ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР


RU (11) 2056683 (13) C1

(51) 6 H01S3/09 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

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

(21) Заявка: 5056566/25 
(22) Дата подачи заявки: 1992.05.28 
(45) Опубликовано: 1996.03.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Авторское свидетельство СССР N 460013, кл. H 01S 3/09, 1978. 2. Европейская заявка N 0285673, кл. H 01S 3/097, 1988. 3. Заявка РСТ N 83/03927, кл. H 01S 3/097, 1983. 
(71) Заявитель(и): Институт общей физики РАН 
(72) Автор(ы): Минеев А.П.; Полушин П.А.; Самойлов А.Г.; Самойлов С.А. 
(73) Патентообладатель(и): Институт общей физики РАН 

(54) ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР 

Использование: в квантовой электронике, а именно в системах накачки газовых лазеров, в частности CO2-лазеров. Сущность изобретения: в газовый лазер, содержащий последовательно включенные генератор высокочастотной мощности, направленный ответвитель, кабель, блок согласования и излучатель лазера, введены фазовращатель, первый и второй перемножители, первый и второй интеграторы. 1 з. п. ф-лы, 3 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в системах накачки газовых лазеров, в частности СО2-лазеров.

Известен газовый лазер [1] содержащий внешний высокочастотный (ВЧ) генератор для возбуждения активной среды лазера.

Однако данный лазер имеет невысокий КПД в случае изменяющегося импеданса газоразрядной трубки в процессе работы. При этом уменьшается отдаваемая лазером световая мощность.

Известен газовый лазер [2] содержащий ВЧ-генератор, согласующее устройство в виде П-образного четырехполюсника, передающий кабель и лазерный излучатель. Согласующее устройство обеспечивает равенство выходного импеданса ВЧ-генератора с импедансом лазерной трубки при первоначальной настройке лазера.

Однако для нормальной работы волновое сопротивление передающего кабеля должно быть также равно пересчитанному активному сопротивлению входного импеданса лазерной трубки в различных режамах излучения, а реактивные составляющие при этом скомпенсированы. В виду производственного разброса параметров конкретных экземпляров лазеров в согласующем устройстве требуются подстроечные элементы.

В качестве прототипа выбран газовый лазер [3] содержащий последовательно включенные ВЧ-генератор, направленный ответвитель, блок согласования и излучатель лазера. Лазер включает в себя устройство для согласования изменяющихся импедансов (вариконд или варикап) лазерной трубы с выходным импедансом ВЧ-генератора, средство для обнаружения изменения импеданса лазерного излучателя, например направленный ответвитель, средство для изменения импеданса устройства согласования, включающее в себя детектор, фильтр, регулирующий усилитель постоянного тока, эффективное средство зажигания разряда, включающее в себя средство согласования импеданса, представляющее собой настроенный резонансный контур из индуктивности и конденсатора.

Недостатки подобного решения состоят в том, что при долговременном изменении параметров лазера либо изменении параметров при управлении лазерным излучением (например, внешней регулировке его отдаваемой мощности) полное согласование недостижимо, что снижает КПД лазера. Кроме того, не достигается взаимозаменяемость составных частей лазера из-за производственного разброса электрических параметров лазерных трубок.

Технической задачей изобретения является повышение КПД, надежности и стабильности оптимального режима работы в условиях производственного разброса параметров лазерных трубок, изменение их параметров при долговременной работе и при внешнем изменении режима излучения.

Это достигается тем, что в газовый лазер, содержащий последовательно включенные высокочастотный генератор, направленный ответвитель, кабель, блок согласования и излучающую лазерную головку, введены фазовращатель, первый и второй перемножители, первый и второй интеграторы, причем первые входы обоих перемножителей подключены к ответвляющему выходу направленного ответвителя, второй вход первого перемножителя соединен непосредственно с выходом высокочастотного генератора, а второй вход второго перемножителя соединен с выходом генератора через фазовращатель, выходы первого и второго перемножителей через соответственно первый и второй интеграторы подключены к второму и третьему входам блока согласования, при этом блок согласования содержит первый, второй и третий регулируемые элементы, первый регулируемый элемент соединен с первым и вторым входами блока согласования и корпусом устройства, третий регулируемый элемент с выходом и третьим входом блока согласования и корпусом устройства, а второй регулируемый элемент с первым и третьим входами и выходом блока согласования.

