СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРОВ НА САМООГРАНИЧЕННЫХ ПЕРЕХОДАХ АТОМОВ МЕТАЛЛОВ, РАБОТАЮЩИХ В РЕЖИМЕ САМОРАЗОГРЕВА, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРОВ НА САМООГРАНИЧЕННЫХ ПЕРЕХОДАХ АТОМОВ МЕТАЛЛОВ, РАБОТАЮЩИХ В РЕЖИМЕ САМОРАЗОГРЕВА, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ


RU (11) 2251179 (13) C2

(51) 7 H01S3/097 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 07.12.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2003120867/28 
(22) Дата подачи заявки: 2003.07.11 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2003.07.11 
(43) Дата публикации заявки: 2005.01.10 
(45) Опубликовано: 2005.04.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2082263 C1, 20.06.1997. SU 1101130 A1, 07.09.1992. DE 3843210 A, 28.06.1990. 
(72) Автор(ы): Лепехин Н.М. (RU); Присеко Ю.С. (RU); Филиппов В.Г. (RU); Лябин Н.А. (RU); Чурсин А.Д. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Лепехин Николай Михайлович (RU); Присеко Юрий Степанович (RU); Филиппов Валентин Георгиевич (RU); Лябин Николай Александрович (RU); Чурсин Александр Дмитриевич (RU) 
Адрес для переписки: 143500, Московская обл., г. Истра, ЭХ "Большевик", 3, кв.31, Ю.С. Присеко 

(54) СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРОВ НА САМООГРАНИЧЕННЫХ ПЕРЕХОДАХ АТОМОВ МЕТАЛЛОВ, РАБОТАЮЩИХ В РЕЖИМЕ САМОРАЗОГРЕВА, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области квантовой электроники. Способ заключается в формировании с каждым импульсом возбуждения одного дополнительного импульса с задержкой между импульсами при постоянстве энерговклада в активный элемент лазера. В условиях стабилизированных параметров плазмы управление энергетическими характеристиками генерации выполняется путем импульсного изменения местоположения дополнительного импульса относительно импульса возбуждения. Для обеспечения режима генерации лазера дополнительный импульс формируют после основного импульса возбуждения, а для обеспечения режима гашения импульса генерации лазера - перед основным импульсом возбуждения, при этом энергия дополнительного импульса должна быть достаточна только для заселения метастабильных лазерных уровней атомов металлов. Время импульсного опережения и время импульсного отставания дополнительного импульса, отсчитываемые от начала импульса возбуждения, должны быть меньше времени жизни метастабильных лазерных уровней. Стабилизация параметров плазмы дополнительно корректируется регулированием времени опережения и времени отставания дополнительного импульса от импульса возбуждения. Устройство содержит лазерную трубку, катод и заземленный анод которой зашунтированы индуктивностью, резонатор, два коммутатора, два емкостных накопителя энергии, выводы которых объединены и соединены с катодом лазерной трубки, регулируемый высоковольтный источник питания, общий вывод которого соединен с заземленными катодами коммутаторов, генератор запускающих импульсов, две регулируемые линии задержки, два анодных реактора, два импульсных подмодулятора, нерегулируемую линию задержки, электронное реле и контроллер. Изобретение обеспечивает высокоскоростную импульсную модуляцию доз лазерного излучения с точностью до одного импульса по любому наперед заданному закону и снижение коммутационных потерь устройства. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.






ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретения относятся к области мощной квантовой электроники и могут быть использованы при создании импульсно-периодических лазеров на парах химических элементов, работающих в режиме саморазогрева. 

Известен способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов, работающих в режиме саморазогрева [1], заключающийся в том, что одновременно с импульсом возбуждения формируется дополнительный импульс длительностью , причем его крутизна и амплитуда меньше соответствующих параметров импульса возбуждения, а энергия, которая вкладывается в разряд в течение дополнительного импульса, в к раз превышает энергию, вкладываемую в импульс возбуждения.

Выполнение названных выше условий обеспечивает постоянство энерговклада в активный элемент на разных частотах следования импульсов, а также одинаковое время между окончанием предшествующего импульса подогрева и следующего за ним импульса возбуждения. Такой способ возбуждения при перестройке частоты следования импульсов требует изменения только одного параметра - энергии дополнительного импульса - за счет изменения длительности. В случае необходимости регулирование энергии импульса генерации может осуществляться за счет изменения амплитуды импульса возбуждения.

