия задержки. Дроссель резонансной зарядки через свою цепь, состоящую из соединенных последовательно дросселя резонансной зарядки, зарядного диода и накопительной емкости, соединен с катодом газоразрядной трубки. Коммутатор электрически связан с накопительной емкостью. Высоковольтный выпрямитель одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки, а другим - с катодом коммутаторов и анодом газоразрядной трубки. Дополнительный дроссель резонансной зарядки через свою цепь, состоящую из соединенных последовательно дополнительных дросселя резонансной зарядки, зарядного диода и накопительной емкости, соединен также с катодом газоразрядной трубки. Дополнительный коммутатор электрически связан с дополнительной накопительной емкостью. Дополнительный источник питания одним своим выходом связан с входом дополнительного дросселя резонансной зарядки, а другим - с катодом коммутаторов. Генератор запускающих импульсов своим выходом электрически связан с управляющим электродом дополнительного коммутатора и входом регулируемой линии задержки, выход которой электрически связан с управляющим электродом коммутатора. Skripniteko A.S., Soldatov A.N., Yudin N.A. Method of Two-pulse Frequency Regulation of Copper-Vapour Laser Parameters. //J. of Russian Laser Research. New York, 1995, Vol.16, №2, pp.134-137.

Дополнительный источник импульсного возбуждения активной среды предназначен для формирования управляющего импульса возбуждения. Управление энергетическими характеристиками генерации достигается тем, что в импульсно-периодических лазерах на парах химических элементах, работающих на высокой частоте следования импульсов возбуждения ~10 кГц, реализуется высокая предымпульсная концентрация электронов ~1013 см-3, обусловленная конечной скоростью рекомбинационного процесса плазмы в межимпульсный период. Введение дополнительного импульса возбуждения позволяет осуществлять подогрев предымпульсных электронов с соответствующим заселением нижних лазерных уровней. Энергетические параметры дополнительного импульса возбуждения активной среды выбираются из условия, что они должны реализовывать населенность нижних лазерных уровней, сравнимую или больше, чем верхних лазерных уровней в основном импульсе возбуждения. В этом случае генерация в лазере отсутствует. Изменением задержки между импульсами достигается управление энергией импульса генерации, поскольку, в зависимости от задержки, происходит полная или частичная релаксация нижних лазерных уровней.

Недостатком данного устройства является то, что коммутаторы и зарядные диоды в источниках импульсного возбуждения активной среды имеют между собой гальваническую связь через накопительные емкости. Это накладывает на используемые коммутаторы и зарядные диоды определенные условия, а именно их электрическая прочность определяется максимальным напряжением на любой из накопительных емкостей, хотя коммутируемая мощность ~100 Вт и напряжение ~1 кВ на аноде дополнительного коммутатора существенно меньше, чем у основного коммутатора, формирующего импульс возбуждения. В лазерах такого класса используются тиратроны в качестве коммутаторов, которые имеют срок службы <1000 часов. Следовательно, применение тиратрона в качестве дополнительного коммутатора существенно увеличивает себестоимость лазера, снижает надежность его работы и увеличивает весогабаритные параметры.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы импульсно-периодического лазера на парах химических элементов с управляемыми параметрами генерации, снижение его весогабаритных параметров и себестоимости за счет того, что в качестве коммутаторов, формирующих дополнительный импульс возбуждения, можно использовать вместо газоразрядных коммутаторов - тиратронов полупроводниковые коммутаторы - тиристоры и транзисторы.

Технический результат достигается тем, что в импульсно-периодический лазер на парах химических элементов с управляемыми параметрами генерации, содержащий помещенную в резонатор газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, основной и дополнительный источники импульсного возбуждения активной среды лазера, общий выход которых соединен с анодом газоразрядной трубки, задающий генератор и регулируемую линию задержки, при этом основной источник импульсного возбуждения активной среды своим выходом подключен к катоду газоразрядной трубки, а задающий генератор своим выходом подключен через регулируемую линию задержки к управляющему входу основного источника импульсного возбуждения активной среды, введены накопительная емкость с параллельно подключенным резистором и формирователь длительности импульса управления, при этом накопительная емкость включена последовательно с индуктивностью параллельно газоразрядной трубке между анодом газоразрядной трубки и индуктивностью, выход дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды электрически связан с индуктивностью и накопительной емкостью, а задающий генератор подключен к управляющему входу дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды через формирователь длительности импульса управления.