Технических решений, в которых использованы отличительные признаки заявляемого решения, из источников информации не выявлено, следовательно, оно отвечает критерию изобретения "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена структурная схема газового лазера; на фиг. 2 изображены схемы, поясняющие вывод формул; на фиг. 3 показан пример выполнения блока согласования.

Газовый лазер содержит ВЧ-генератор 1, лазерный излучатель 2, направленный ответвитель 3, блок 4 согласования, фазовращатель 5 на 90о, первый 6 и второй 7 перемножители, первый 8 и второй 9 интеграторы, первый 10, второй 11 и третий 12 регулируемые элементы блока согласования, ВЧ-кабель 13, дроссели 14-17, индуктивности 18, 19, варикапы 20, 21, 22, конденсаторы 23-27.

Газовый лазер работает следующим образом.

ВЧ-генератор 1 вырабатывает высокочастотный сигнал, который через направленный ответвитель 3 передается по ВЧ-кабелю 13, проходит через блок 4 согласования и питает лазерную головку 2. Выходное сопротивление генератора равно волновому сопротивлению кабеля и представляет собой постоянную стандартную величину. Входной импеданс лазерной головки Zвхимеет комплексный характер, меняющийся при изменении режима работы, при переходе от экземпляра к экземпляру и с течением времени. Для его согласования с волновым сопротивлением кабеля W служит блок 4 согласования. В случае его отсутствия из-за неравенства Zвх и W большая часть ВЧ-энергии отражается обратно, при этом падает КПД. Блок 4 согласования образован подстроечными элементами 10, 11, 12, соединенными по П-образной схеме. Номиналы всех элементов могут регулироваться внешним напряжением с управляющих второго и третьего входов блока согласования. Сигналы на эти входы поступают с выходов первого 8 и второго 9 интеграторов, которые вырабатывают напряжения, пропорциональные интегралам по времени от выходных напряжений первого 6 и второго 7 перемножителей. На первый вход обоих перемножителей поступает сигнал от направленного ответвителя, а на вторые входы от ВЧ-генератора. Сигнал ВЧ-генератора, поступающий на второй вход второго перемножителя, предварительно сдвигается по фазе на 90о в фазовращателе 5. Направленный ответвитель 3 построен таким образом, что ответвляет определенную часть мощности, отраженной от нагрузки кабеля, причем сигнал от ВЧ-генератора в ответвленное напряжение не попадает.

Принцип работы устройства основан на следующем. Блок 4 согласования должен перестроить номиналы элементов 10, 11, 12 таким образом, чтобы достичь минимального уровня отраженной мощности Ротр, близкого к нулю. Сами элементы выполнены реактивными, поэтому в них ВЧ-энергия не поглощается. Таким образом, при Ротр _ 0 вся мощность, вырабатываемая генератором, попадает в нагрузку.

Для управления перестройкой элементов блока 4 согласования используется информация, заключенная в отраженном сигнале. Действительно распределение комплексной амплитуды падающей волны вдоль длинной линии, которую представляет собой кабель 13, описывается уравнением

(x)=(0)e-x, где (0) комплексная амплитуда в начале линии; х пространственная координата вдоль линии; коэффициент фазы, зависящий от марки кабеля.

При длине кабеля l сигнал на входе блока согласования равен (0)e-l Если согласование отсутствует (коэффициент отражения 0), то отраженный сигнал в конце кабеля (l)= (0)e-l. Вдоль координаты Х отраженный сигнал описывается формулой (x)=(l)e-(l-x) На входе кабеля (0)= (l)e-l=Uпад(0)e-2l.

Таким образом, отношение отраженного сигнала к падающему на входе кабеля равно e-2l

Кабель 13, подводящий энергию к блоку согласования, выбирается определенной длины так, чтобы 2 l 2 k, где k целое, т.е. длина должна быть кратна отрезку величиной x При этом e- l=1 коэффициент =(0)/(0) может быть измерен отдельно.

В то же время

, где Zвх входной импеданс блока согласования. С учетом того, что Zвх=Rвх+jХвх, преобразуют

.

Действительная часть коэффициента 

Re{} , (1)

мнимая часть 

Im{} . (2)

Отраженная мощность Pотр=P.