Недостатком известного способа является низкая эффективность управления энергетическими характеристиками лазера, обусловленная тем, что при значительном уменьшении частоты амплитуда напряжения дополнительного импульса становится сравнимой с амплитудой импульса возбуждения, начинает участвовать в создании инверсной населенности и изменяет тем самым параметры импульса генерации, а именно: импульс генерации начинает уширяться, крутизна фронта и амплитуда импульса генерации - падает. Другим недостатком известного способа является низкая допустимая скорость регулирования частоты следования импульсов генерации, которая не превышает 2 кГц/мин. 

Известно устройство для возбуждения саморазогревного лазера на парах меди со стабилизацией выходных характеристик при помощи двух импульсно-периодических разрядов [1], содержащее газоразрядную лазерную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, резонатор, два регулируемых высоковольтных выпрямителя с системой управления и два емкостных накопителя энергии, которые присоединены к выводам регулируемых высоковольтных выпрямителей, а также первый и второй тиратронный коммутаторы, управляющие электроды которых, через модулятор и задающий генератор, присоединены ко входу системы управления одного из высоковольтных регуляторов. Аноды тиратронных коммутаторов присоединены ко входам емкостных накопителей энергии, выходы которых объединены и присоединены к электроду газоразрядной лазерной трубки, второй электрод которой заземлен. Выход первого регулируемого высоковольтного выпрямителя соединен с анодом первого тиратронного коммутатора, выход второго регулируемого высоковольтного выпрямителя соединен с анодом второго тиратронного коммутатора. Катоды тиратронных коммутаторов заземлены.

Недостатком известного устройства является низкая эффективность управления энергетическими характеристиками лазера.

Известен способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов [2], основанный на изменении предымпульсных параметров плазмы за счет наложения на разрядный промежуток дополнительного импульса, имеющего ту же частоту следования импульсов, что и импульс возбуждения, но с регулируемым временем задержки между дополнительным импульсом и импульсом возбуждения.

Дополнительный импульс, воздействуя на релаксирующую плазму и “подогревая” электронную температуру канала, уменьшает скорость рекомбинации плазмы, изменяя тем самым начальные условия последующего импульса возбуждения. 

При таком способе возбуждения регулирующие воздействия могут осуществляться через амплитуду напряжения (т.е. через энергию управляющего импульса) либо путем изменения величины времени задержки между импульсом возбуждения и управляющим импульсом. 

Недостатком способа является низкая эффективность управления энергетическими характеристиками лазера, что связано, в данном случае, с существованием оптимального температурного интервала, при котором мощность генерации является максимальной. При этом за пределами оптимального температурного интервала резко изменяются условия возбуждения (параметры плазмы), что затрудняет стабильность воспроизведения функции управления.

Устройство для осуществления известного способа такое же, как в [1], и описано также в [3]. Недостатком устройства также является низкая эффективность управления энергетическими характеристиками лазера.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов, работающих в режиме саморазогрева [4], заключающийся в формировании с каждым импульсом возбуждения одного дополнительного импульса с регулируемой задержкой между импульсами, при этом управление энергетическими характеристиками генерации осуществляется за счет плавного изменения временного расположения дополнительного импульса относительно импульса возбуждения от момента начала импульса генерации в сторону предыдущего импульса возбуждения, причем амплитуда напряжения дополнительного импульса выбирается постоянной в пределах 15-50% амплитуды напряжения импульса возбуждения. 

Изменяя задержку между дополнительным и возбуждающим импульсами, можно осуществлять управление энергетическими характеристиками генерации от нуля до максимального значения. При этом при плавном изменении временного расположения дополнительного импульса от момента импульса генерации в сторону предыдущего импульса возбуждения, средняя мощность генерации изменяется от максимального значения до нуля и затем возрастает от нуля до максимального значения. 

Недостатком данного способа является невозможность высокоскоростной импульсной модуляции доз лазерного излучения с точностью до одного импульса, а также невозможность работы лазера в квазимоноимпульсном и пакетном режимах.