В импульсно-периодическом лазере на парах химических элементов с управляемыми параметрами генерации выход задающего генератора электрически соединен с управляющим входом основного источника импульсного возбуждения активной среды и с входом регулируемой линии задержки, выход которой соединен с входом формирователя длительности импульса управления.

В импульсно-периодический лазер на парах химических элементов с управляемыми параметрами генерации, содержащий помещенную в резонатор газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, основной и дополнительный источники импульсного возбуждения активной среды лазера, общий выход которых соединен с анодом газоразрядной трубки, задающий генератор и регулируемую линию задержки, при этом основной источник импульсного возбуждения активной среды своим выходом подключен к катоду газоразрядной трубки, а задающий генератор своим выходом подключен к управляющему входу основного источника импульсного возбуждения активной среды и входу регулируемой линии задержки, введены диод с параллельно подключенным резистором и формирователь длительности импульса управления, при этом диод включен последовательно с индуктивностью параллельно газоразрядной трубке и соединен анодом с анодом газоразрядной трубки и катодом с индуктивностью, выход дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды электрически связан с индуктивностью и катодом диода, а задающий генератор подключен к управляющему входу дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды через регулируемую линию задержки и формирователь длительности импульса управления.

Кроме того, в импульсно-периодическом лазере на парах химических элементов с управляемыми параметрами генерации параллельно резистору и диоду подсоединен ключ, шунтирующий дополнительный источник импульсного возбуждения активной среды.

Введение накопительной емкости с параллельно подключенным резистором или вместо накопительной емкости диода между анодом газоразрядной трубки и индуктивностью позволяет развязать основной и дополнительный источники импульсного возбуждения активной среды. В этом случае дополнительный источник импульсного возбуждения активной среды будет находиться практически под собственным потенциалом. В качестве коммутаторов, формирующих дополнительный импульс возбуждения, в этом случае можно использовать полупроводниковые коммутаторы - тиристоры и транзисторы (как биполярные, так и полевые и IGBT), которые обеспечивают многообразие конкретных схем исполнения для дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды. Применение полупроводниковых коммутаторов позволяет существенно уменьшить весогабаритные параметры дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды, повысить надежность работы устройства и снизить его себестоимость, поскольку цена полупроводниковых коммутаторов в настоящее время почти на два порядка ниже, чем газоразрядных коммутаторов - тиратронов.

 Блок-схема импульсно-периодического лазера на парах химических элементов с управляемыми параметрами генерации

На Фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства. На Фиг.2 приведен один из примеров конкретной реализации такого устройства, где в качестве коммутатора в дополнительном источнике импульсного возбуждения активной среды используется тиристор. На Фиг.3 приведен, в качестве примера, вариант построения дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды, в котором в качестве коммутатора используется транзистор. На Фиг.4 приведен, в качестве примера, вариант управления основным и дополнительным источниками импульсного возбуждения активной среды, исключающий постоянную составляющую задержки импульсов управления. На Фиг.5 приведена блок-схема экспериментальной установки лазера на парах меди. На Фиг.6 приведен вариант развязки между основным и дополнительньм источниками импульсного возбуждения активной среды, в качестве которой вместо накопительной емкости используется диод.

На Фиг.1 изображены: регулируемая линия задержки 1, задающий генератор 2, формирователь длительности импульса управления 3, основной источник импульсного возбуждения активной среды 4, дополнительный источник импульсного возбуждения активной среды 5, газоразрядная трубка 6, индуктивность 7, накопительная емкость 8, параллельно которой подключен резистор 9, резонатор 10.