Управление перестройкой блока согласования должно осуществляться так, чтобы минимизировать Ротр. Регулируемые элементы 10, 11, 12 блока 4 согласования (фиг. 1) имеют реактивные сопротивления Z1, Z2, Z3соответственно.

Перестройку параметров Z1, Z2, Z3 элементов блока настройки необходимо осуществлять по закону

где коэффициенты а1, а2, а3 могут изменяться, но всегда остаются положительными. В этом случае подстройка приводит к Ротр _ 0. Технически это осуществляется следующим образом.

Случаю Ротр= 0 соответствует ситуация Rвх _ W, Хвх_ 0. Рассматривая формулы (1) и (2), видим, что знак величины Im{} совпадает со знаком Хвх, Sign(Im{})=Sign(Xвх), а когда Хвх=0, то Im{}0.

Если более быстрой перестройкой Хвх уже обеспечено равенство Хвх=0, то знак (Rвх-W) совпадает со знаком Re{}

Sign(Re{ } )=Sign(Rвх-W), кроме того, при Rвх-W=0 также выполняется равенство Re{}0.

Важной является пропорциональность функций Re{ } Im{ } и величин (Rвх-W), Хвх, а коэффициент пропорциональности значения не имеет, влияя лишь на скорость подстройки.

Напряжения, пропорциональные функциям Re{ } и Im{} вырабатываются в перемножителях 6 и 7. Действительно на выходе перемножителя вырабатывается напряжение Un=, где знак "-" означает усреднение по времени; и входные сигналы перемножителя; знак "*" означает комплексное сопряжение.

Пусть генератор вырабатывает сигнал Uг= (0)ejot где o- частота колебаний. Тогда отраженный сигнал, поступающий на оба перемножителя, Uотр= (0)ejot=(0)e, поскольку e- l1.

В результате их перемножения на выходе первого перемножителя 6 образуется сигнал (без учета собственного коэффициента передачи перемножителя)

U1п= Re{} PпадRe{}Re{}

так как (ej o t)* ej o t.

Он пропорционален Re{} так как мощность генератора постоянна.

Напряжение на выходе второго перемножителя U2n=Re{} где знак " " означает фазовый сдвиг на 90о в фазовращателе 5. Тогда = (0)ej(ot+/2)=jUотр(0)ej<IMG SRC="http://www.fips.ru/chr/969.gif" ALIGN=BASELINE>ot.

Тогда URe{ j}Im{} т.е. выходное напряжение второго перемножителя 7 пропорционально мнимой части коэффициента отражения. Следовательно, оба напряжения указывают на необходимое направление изменений Хвх и (Rвх-W).

Величины Хвх и Rвх зависят от номиналов элементов 10, 11, 12 Z1, Z2, Z3 и входного импеданса Z4 лазерной головки.

Для удобства расчет этих зависимостей производят в терминах проводимостей. Естественно, необходимое направление перестройки проводимости противоположно необходимому направлению перестройки сопротивления. Обозначим через gн и lн действительную и мнимую части проводимости нагрузки лазерной головки, yн=gн+jbн.

Элементы 10, 11, 12 блока согласования реактивные для того, чтобы не поглощалась активная ВЧ-мощность генератора, т.е.

y1 jb1; y2 jb2; y3 jb3.

Тогда входная проводимость блока согласования

yвх +jbвх=jb1 + jb1 + 

+ jb1+jb

Таким образом, ее действительная и мнимая составляющие

(3)

От величины b1 зависит только входная реактивная проводимость, следовательно, регулировка по b1 может быть осуществлена независимо от других.

Входные проводимости и сопротивления связаны соотношением для параллельного эквивалента (см. фиг. 2).

Zвх=Rвх+jXвх 

Отсюда

Rвх Xвх .

Знак реактивной проводимости обратный по отношению к реактивному сопротивлению, т.е. Sign bвх=-Sign U2п.

С помощью изменения величины l1 изменяется bвх таким образом, чтобы обеспечить bвх _ 0. Если bвх > 0, то необходимо уменьшать b1, если bвх <0, то необходимо увеличивать b1, те. b1/ t должен быть пропорционален (-bвх), b1/t= -Abвх=AsignU2п, где А положительный коэффициент пропорциональности. Важно, что знак А постоянен, а изменение А по времени влияет только на скорость настройки.