Устройство для осуществления известного способа [4] содержит лазерную трубку, катод и заземленный анод которой зашунтированы индуктивностью, резонатор, первый и второй тиратронные коммутаторы, первый и второй емкостные накопители энергии, выходы которых объединены и соединены с катодом лазерной трубки, два регулируемых высоковольтных источника питания, генератор запускающих импульсов, а также первую и вторую регулируемые линии задержки. Анод первого тиратронного коммутатора соединен со входом первого емкостного накопителя энергии непосредственно, а также выходом первого регулируемого высоковольтного источника питания. Анод второго тиратронного коммутатора соединен непосредственно со входом второго емкостного накопителя энергии и выходом второго регулируемого высоковольтного источника питания. Катоды тиратронных коммутаторов заземлены, при этом управляющие электроды коммутаторов, через регулируемые линии задержки, соединены с генератором запускающих импульсов.

Недостатками данного устройства являются невозможность высокоскоростной импульсной модуляции доз лазерного излучения с точностью до одного импульса, невозможность работы лазера в квазиимпульсном и пакетном режимах, а также низкая надежность работы устройства в целом, обусловленная возможностью несинфазной работы регулируемых высоковольтных источников питания и повышенными коммутационными потерями тиратронных коммутаторов и, как следствие, низким ресурсом их работы.

Задачей изобретений является расширение функциональных возможностей лазера и повышение надежности его работы.

Техническим результатом является обеспечение высокоскоростной импульсной модуляции доз лазерного излучения с точностью до одного импульса, обеспечение работы лазера в квазимоноимпульсном и пакетном режимах, а также снижение коммутационных потерь устройства. 

Предлагаемый способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов, работающих в режиме саморазогрева, заключается также в формировании с каждым импульсом возбуждения одного дополнительного импульса. В отличие от известного, в предлагаемом способе при постоянстве энерговклада в активный элемент в условиях стабилизированных параметров плазмы, обеспечиваемых постоянством параметров импульса возбуждения и дополнительного импульса, управление энергетическими характеристиками генерации выполняется путем импульсного изменения временного расположения дополнительного импульса относительно импульса возбуждения, причем для обеспечения режима генерации лазера дополнительный импульс формируют после импульса возбуждения, а для обеспечения режима гашения импульса генерации лазера дополнительный импульс формируют перед импульсом возбуждения, при этом энергия дополнительного импульса должна быть достаточна только для заселения метастабильных лазерных уровней атомов металлов.

Время импульсного опережения и время импульсного отставания дополнительного импульса, отсчитываемые от начала импульса возбуждения, должны быть меньше времени жизни метастабильных лазерных уровней.

Стабилизация параметров плазмы дополнительно корректируется регулированием времени опережения и времени отставания дополнительного импульса от импульса возбуждения. 

Известно, что при создании инверсной населенности важную роль играют такие параметры плазмы, как концентрация атомов рабочего вещества, концентрация электронов и электронная температура. Известно также, что при низких температурах электронов доминирующую роль играет только процесс заселения метастабильных уровней [3]. Кроме того, известно, что если заселенность нижнего лазерного уровня будет велика к приходу следующего импульса, при работе лазеров на парах металлов в режиме сдвоенных импульсов, то генерация не возникнет [5], поэтому одним из требований обеспечения высокой эффективности генерации лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов является низкая заселенность метастабильных уровней. 

В предлагаемом способе управление энергетическими характеристиками генерации лазера выполняется за счет изменения не предымпульсных параметров плазмы, т.е. не за счет изменений начальных условий последующего импульса, как это выполнено в известном способе возбуждения, а за счет изменений условий эффективной генерации лазеров путем импульсного регулирования заселенности или незаселенности метастабильных лазерных уровней атомов металлов.

При этом, если верхний лазерный (рабочий) уровень эффективно заселяется в результате воздействия импульсов накачки, а нижний (метастабильный) уровень предварительно не заселен, то в результате спонтанного распада верхнего уровня по лазерному переходу (с некоторой вероятностью) произойдет эффективная генерация лазерного излучения, а если нижний уровень предварительно заселен, то в результате спонтанного распада верхнего уровня генерации лазерного излучения не произойдет. 

Предварительное заселение или незаселение нижнего (метастабильного) лазерного уровня в предлагаемом способе выполняется за счет импульсного изменения местоположения дополнительного импульса относительно импульса возбуждения, т.е. за счет импульсного опережения или импульсного отставания дополнительного импульса относительно импульса возбуждения при постоянном времени импульсного опережения или времени импульсного отставания дополнительного импульса.