Параллельно газоразрядной трубке 6, помещенной в резонатор 10, подключены последовательно соединенные индуктивность 7 и накопительная емкость 8. Накопительная емкость 8 включена между индуктивностью 7 и анодом газоразрядной трубки 6. Параллельно накопительной емкости 8 подключен резистор 9. Основной источник импульсного возбуждения активной среды 4 своим выходом электрически соединен с катодом газоразрядной трубки 6. Дополнительный источник импульсного возбуждения активной среды 5 своим выходом электрически соединен с индуктивностью 7 и накопительной емкостью 8. Общий выход основного 4 и дополнительного 5 источников импульсного возбуждения активной среды соединен с анодом газоразрядной трубки 6. Задающий генератор 2 своим выходом соединен с входами регулируемой линии задержки 1 и формирователем длительности импульса управления 3. Регулируемая линия задержки 1 своим выходом электрически соединена с управляющим входом основного источника импульсного возбуждения активной среды 4, а формирователь длительности импульса управления 3 своим выходом электрически соединен с управляющим входом дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды 5.

Импульсно-периодический лазер на парах химических элементов с управляемыми параметрами генерации работает следующим образом. Задающий генератор 2 вырабатывает импульсы запуска с периодом следования Т, которые поступают на входы формирователя длительности импульсов управления 3 и регулируемой линии задержки 1. Формирователь длительности импульсов управления 3 формирует импульсы, обеспечивающие запуск дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды 5, на выходе которого формируются импульсы, обеспечивающие заряд накопительной емкости 8. При этом на газоразрядной трубке 6 формируется дополнительный импульс возбуждения с фронтом и длительностью, определяемыми параметрами газоразрядной трубки 6, индуктивности 7, накопительной емкости 8 и длительностью импульса на выходе дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды 5. Через время (t) <Т, определяемое регулируемой линией задержки 1, импульс запуска от задающего генератора 2 поступает на управляющий вход основного источника импульсного возбуждения активной среды 4. На выходе основного источника импульсного возбуждения активной среды 4 формируется короткий импульс возбуждения, который накладывается на газоразрядную трубку 6 и осуществляет возбуждение активной среды. Импульсы возбуждения с периодом следования Т от дополнительного 5 и основного 4 источников импульсного возбуждения активной среды осуществляют разогрев активной среды до рабочей температуры за счет диссипации энергии, вводимой в газоразрядную трубку 6, с одновременным возбуждением активной среды.

Работа импульсно-периодических лазеров на парах химических элементов с частотой следования импульсов возбуждения ~10 кГц характеризуется высокой концентрацией электронов перед импульсом возбуждения (nе0) ~1013 см-3. Поэтому параметры импульса возбуждения от основного источника импульсного возбуждения активной среды 4 выбираются из условия, что они должны эффективно возбуждать верхние лазерные уровни, в то время как параметры импульса возбуждения от дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды 5 должны обеспечивать эффективное заселение нижних лазерных уровней электронами nе0. Поскольку фронт нарастания напряжения дополнительного импульса возбуждения не влияет на эффективность заселения нижних лазерных уровней, дополнительный импульс возбуждения можно накладывать на газоразрядную трубку 6 через индуктивность 7. Вводимая задержка между основным и дополнительным импульсами возбуждения определяет время релаксации нижних лазерных уровней в активной среде лазера, а ее регулировка с помощью регулируемой линии задержки 1 обеспечивает управление параметрами импульса генерации.

При наложении на газоразрядную трубку 6 импульса возбуждения от основного источника импульсного возбуждения активной среды 4 через газоразрядную трубку 6 и цепь последовательно соединенных элементов - индуктивность 7 и накопительная емкость 8 будет протекать импульсный ток. Величина импульсного тока, протекающего через индуктивность 7 и накопительную емкость 8, будет определяться реактивным сопротивлением этой цепи. За время прохождения тока через индуктивность 7 во время основного импульса возбуждения накопительная емкость 8 будет заряжена до напряжения U. Энергия, запасенная в накопительной емкости 8 после основного импульса возбуждения, будет рассеиваться на активной составляющей импеданса газоразрядной трубки 6 и резисторе 9. В этом случае величину накопительной емкости 8 всегда можно выбрать такой, чтобы напряжение заряда этой емкости не превышало амплитуду напряжения импульса возбуждения от дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды 5, что и обеспечивает развязку основного 4 и дополнительного 5 источников импульсного возбуждения активной среды.