Тогда b1 U2пdt, где Т1 постоянная времени интегрирования, это осуществляется с помощью первого интегратора 8. Напряжение на выходе этого интегратора изменяется до тех пор, пока его входной сигнал не станет равным нулю. Это соответствует случаю bвх=0, Хвх=0, а достигается изменением величины элемента 10 с помощью выходного сигнала интегратора 8.

Постоянная времени первого интегратора 8 выбрана много больше постоянной времени второго интегратора 9. Поэтому перестройка проходит много быстрее, чем Rвх. Когда Хвх станет близким к нулю, то Rвх=1/gвх, увеличение gвх прямо пропорционально уменьшению Rвх. В то же время знак Sign U1п=Sign(Rвх-W) указывает на соотношение Rвх и W, т.е. в каком направлении изменять Rвх, чтобы обеспечить Rвх=W, следовательно, и в каком направлении изменять gвх.

Управление gвх производится одновременной регулировкой величин b2 и b3. Основная регулировка производится с помощью изменения b2, а b3изменяется зависимо от b2 в направлении, противоположном изменению b2таким образом, чтобы сумма b2+b3=bост была равна небольшой остаточной величине, близкой к нулю. В этом случае знаменатель дроби формулы (3)

gн2+(b2+b3+bн)2= gн2+(bост+bн)2 const, а величина gвх прямо пропорциональна величине b22.

Необходимо, чтобы величина элемента b1 могла быть как больше, так и меньше нуля.

В отношении величины элемента b2 достаточно, чтобы она менялась от нуля в одном из направлений (напиример, b2 0 ), тогда b3 должна быть меньше нуля или наоборот.

Если Rвх-W<0, то Rвх надо увеличивать, gвх уменьшать b2 уменьшать, если Rвх-W<0, то Rвх надо уменьшать, gвх увеличивать, b2 увеличивать, т.е. b2 должна управляться по закону

Asign(Rвх-W)= AsignU1п, где А положительный коэффициент пропорциональности. Таким образом,

b2 U1пdt, где Т2 постоянная времени интегрирования. Это осуществляется с помощью второго интегратора 9. На его выходе напряжение меняется до тех пор, пока на входе сигнал не станет равным нулю, что соответствует выполнению равенства Rвх=W. Измнение выходного напряжения интегратора управляет перестройкой b2, тем самым изменяя gвх и Rвх. Равенство нулю сигналов на входах обоих интеграторов соответствует отсутствию отраженной мощности Ротр= 0, т. е. полному согласованию блока 4 согласования с фидером 13 и лазерным излучателем 2.

Если в процессе работы параметр gн или b4 изменяется, то равеновесие нарушается, U1п или U2п не станет равным нулю, выходное напряжение интеграторов начинает изменяться, изменяя значения b1, b2, b3и с ними Rвх, Хвх до тех пор, пока вновь это изменение не уравновесится. Изменение величины b3 производится одновременно с b2 и для этого используется тот же сигнал второго интегратора 9.

Устройство в целом осуществляет беспоисковый режим слежения за изменениями входного импеданса лазерной головки и их компенсации как в динамическом режиме работы, так и при долговременной эксплуатации, а также при замене конкретного экземпляра головки другим.

Вариант практической реализации управляемого блока согласования представлен на фиг. 3. На первый вход подается ВЧ-сигнал с кабеля 13, выход подключен к лазерной головке 2. Управляющие напряжения Uупр1 и Uупр2 подаются соответственно на второй и третий входы блока согласования, на схему через дроссель 17 также подается постоянное напряжение "подпорки" Uп, уровень которого определяется маркой конкретных используемых варикапов.

Схема согласования работает следующим образом. Номиналы дросселей 14-17 выбраны таким образом, чтобы для ВЧ-сигнала они представляли осбой большое сопротивление (Хgp>> W). При этом низкочастотные управляющие сигналы через них проходят практически без изменений, а для ВЧ-сигналов они представляют собой разрыв цепи.

Конденсаторы 23-25, 27 выбирают большой емкости, чтобы на рабочих частотах их реактивное сопротивление было очень малым (Хс<< W). Тогда для ВЧ-сигнала их присутствие можно не учитывать, а для управляющих сигналов они представляют собой разрыв цепи. Конденсатор 26 вспомогательный.