При этом энергия дополнительного импульса должна быть достаточна только для заселения метастабильных лазерных уровней. Кроме того, дополнительный импульс должен определять только процессы заселения метастабильных уровней и не влиять на процессы релаксации населенности нижнего рабочего уровня после прохождения дополнительного импульса, т.е. находиться “вблизи” основного импульса возбуждения.

При принятых параметрах дополнительного импульса начальные условия последующего импульса возбуждения не изменятся.

Экспериментально установлено, что эффективность управления энергетическими характеристиками лазера обеспечивается в наибольшей мере, когда время импульсного опережения и время импульсного отставания дополнительного импульса, отсчитываемые от начала импульса возбуждения, меньше времени жизни метастабильных лазерных уровней (для лазеров на парах меди эта величина равна ~1,0 мкс). Кроме того, с точки зрения стабилизации параметров плазмы, обеспечиваемой постоянством параметров импульса возбуждения и дополнительного импульса, при управлении энергетическими характеристиками лазера оптимальным является такой режим работы, когда мощность, потребляемая от сети при генерации лазера (отстающем дополнительном импульсе), равна мощности, потребляемой лазером при отсутствии генерации (опережающем дополнительном импульсе). Этот режим достигается регулированием времени импульсного опережения и времени импульсного отставания дополнительного импульса от импульса возбуждения.

Энергия дополнительного импульса, которая вкладывается в разряд, относительно мала и достаточна только для заселения метастабильных лазерных уровней, и поэтому не оказывает существенного влияния на такие основные параметры плазмы, как концентрация атомов рабочего вещества, концентрация электронов и электронная температура, что и позволяет выполнять высокоскоростную импульсную модуляцию излучения лазера.

При этом, используя методы фазоимпульсной модуляции, можно управлять частотой следования импульсов генерации лазера по любому наперед заданному закону от нуля до максимального значения, а также управлять средней мощностью излучения лазера от нуля до максимального уровня. Изменяя соотношение времен работы лазера, соответствующих режиму генерации и режиму гашения, можно управлять средней мощностью излучения лазера при его работе в пакетном режиме. Кроме того, как показали эксперименты с лазером на парах меди, посредством фазоимпульсной модуляции можно осуществлять управление цветностью лазерного излучения.

Таким образом, при постоянстве энерговклада в активный элемент, в условиях стабилизированных параметров плазмы за счет изменений условий эффективной генерации лазера путем фазоимпульсного изменения местоположения дополнительного импульса относительно импульса возбуждения обеспечивается высокоскоростная импульсная модуляция доз лазерного излучения с точностью до одного импульса, работа лазера в квазимоноимпульсном и пакетном режимах, а также цветовая модуляция излучения.

Устройство для возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов, работающих в режиме саморазогрева, содержит лазерную трубку, катод и заземленный анод которой зашунтированы индуктивностью, резонатор, первый и второй коммутаторы, первый и второй емкостные накопители энергии, выводы которых объединены и соединены с катодом лазерной трубки, регулируемый высоковольтный источник питания, общий вывод которого соединен с заземленными катодами первого и второго коммутаторов, генератор запускающих импульсов, а также первую и вторую регулируемые линии задержки. В предлагаемое устройство дополнительно введены первый и второй анодные реакторы, первый импульсный подмодулятор, второй импульсный подмодулятор, нерегулируемая линия задержки, электронное реле и контроллер, причем анод первого коммутатора соединен со входом первого емкостного накопителя энергии через первый анодный реактор, анод второго коммутатора соединен со входом второго емкостного накопителя энергии через второй анодный реактор, первый вывод регулируемого высоковольтного источника питания соединен со входом первого емкостного накопителя энергии, второй вывод регулируемого высоковольтного источника питания соединен со входом второго емкостного накопителя энергии, при этом первый и второй емкостные накопители энергии выполнены в виде нелинейных искусственных формирующих линий с сосредоточенными параметрами, кроме того первый выход генератора запускающих импульсов соединен со входом регулируемого высоковольтного источника питания, второй выход генератора запускающих импульсов соединен со входом нерегулируемой линии задержки, причем выход нерегулируемой линии задержки соединен со входом первой регулируемой линии задержки и, через нормальнозамкнутые контакты электронного реле и второй импульсный подмодулятор, с управляющим электродом второго коммутатора, выход первой регулируемой линии задержки соединен со входом второй регулируемой линии задержки и, через первый импульсный подмодулятор, с управляющим электродом первого коммутатора, выход второй регулируемой линии задержки, через нормальноразомкнутые контакты электронного реле и второй импульсный подмодулятор, также соединен с управляющим электродом второго коммутатора, при этом контакты электронного реле управляются с выхода контроллера.