На Фиг.2 приведен один из примеров конкретной реализации такого устройства, где в качестве коммутатора в дополнительном источнике импульсного возбуждения активной среды 5 используется тиристор К5.1, а в основном источнике импульсного возбуждения активной среды - тиратрон К4.1. Импульсно-периодический лазер на парах химических элементов работает следующим образом. От высоковольтного выпрямителя 4.1 в основном источнике импульсного возбуждения активной среды 4 заряжается накопительная емкость С4.1 через зарядный дроссель L4.1, зарядный диод D4.1, индуктивность 7 и резистор 9. При этом накопительная емкость 8 не заряжается, поскольку она шунтирована резистором 9. От источника питания 5.1 в дополнительном источнике импульсного возбуждения активной среды 5 заряжается накопительная емкость С5.1 через зарядный дроссель L5.1, зарядный диод D5.1, индуктивность 7 и резистор 9. При этом накопительная емкость 8 также не заряжается, поскольку она шунтирована резистором 9.

один из примеров конкретной реализации  импульсно-периодического лазера на парах химических элементов с управляемыми параметрами генерации
вариант построения дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды, в котором в качестве коммутатора используется транзистор
вариант управления основным и дополнительным источниками импульсного возбуждения активной среды, исключающий постоянную составляющую задержки импульсов управления
блок-схема экспериментальной установки лазера на парах меди
вариант развязки между основным и дополнительньм источниками импульсного возбуждения активной среды, в качестве которой вместо накопительной емкости используется диод.

Задающий генератор 2 вырабатывает импульсы запуска с периодом следования Т, которые поступают на входы формирователя длительности импульсов управления 3 и регулируемой линии задержки 1. При поступлении запускающего импульса с формирователя длительности импульсов управления 3 на управляющий электрод тиристора 5.1 тиристор открывается. На газоразрядной трубке 6 формируется дополнительный импульс возбуждения за счет разряда накопительной емкости С5.1. При поступлении запускающего импульса от задающего генератора 2 через регулируемую линию задержки 1 на сетку тиратрона К4.1 тиратрон открывается. На газоразрядной трубке 6 формируется основной импульс возбуждения за счет разряда накопительной емкости С4.1. При этом протекает ток не только через газоразрядную трубку 6, но и через индуктивность 7. За время прохождения импульса возбуждения в индуктивности 7 запасается энергия (Е) порядка 10 мДж. Соответственно такая же энергия будет запасаться и в накопительной емкости 8. После прохождения основного импульса возбуждения накопительная емкость 8 будет заряжена до напряжения где С - величина накопительной емкости 8. Для обеспечения работоспособности данного устройства напряжение на накопительной емкости 8 не должно превышать допустимое напряжение на аноде тиристора ~2 кВ. Напряжение на накопительной емкости 8 будет ~1,4 кВ с накопительной емкостью 8 - 10 нФ и ~500 В с накопительной емкостью 8 - 100 нФ, что позволяет в качестве коммутаторов в дополнительном источнике импульсного возбуждения активной среды 5 использовать не только тиристоры, но и управляемые коммутаторы - транзисторы.

На Фиг.3 приведен, в качестве примера, вариант изготовления дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды 5, в котором в качестве коммутатора используется транзистор К5.1. В отличие от неуправляемых коммутаторов - тиратронов и тиристоров, с помощью транзистора можно формировать длинный импульс управления, максимальная длительность которого может достигать значения Т-t, где Т - период следования импульсов возбуждения, t - время, необходимое для релаксации нижнего лазерного уровня. В этом случае задержка между дополнительным и основным импульсами, с целью управления параметрами генерации, должна изменяться от Т-t до Т. В этом случае, чтобы исключить постоянную составляющую Т, необходимо изменить последовательность включения основного и дополнительного источников импульсного возбуждения активной среды. Для этого необходимо, чтобы выход задающего генератора электрически был соединен с управляющим входом основного источника импульсного возбуждения активной среды и с входом регулируемой линии задержки, выход которой соединен с входом формирователя длительности импульса управления, как показано на Фиг.4.