Таким образом, для ВЧ-сигнала блок в целом имеет П-образную структуру, элемент 10 составлен из параллельно соединенных индуктивности 19 и варикапа 22, элемент 11 из параллельно соединенных индуктивности 18 и варикапа 20, элемент 12 из варикапа 21 и параллельно ему конденсатора 26.

На варикап 22 подается управляющее напряжение Uупр1 0, на варикап 20 напряжение Uупр2 0. Напряжение "подставки" постоянно по времени и больше, чем Uупр2. На варикапе 21 присутствует управляющее напряжение Uупр=Uп-Uупр2. С ростом Uупр2 напряжение Uупр3 одновременно уменьшается.

Емкость варикапов может меняться под воздействием управляющего напряжения в определенных пределах Сmin-Cmax. Соответственно меняется их реактивное сопротивление.

Элемент 11 состоит из последовательно включенных индуктивности 19, конденсатора 27, параллельно им варикапа 22 и последовательно с этой цепью конденсатора 23. Реактивные сопротивления конденсаторов 23 и 27 на рабочей частоте Х23<<Х27<<Хупр1 на землю через индуктивность 19. На ВЧ-сигнал они не влияют и в дальнейшем их можно не учитывать.

При изменении емкости варикапа 22 С22 от С22min до C22max ее проводимость меняется от b22min= С22min до b22max= C22max. Номинал индуктивности 19 выбирается таким образом, чтобы ее проводимость b19= -1/(L19) (b22max+b22min). При этом с изменением емкости варикапа 22 от Сmin до Cmax суммарная проводимость элемента 11 b1=B19+b22 меняется от (b22max-b22min) до (b22max-b22min), проходя через ноль, как и требуется алгоритмом управления.

Элемент 11 составлен из последовательно соединенных индуктивности 18, конденсатора 25 и параллельно им варикапа 20. Номинал конденсатора 25 С25 таков, что его сопротивление X25 X18=L18 и его присутствие на ВЧ-сигнале не сказывается. Он здесь необходим лишь для того, чтобы индуктивность 18 не замыкала по постоянному току управляющее напряжение Uупр2 на землю.

Емкость варикапа 20 может меняться в пределах от С20min до C20max. Индуктивность L18 выбирают таким образом, чтобы проводимость элемента 11 b2min= + C20min=0. При этом обеспечивается требуемый для осуществления алгоритма интервал изменения b2 от нуля до b2max= + C20max.

Интервал изменения b3 должен быть такой же, т.е. b3max-b3min=b2max; C3max--C3min=C2max-C2min.

Конденсатор 26 дополнительный, он используется только если в конкретном случае необходимо подстроить диапазоны совместного изменения емкостей варикапов 20 и 21. Напряжение "подставки" Uп выбирается, исходя из конкретных типов используемых варикапов по их регулировочным характеристикам.

Большинство конкретных типов варикапов имеет отрицательный наклон характеристики С(Uупр). Если используются такие варикапы, у которых проводимость уменьшается с увеличением управляющего напряжения, то интеграторы 8 и 9 должны вырабатывать сигнал вида Uвых= Uвхdt т.е. равный интегралу, взятому с обратным знаком, что легко реализуемо практически. Возможны и другие варианты конкретной реализации схемы блока согласования.

Использование заявляемого устройства в целом позволит повысить КПД и обеспечить стабильность и надежность работы лазерной головки в различных режимах и условиях эксплуатации. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, содержащий последовательно включенные высокочастотный генератор, направленный ответвитель, кабель, блок согласования и излучатель лазера, отличающийся тем, что в него введены фазовращатель, первый и второй перемножители, первый и второй интеграторы, причем первые входы обоих перемножителей подключены к ответвляющему выходу направленного ответвителя, второй вход первого перемножителя соединен с выходом высокочастотного генератора через фазовращатель, а второй вход второго перемножителя соединен непосредственно с выходом высокочастотного генератора, выходы первого и второго перемножителей через соответственно первый и второй интеграторы подключены соответственно к второму и третьему входам блока согласования, при этом блок согласования содержит первый, второй и третий регулируемые элементы, первый регулируемый элемент блока согласования соединен с первым и вторым входами блока согласования и корпусом устройства, третий регулирующий элемент - с выходом и третьим входом блока согласования и корпусом устройства, а второй регулируемый элемент - с первым и третьим входами и выходом блока согласования.

2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что блок согласования выполнен по П-образной схеме и в качестве регулируемых элементов использованы варикапы.


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