Выходная мощность лазеров на самоограниченных переходах атомов химических элементов определяется многими параметрами: концентрацией атомов рабочего металла и буферного газа, геометрическими размерами активной зоны и оптического резонатора, коэффициентами отражения зеркал, а также частотой повторения импульсов накачки, амплитудой импульсов напряжения и тока, длительностью их переднего фронта. Последнее, в основном, определяется параметрами коммутатора. Известно, что коммутационные потери в коммутаторе резко возрастают как при увеличении амплитуды импульса анодного тока, так и при увеличении крутизны его переднего фронта и частоты повторения импульсов, а увеличение коммутационных потерь резко снижает ресурс работы коммутатора [6].

В предлагаемом устройстве введение анодного реактора снижает как амплитуду импульса тока анода, так и крутизну переднего фронта. Таким образом достигается снижение коммутационных потерь коммутатора и повышение ресурса его работы. Но введение анодного реактора в схему с прямым разрядом накопительного конденсатора на газоразрядную трубку, как это выполнено в прототипе, резко изменяет параметры разрядного контура и ухудшает характеристики генерации из-за большого влияния скорости нарастания возбуждающего импульса тока накачки на мощность генерации. Поэтому в предлагаемом устройстве первый и второй емкостные накопители энергии выполнены в виде нелинейных искусственных формирующих линий с сосредоточенными параметрами.

В результате, в звеньях нелинейных искусственных формирующих линий, выполненных с использованием сосредоточенных емкостей и индуктивностей с насыщающимися сердечниками, т.е. в виде элементов магнитных звеньев сжатия, происходит последовательная передача энергии от звена к звену с одновременным сжатием импульса во времени, чем и обеспечивается коррекция исходного и формирование требуемого импульса тока накачки.

Кроме того, в предлагаемом устройстве введение первого и второго импульсных модуляторов, нерегулируемой линии задержки, электронного реле и контроллера, а также новая структурная схема соединения элементов системы управления позволяет производить фазоимпульсное изменение местоположения дополнительного импульса относительно импульса возбуждения в сторону предыдущего или последующего импульсов возбуждения. Это позволяет обеспечить высокоскоростную импульсную модуляцию доз лазерного излучения с точностью до одного импульса, а также работу лазера в квазимоноимпульсном и пакетном режимах.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах атомов химических элементов; на фиг.2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг.4 и 5 - осциллограммы импульсов суммарного пучка излучения, полученные при проведении испытаний промышленного лазера с активным элементом LT-10CU в квазимоноимпульсном и пакетном режимах с частотой следования импульсов 1 Гц (фиг.4), а также в квазимоноимпульсном и пакетном режимах с частотой следования импульсов 0,1 Гц (фиг.5) при использовании, соответственно, неустойчивого телескопического резонатора с увеличением М=200 и плоского резонатора. Рабочая частота следования импульсов в пакетном режиме на частоте 1 Гц составляет 12,5 кГц, а на частоте 0,1 Гц - 11 кГц.

Устройство содержит лазерную трубку 1, катод 2 и заземленный анод 3 которой зашунтированы индуктивностью 4, резонатор 5, первый 6 и второй 7 тиратронные коммутаторы, первый 8 и второй 9 емкостные накопители энергии, выходы 10 и 11 которых объединены и соединены с катодом 2 лазерной трубки 1, регулируемый высоковольтный источник питания 12, общий вывод которого соединен с заземленными катодами первого 6 и второго 7 тиратронных коммутаторов, а также генератор 13 запускающих импульсов, первую 14 и вторую 15 регулируемые линии задержки, а также дополнительно введенные первый 16 и второй 17 анодные реакторы, первый 18 импульсный подмодулятор, второй 19 импульсный подмодулятор, нерегулируемую линию задержки 20, а также электронное реле 21 и контроллер 22.