Использование дополнительного управляющего импульса длительностью Т-t позволяет существенно уменьшить его амплитуду и, соответственно, напряжение источника питания 5.1. Проверка проводилась в лазере на парах меди с газоразрядной трубкой ГЛ-201 (фирмы ГНПП “Исток”, г. Фрязино, Россия), разрядный канал которой изготовлен из Аl2О3 - керамической трубки внутренним диаметром 20 мм и длиной 800 мм. Схема экспериментальной установки представлена на Фиг.5. В качестве коммутатора К4.1, формирующего основной импульс возбуждения, использовался тиратрон ТГИ1-1000/25. Параметры элементов основного источника возбуждения активной среды были следующие: С4.1=2,2 нФ; L4.1~0,3 Гн; D4.1 - 20 последовательно включенных диодов КД226Д; напряжение на высоковольтном выпрямителе 4.1 ~5,4 кВ. При частоте следования импульсов возбуждения 11 кГц потребляемая мощность от высоковольтного выпрямителя составляла ~2,6 кВт при средней мощности генерации лазера 10 Вт. Накопительная емкость 8 ~10000 мкФ с резистором 9 ~200 Ом, включенная последовательно с индуктивностью 7 ~100 мкГн, являлась емкостью фильтра дополнительного выпрямителя, от которого накладывалось постоянное напряжение на газоразрядную трубку 6. Такая величина накопительной емкости 8 позволяла полностью развязать дополнительно введенный выпрямитель от основного источника возбуждения активной среды.

Дополнительно введенный выпрямитель представлял собой понижающий трансформатор Тр. Напряжение на его выходе выпрямлялось с помощью диодного моста D1-D4. Для изменения напряжения на выходе дополнительного выпрямителя использовался регулятор напряжения, который представлял собой лабораторный автотрансформатор - ЛАТР. Изменение напряжения на дополнительном выпрямителе от 0 до 60 В приводило к изменению амплитуды импульса генерации лазера от максимального значения до нуля. Более резкий спад наблюдается на линии генерации 510,5 нм. Происходит изменение радиального распределения плотности излучения лазера. С увеличением постоянного напряжения на дополнительном выпрямителе наблюдается вначале переход в кольцевую структуру генерации на линии 510,5 нм, затем генерация исчезает и подобная картина наблюдается на линии 578,2 нм. Это соответствует характеру изменения энергетических характеристик лазера на парах меди, работающего в режиме управления энергетическими характеристиками генерации (как в прототипе).

Таким образом, использование дополнительного управляющего импульса длительностью Т-t позволяет уменьшить его амплитуду до 60-100 В. Однако, чтобы снизить потенциал развязки дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды 5 от основного источника импульсного возбуждения активной среды 4 до уровня 60-100 В, необходимо увеличивать величину накопительной емкости 8 до значений і2 мкФ. В этом случае накопительная емкость 8 будет заряжена до напряжения источника питания 5.1. После выключения коммутатора К5.1 (Фиг.3 и Фиг.4) энергия, запасенная в накопительной емкости 8, будет рассеиваться на резисторе 9 и активной составляющей импеданса газоразрядной трубки 6 через цепь последовательно соединенных с ней индуктивности 7 и газоразрядной трубки 6. Это будет приводить к тому, что после выключения дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды 5 на активной составляющей импеданса газоразрядной трубки 6 будет наблюдаться экспоненциальный спад напряжения от напряжения источника питания 5.1 до нуля за длительное время ~10-20 мкс, определяемое величиной накопительной емкости 8, что снижает эффективность управления. Устранить этот эффект можно в случае, когда в качестве основного 4 и дополнительного 5 источников импульсного возбуждения активной среды используются источники импульсного возбуждения разной полярности, такие как на Фиг.3 и Фиг.4. В этом случае можно использовать в качестве элемента развязки между источниками импульсного возбуждения вместо накопительной емкости 8 диод 11, электрически соединенный анодом с анодом газоразрядной трубки 6 и катодом с индуктивностью 7, как показано на Фиг.6.

На Фиг.6 изображены: регулируемая линия задержки 1, задающий генератор 2, формирователь длительности импульса управления 3, основной источник импульсного возбуждения активной среды 4, дополнительный источник импульсного возбуждения активной среды 5, газоразрядная трубка 6, индуктивность 7, резистор 9, резонатор 10, диод 11, ключ 12. При этом основной источник импульсного возбуждения активной среды 4 содержит высоковольтный выпрямитель 4.1, зарядный дроссель L4.1, зарядный диод D4.1, коммутатор К4.1, накопительную емкость С4.1, а дополнительный источник импульсного возбуждения активной среды 5 содержит источник питания 5.1 и коммутатор -транзистор К5.1.