При этом анод первого 6 тиратронного коммутатора соединен со входом 23 первого 8 емкостного накопителя энергии через первый 16 анодный реактор, анод второго 7 тиратронного коммутатора соединен со входом 24 второго 9 емкостного накопителя энергии через второй 17 анодный реактор, первый вывод 25 регулируемого высоковольтного источника 12 питания соединен со входом 23 первого 8 емкостного накопителя энергии, второй вывод 26 регулируемого высоковольтного источника 12 питания соединен со входом 24 второго 9 емкостного накопителя энергии. При этом первый 8 и второй 9 емкостные накопители энергии выполнены в виде нелинейных искусственных формирующих линий с сосредоточенными параметрами.

Кроме того, первый выход генератора 13 запускающих импульсов соединен со входом регулируемого высоковольтного источника 12 питания, второй выход генератора 13 запускающих импульсов соединен со входом нерегулируемой линии 20 задержки. Выход нерегулируемой линии 20 задержки соединен со входом первой 14 регулируемой линии задержки и, через нормальнозамкнутые контакты электронного реле 21 и второй 19 импульсный подмодулятор, с сеткой второго 7 тиратронного коммутатора, выход первой 14 регулируемой линии задержки соединен со входом второй 15 регулируемой линии задержки и, через первый 18 импульсный подмодулятор, с сеткой первого 6 тиратронного коммутатора, выход второй 15 регулируемой линии задержки, через нормальноразомкнутые контакты электронного реле 21 и второй 19 импульсный подмодулятор, также соединен с сеткой второго 7 тиратронного коммутатора, при этом контакты электронного 21 реле управляются с выхода контроллера 22.

Способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов, работающих в режиме саморазогрева, осуществляется следующим образом. В режиме работы лазера, соответствующем режиму генерации, т.е. при отстающем дополнительном импульсе, от регулируемого источника питания 12 на газоразрядной трубке 1 формируются импульсы возбуждения, частота следования которых близка к оптимальной, рекомендуемой заводом-изготовителем.

Производится разогрев рабочего объема газоразрядной трубки 1 до момента начала генерации, после чего от источника питания 12 производится настройка лазера по возбуждению. При оптимальном режиме работы лазера и, соответственно, оптимальных параметрах возбуждения, при которых реализуется для каждой конкретной газоразрядной лазерной трубки 1 максимальная средняя мощность генерации в установившемся температурном режиме регистрируется потребляемая от сети мощность. Затем работа лазера переводится из режима генерации в режим гашения. При тех же параметрах накачки лазера регистрируется потребляемая от сети мощность в режиме гашения. Регулированием длительности задержки дополнительного импульса на опережение и отставание и измерением мощности, потребляемой от сети, устанавливается режим, при котором обеспечивается постоянство энерговклада как в режиме генерации, так и в режиме гашения генерации.

Замыканием контактов 1-3 или контактов 2-3 электронного реле 21, т.е изменением соотношения времен работы лазера, соответствующих режимам генерации и гашения генерации лазера (фиг.2, 3), а также изменением скважности интервалов, соответствующих режимам генерации и гашения генерации, можно осуществлять управление как энергетическими характеристиками генерации лазера, так и частотой следования импульсов излучения по любому наперед заданному закону, а также управлять энергетическими характеристиками работы лазера в пакетном режиме (фиг.4, 5).

Устройство для осуществления способа работает следующим образом. Отпирающий сигнал с первого выхода генератора 13 запускающих импульсов подают с требуемой частотой работы лазера на вход системы управления регулируемого высоковольтного источника 12 питания, и производят зарядку емкостных накопителей нелинейных искусственных формирующих линий 8 и 9 до требуемого уровня питающего напряжения. Синхронно с сигналом с первого выхода, сигнал со второго выхода генератора 13 запускающих импульсов, как это показано на фиг.2, подают на вход нерегулируемой линии 20 задержки. Сигнал на выходе линии 20 задержки формируется после действия постоянной времени задержки to, определяемой максимальным временем заряда емкостных накопителей нелинейных искусственных формирующих линий 8 и 9. Запускающий импульс на входе регулируемой линии 14 задержки формируется в целях повышения точности регулирования задним фронтом импульса с выхода нерегулируемой линии 20 задержки. Импульс на выходе регулируемой линии 14 задержки отстает от заднего фронта импульса с выхода нерегулируемой линии 20 задержки и величина этого отставания t1 изменяется за счет регулируемой линии 14 задержки. Запускающий импульс на входе регулируемой линии 15 задержки формируется задним фронтом импульса с выхода регулируемой линии 14 задержки. Импульс на выходе регулируемой линии 15 задержки отстает от заднего фронта импульса с выхода регулируемой линии 14 задержки и величина этого отставания t2 изменяется за счет регулируемой линии 15 задержки.

На выходе контроллера 22 формируются единичные сигналы, длительность которых определяется любым наперед заданным законом. При этом сигналу “ноль” соответствует нормальнозамкнутое состояние контактов электронного реле 21, а сигналу “единица” соответствует размыкание нормальнозамкнутых контактов и замыкание нормальноразомкнутых контактов электронного реле 21.

Таким образом, при необходимости формирования опережающего дополнительного импульса возбуждения лазера, контакты электронного реле 21 должны находиться в нормальнозамкнутом состоянии, а на выходе контроллера 22 отсутствовать единичный импульс. При необходимости формирования отстающего дополнительного импульса возбуждения лазера, на выходе контроллера 22 необходимо сформировать единичный импульс и замкнуть тем самым нормальноразомкнутые контакты электронного реле 21. 

Итак, при постоянном формировании на выходе контроллера 22 единичного сигнала, дополнительный импульс возбуждения всегда отстает от основного импульса возбуждения и выполняются условия полной генерации лазера на требуемой частоте работы лазера. При постоянном отсутствии единичного сигнала на выходе контроллера 22, дополнительный импульс возбуждения всегда опережает основной импульс возбуждения, и выполняются условия полного или частичного гашения генерации лазера. Газоразрядная трубка 1 лазера находится при этом в состоянии “горячего” резерва. На фиг.2 представлены временные диаграммы, поясняющие работу устройства в квазимоноимпульсном режиме, а на фиг.3 - при других временных соотношениях формирования единичного сигнала на выходе контроллера 22.

Практическая реализация работы устройства выполнена на базе промышленного лазера, в котором в качестве активного элемента использовалась отпаянная саморазогревная газоразрядная трубка “KULON LT-10CU”. Максимальная средняя мощность излучения по паспорту завода-изготовителя для этих трубок составляет 17 Вт на двух линиях генерации при частоте следования импульсов генерации 12-15 кГц. В качестве коммутаторов использовались тиратроны ТГИ2-1000/25 (основной канал) и ТГИ1-500/16 (вспомогательный канал). Максимальная потребляемая мощность от выпрямителя 1,5 кВт, максимальное рабочее напряжение на аноде основного канала 12 кВ. Нелинейная формирующая линия основного канала выполнена двухзвенной, а нелинейная формирующая линия вспомогательного канала - однозвенной. Индуктивности анодных реакторов основного и вспомогательного каналов - 15 мкГ.

Регулируемый высоковольтный источник питания представляет собой источник постоянного напряжения на неуправляемых диодах и управляемый однотактный резонансный преобразователь, на выходе которого установлен высоковольтный трансформаторно-выпрямительный блок. Время заряда емкостных накопителей энергии нелинейных искусственных формирующих линий - 30 мкс.

Регулируемые линии задержки обеспечивают диапазон регулирования до 1300 нc. Амплитуда тока импульса возбуждения основного канала до 400 А, фронт не более 60 нc, амплитуда напряжения до 20 кВ. Амплитуда тока импульса возбуждения вспомогательного канала до 40 А, амплитуда напряжения до 5 кВ. Длительность импульса возбуждения основного канала по основанию 120 нc, вспомогательного до 250 нc. При данных параметрах импульсов возбуждения основного и дополнительного каналов на рабочей частоте 12,5 кГц была получена максимальная средняя мощность генерации в установившемся режиме 16 Вт. Изменение времени срабатывания регулируемых линий задержки 14, 15, а также формирование по заранее заданному закону единичных импульсов на выходе контроллера 22 позволяет осуществлять высокоскоростную импульсную модуляцию доз лазерного излучения с точностью до одного импульса, изменять частоту следования импульсов генерации, осуществлять любую последовательность импульсов генерации (фиг.4 и 5), задавать определенное значение энергии генерации в импульсе и т.д., и позволяет, таким образом, широко использовать лазеры на самоограниченных переходах практически во всех областях науки, техники и медицины. 