Параллельно газоразрядной трубке 6, помещенной в резонатор 10, подключены последовательно соединенные индуктивность 7 и резистор 9. Диод 11 включен параллельно резистору 9 и соединен анодом с анодом газоразрядной трубки 6, а катодом с индуктивностью 7. Параллельно диоду 11 подключен ключ 12. Основной источник импульсного возбуждения активной среды 4 выходом электрически соединен с катодом газоразрядной трубки 6, а дополнительный источник импульсного возбуждения активной среды 5 своим выходом электрически соединен с индуктивностью 7 и с катодом диода 11. Задающий генератор 2 своим выходом соединен с входом регулируемой линии задержки 1 и управляющим входом основного источника импульсного возбуждения активной среды 4. Регулируемая линия задержки 1 своим выходом электрически соединена с входом формирователя длительности импульса управления 3, а формирователь длительности импульса управления 3 своим выходом электрически соединен с управляющим входом дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды 5. При этом высоковольтный выпрямитель 4.1 основного источника импульсного возбуждения активной среды 4 электрически соединен через цепь последовательно соединенных зарядного дросселя L4.1, зарядного диода D4.1, накопительной емкости С4.1 с катодом газоразрядной трубки 6. Коммутатор К4.1 анодом электрически соединен с зарядным диодом D4.1 и накопительной емкостью С4.1, а катодом - с анодом газоразрядной трубки 6. Источник питания 5.1 дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды 5 электрически соединен одним своим выходом через коммутатор 5.1 с индуктивностью 7 и катодом диода 11, а другим с анодом газоразрядной трубки 6.

Импульсно-периодический лазер на парах химических элементов работает следующим образом. От высоковольтного выпрямителя 4.1 в основном источнике импульсного возбуждения активной среды 4 заряжается накопительная емкость С4.1 через зарядный дроссель L4.1, зарядный диод D4.1, индуктивность 7, резистор 9 и газоразрядную трубку 6. Генератор запускающих импульсов 2 вырабатывает импульсы запуска с периодом следования Т, которые поступают на управляющий электрод коммутатора К4.1 и вход регулируемой линии задержки 1. При поступлении на управляющий электрод коммутатора К4.1 запускающего импульса от задающего генератора коммутатор К4.1 открывается и происходит разряд накопительной емкости С4.1. Ток разряда накопительной емкости С4.1 протекает через коммутатор К4.1 и газоразрядную трубку 6, формируя на газоразрядной трубке 6 импульс возбуждения активной среды лазера. При этом ток разряда накопительной емкости С4.1 частично протекает через диод 11 и индуктивность 7. При этом диод 11 шунтирует дополнительный источник импульсного возбуждения 5.

Сигнал, поступающий от задающего генератора 2 через регулируемую линию задержки 1 и формирователь длительности импульса управления 3 на управляющий электрод коммутатора 5.1 (базу транзистора), открывает коммутатор К5.1. При этом источник питания 5.1 подключается к газоразрядной трубке 6 на время, равное длительности импульса, формируемого формирователем длительности импульса управления 3, что обеспечивает формирование на газоразрядной трубке 6 дополнительного импульса возбуждения. Основной элемент развязки источников импульсного возбуждения - диод 11 выбирается из условия, что он должен выдерживать прямой импульсный ток ~10-20 А, протекающий через него и индуктивность 7 во время разряда накопительной емкости С4.1, и обратное напряжение для диода 11 должно быть не ниже напряжения источника питания 5.1 и падения напряжения на резисторе 9 во время заряда накопительной емкости С4.1. Величиной напряжения источника питания 5.1 и падением напряжения на резисторе 9 во время заряда накопительной емкости С4.1 будет определяться также рабочее напряжение на коммутаторе К5.1. Как показали проведенные исследования, минимальное напряжение источника питания 5.1 должно быть ~60-100 В.

В этом случае минимальное значение резистора 9 должно быть >200 Ом, чтобы ограничить на нем рассеиваемую мощность от источника питания 5.1. При зарядном токе накопительной емкости С4.1 ~1А падение напряжения на резисторе 9 будет достигать значения і200 В. Однако при значении сопротивления резистора 9 - 200 Ом, подключенного параллельно газоразрядной трубке, зарядный ток накопительной емкости протекает через резистор только в начале работы лазера, когда разрядный канал газоразрядной трубки не разогрет до рабочей температуры. В рабочем режиме работы лазера зарядный ток протекает через газоразрядную трубку. Следовательно, падение напряжения на резисторе 9 будет соответствовать напряжению на источнике питания 5.1 в рабочем режиме работы лазера. Чтобы исключить влияние начального этапа разогрева газоразрядной трубки 6 необходимо включить параллельно резистору 9 и диоду 11 ключ 12, например контакты электромагнитного реле, шунтирующие резистор 9, а работу дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды 5 начинать с момента разогрева разрядного канала газоразрядной трубки 6 до рабочей температуры, предварительно разомкнув ключ 12. В этом случае можно увеличить величину сопротивления резистора 9, чтобы снизить рассеваемую на нем мощность от источника питания 5.1.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Импульсно-периодический лазер на парах химических элементов с управляемыми параметрами генерации, содержащий помещенную в резонатор газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, основной и дополнительный источники импульсного возбуждения активной среды лазера, общий выход которых соединен с анодом газоразрядной трубки, задающий генератор и регулируемую линию задержки, при этом основной источник импульсного возбуждения активной среды своим выходом подключен к катоду газоразрядной трубки, а задающий генератор своим выходом подключен через регулируемую линию задержки к управляющему входу основного источника импульсного возбуждения активной среды, отличающийся тем, что в него введены дополнительно накопительная емкость с параллельно подключенным резистором и формирователь длительности импульса управления, при этом накопительная емкость включена последовательно с индуктивностью параллельно газоразрядной трубке между анодом газоразрядной трубки и индуктивностью, выход дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды электрически связан с индуктивностью и накопительной емкостью, а задающий генератор подключен к управляющему входу дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды через формирователь длительности импульса управления.

2. Импульсно-периодический лазер на парах химических элементов с управляемыми параметрами генерации, содержащий помещенную в резонатор газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, основной и дополнительный источники импульсного возбуждения активной среды лазера, общий выход которых соединен с анодом газоразрядной трубки, задающий генератор и регулируемую линию задержки, при этом основной источник импульсного возбуждения активной среды своим выходом подключен к катоду газоразрядной трубки, отличающийся тем, что в него введены дополнительно накопительная емкость с параллельно подключенным резистором, и формирователь длительности импульса управления, при этом накопительная емкость включена последовательно с индуктивностью параллельно газоразрядной трубке между анодом газоразрядной трубки и индуктивностью, выход дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды электрически связан с индуктивностью и накопительной емкостью, а выход задающего генератора подключен к управляющему входу основного источника импульсного возбуждения активной среды и входу регулируемой линии задержки, выход которой через формирователь длительности импульса управления электрически соединен с управляющим входом дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды.

3. Импульсно-периодический лазер на парах химических элементов с управляемыми параметрами генерации, содержащий помещенную в резонатор газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, основной и дополнительный источники импульсного возбуждения активной среды лазера, общий выход которых соединен с анодом газоразрядной трубки, задающий генератор и регулируемую линию задержки, при этом основной источник импульсного возбуждения активной среды своим выходом подключен к катоду газоразрядной трубки, а задающий генератор своим выходом подключен к управляющему входу основного источника импульсного возбуждения активной среды и входу регулируемой линии задержки, отличающийся тем, что в него введены дополнительно диод с параллельно подключенным резистором и формирователь длительности импульса управления, при этом диод включен последовательно с индуктивностью параллельно газоразрядной трубке и соединен анодом с анодом газоразрядной трубки и катодом с индуктивностью, выход дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды электрически связан с индуктивностью и катодом диода, а задающий генератор подключен к управляющему входу дополнительного источника импульсного возбуждения активной среды через регулируемую линию задержки и формирователь длительности импульса управления.

4. Импульсно-периодический лазер на парах химических элементов с управляемыми параметрами генерации по п.3, отличающийся тем, что параллельно резистору и диоду подсоединен ключ, шунтирующий дополнительный источник импульсного возбуждения активной среды.

Версия для печати


вверх