Литература

1. Солдатов А.Н., Федоров В.Ф. “Квантовая электроника”, т. 10, №5, 1983, с.975.

2. Евтушенко Г.С. и др. “Журнал прикладной спектроскопии”, т.49, №5,1988.с.745-751. 

3. В.М.Батенин, В.В.Бучанов, М.А.Казарян, И.И.Климовский, Э.И.Молодых. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов - М.: “Научная книга”. 1998. - 554с; с.170.

4. Патент РФ, №2082263, С1, кл. H 01 S 3/097, опубл. 20.06.97, Бюл. №17.

5. Казаков В.В. и др. “Квантовая электроника”, т.10, №5, 1983, стр.954-960.

6. Фогельсон Т.Б., Бреусова Л.Н., Ватин Л.И. Импульсные водородные тиратроны. М.: Сов. радио, 1974.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов, работающих в режиме саморазогрева, заключающийся в формировании с каждым импульсом возбуждения одного дополнительного импульса, при этом управление энергетическими характеристиками генерации выполняется путем изменения временного расположения дополнительного импульса относительно импульса возбуждения, отличающийся тем, что при постоянстве энерговклада в активный элемент в условиях стабилизированных параметров плазмы, обеспечиваемых постоянством параметров импульса возбуждения и дополнительного импульса, управление энергетическими характеристиками генерации выполняется путем импульсного изменения временного расположения дополнительного импульса относительно импульса возбуждения, причем для обеспечения режима генерации лазера дополнительный импульс формируют после импульса возбуждения, а для обеспечения режима гашения генерации лазера дополнительный импульс формируют перед импульсом возбуждения, при этом энергия дополнительного импульса должна быть достаточна только для заселения метастабильных лазерных уровней атомов металлов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что время импульсного опережения и время импульсного отставания дополнительного импульса, отсчитываемые от начала импульса возбуждения, должны быть меньше времени жизни метастабильных лазерных уровней. 

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что стабилизация параметров плазмы дополнительно корректируется регулированием времени опережения и времени отставания дополнительного импульса. 

4. Устройство для возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов, работающих в режиме саморазогрева, содержащее лазерную трубку, катод и заземленный анод которой зашунтированы индуктивностью, резонатор, первый и второй коммутаторы, первый и второй емкостные накопители энергии, выходы которых объединены и соединены с катодом лазерной трубки, регулируемый высоковольтный источник питания, общий вывод которого соединен с заземленными катодами первого и второго коммутаторов, генератор запускающих импульсов, а также первую и вторую регулируемые линии задержки, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены первый и второй анодные реакторы, первый импульсный подмодулятор, второй импульсный подмодулятор, нерегулируемая линия задержки, а также электронное реле и контроллер, причем анод первого коммутатора соединен со входом первого емкостного накопителя энергии через первый анодный реактор, анод второго коммутатора соединен со входом второго емкостного накопителя энергии через второй анодный реактор, первый вывод регулируемого высоковольтного источника питания соединен со входом первого емкостного накопителя энергии, второй вывод регулируемого высоковольтного источника питания соединен со входом второго емкостного накопителя энергии, при этом первый и второй емкостные накопители энергии выполнены в виде нелинейных искусственных формирующих линий с сосредоточенными параметрами, кроме того первый выход генератора запускающих импульсов соединен со входом регулируемого высоковольтного источника питания, а второй выход генератора запускающих импульсов соединен со входом нерегулируемой линии задержки, причем выход нерегулируемой линии задержки соединен со входом первой регулируемой линии задержки и через нормально замкнутые контакты электронного реле и второй импульсный подмодулятор - с управляющим электродом второго коммутатора, выход первой регулируемой линии задержки соединен со входом второй регулируемой линии задержки и через первый импульсный подмодулятор - с управляющим электродом первого коммутатора, выход второй регулируемой линии задержки через нормально разомкнутые контакты электронного реле и второй импульсный подмодулятор также соединен с управляющим электродом второго коммутатора, при этом контакты электронного реле управляются с выхода контроллера.



ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru