Импульсный лазер на парах металлов (его варианты)

 

СО!03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИ IFCKVIX

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 01 S 3/134

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3636197/25 (22),26. 08. 83 (46) 23.09,92. Бюл. N 35 (72) М.А. Алаев, В.Б. Беляев, B,Ã, Бондарев, iO.Ï. Михайлов и В.M. Черезов (53) 621,375.8 (088.8) (56) Патент США N 3464025, кл, 331-94,5, 1969.

Авторское свидетельство СССР йг 1026624, кл. Н 01 S 3/22, 1981, (54Х57) 1 ИМПУЛЬСНЫИ ЛАЗЕР НА ПАРАХ

МЕТАЛЛОВ (ЕГО ВАРИАНТЫ), содержащий разрядную трубку с электродами, накопительный конденсатор, подключенный к источнику питания. коммутатор и катушку индуктивности, расположенную коаксиально струбкой, отл и ч а ю щийс я тем, что, с целью повышения мощности и стабильность излучения лазера, в него введены второй коммутатор и импульсный трансформатор, катушка индуктивности выполнена в виде двух секций, каждая секция включена между одним из коммутаторов и одним из крайних выводов первичной обмотки трансформатора, средняя точка которой подключена к накопительному конденсатору, при этом вторичная обмотка трансформатора соединена с электродами трубки, а величина индуктивности каждой секции катушки составляет 0,01-0.1 от индуктивности первичной обмотки трансформатора.

2. Импульсный лазер на парах металлов, содержащий разрядную трубку с электродами, накопительный конденсатор, подключенный к источнику питания, коммутатор и катушку индуктивности, расположенную коаксиально с трубкой, о т л и ч а ю„., Я2 „„1 1 31418 А1 шийся тем, что, с целью повышения мощности и стабильности излучения лазера, в него введены второй коммутатор и импульсный трансформатор, крайние выводы первичной обмотки трансформатора соединены с коммутаторами, а ее средняя точка подключена через катушку индуктивности к накопительному конденсатору, при этом вторичная обмотка трансформатора соединена с электродами трубки, а величина индуктивности катушки составляет 0,010,1 от индуктивности первичной обмотки трансформатора.

3. Импульсный лазер на парах металлов, содержащий разрядную трубку с электродами, накопительный конденсатор, подключенный к источнику питания, коммутатор и катушку индуктивности, расположенную коаксиально с трубкой, о т л и ч а l0шийся тем, что, с целью повышения мощности и стабильность излучения лазера, в него введены второй коммутатор, импульсный трансформатор и обострительный конденсатор, катушка индуктивности выполнена в виде двух секций, каждая секция включена между одним иэ электродов и одним из выводов вторичной обмотки трансформатора, крайние выводы первичной обмотки трансформатора соединены с коммутаторами, а средняя гочка этой обмотки подключена к накопительному конденсатору, при этом обострительный конденсатор подключен к электродам трубки, а величина индуктивности каждой из секций катушки составляет 0,01-0,5 от индуктивности вторичной обмотки трансформатора.

1131410

Изобретение огносится к области кван < ãой электроники и может быть использоîзно при создании стабильных по мощности импульсных саморазогревных лазеров на парсlx металлов.

Известе, I импульсный лазер на парах металлов, содержащий разрядную трубку с электродами, накопительный конденсатор, подключенный к источнику питания, коммутатор и импульсный трансформатор, вторичная обмотка которого подсоединена к электродам разрядной трубки.

Недостатками известного устройства являются нестабильность мощности излучения и невозмо>кно ть дальнейшего повышения величины мощности, Первый недостаток является следствием того, что нет обратной связи между мощностью накачки и концентрацией паров металла в активной зоне лазера. Оясутствие обратной связи приводит к тому, что при увеличении (сни>кении) концентрации паров металла в активной зоне мощности накачки не снижается (увеличивается). Поэтому относительная нестабильность мощности и излучения в процессе работы лазера. может достигать

100jn. Второй недостаток связан с ограниченностью частоты срабатывания одного коммутатора.

Известен импульсный лазер на парах металла. который по своей технической сущности наиболее близок к изобретению.

Лазер содер>кит разрядную трубку с электродами, накопительный конденсатор, подключенный к источнику питания, коммутатор и катушку индуктивности, расположенную коаксиально с трубкой.

Преимущество этого устройс ва перед аналогом заключается в TQM, что B нем имеется обратная связь ме>кду концентрацией паров рабочего вещества и мощностью накачки, что позволяет уменьшить несгабильность мощности излучения до +5 .

Недостатки известного устройства заключаются в невозмо>кности дальнейшего повышения мощности и стабильности излучен/1я.

Эти недостатки вызваны тем, что испо,)ьзуется один коммутатор. подключенный последовательно с активным элементом, а также тем, что изменение индуктивности катушки, расположенной коаксиально с трубкой, при изменении концентрации паров металла слабо влияет на разрядный ток, т.е. на мощность накачки, поскольку обратная связь осуществляется через изменение скорости перезарядки накопительного конденсатора. При большой величине накопительного конденсатора, что необходимо для получения высокой

1.0

55 мощности излучения. скорость перезарядки при изменении индуктивности катушки изменяется незначительно.

Целью изобретения является повышение мощности и стабильности излучения лазера.

Укаэанная цель достигается тем (первый вариант изобретения), что в импульсный лазер на парах элементов, содержащий разрядную трубку с электродами, накопительный конденсатор, подключенный к источнику питания, коммутатор и катушку индуктивности, расположенную коаксиально с разрядной трубкой, введены второй коммутатор и импульсный трансформатор, катушка индуктивности выполнена в виде двух секций, каждая секция включена между одним из коммутаторов и одним из крайних выводов первичной обмотки трансформатора, средняя точка которой подключена к накопительному конденсатору, при этом вторичная обмотка трансформатора соединена с электродами трубки, а величина индуктивности каждой секции катушки составляет 0,01 — 0,1 от индуктивности первичной обмотки трансформатора, Во втором варианте изобретения в импульсный лазер на парах металлов, содер>кащий разрядную трубку с электродами, накопительный конденсатор, подключенный к источнику питания, коммутатор и катушку индуктивности, расположенную коаксиально с разрядной трубкой, введены второй коммутатор и импульсный трансформатор, крайние выводы первичной обмотки трансформатора соединены с коммутаторами, а ее средняя точка подключена через катушку индуктивности к накопительному конденсатору, при этом вторичная обмотка трансформатора соединена с электродами трубки, а величина индуктивности катушки составляет 0,01-0,1 от индуктивности первичной обмотки трансформатора.

В третьем варианте изобретения в импульсный лазер, содержащий разрядную трубку с электродами, накопительный конденсатор, подключенный к источнику питания, коммутатор и катушку индуктивности, расположенную коаксиально с разрядной трубкой, введены второй коммутатор, импульсный трансформатор и обострительный конденсатор, катушка индуктивности выполнена в виде двух секций. каждая секция включена между одним из электродов и одним из выводов вторичной обмотки трансформатора, крайние выводы первичной обмотки трансформатора соединены с коммутаторами, а средняя точка этой обмотки подключена к накопительному конденсатору, при этом обострительный конденсатор

1131418 подключен к элекTðîäÿì трубки, а величина индуктивности каждой из секций катушки составляет 0.01-0.05 от индуктивносги вторичной обмотки трансформатора.

На фиг. 1 изображен первый вариант конструкции лазера: на фиг. 2 — второй ва.риант; на фиг. 3 — третий вариант конструкции.

Импульсный лазер согласно первому варианту изобретения включает разрядную трубку 1 активного элемента, в которой расположены электроды 2. подсоединенные к вторичной обмотке импульсного трансформатора 3 и ампулы с рабочим веществом 4.

Разрядная трубка 1 расположена в оптическом резонаторе. образованном зеркалами

5, секции катушки индуктивности 6 размещены коаксиально с разрядной трубкой между электродами 2 и подключены последовательно с первичной обмоткой импульсного трансформатора 3 и коммутаторами 7 и 8. К средней точке первичной обмотки трансформатора подключен накопительный конденсатор 9, соединенный с источником постоянного напряжения.

Величина каждой секции катушки индуктивности 6 выбирается в пределах от

0.01 до 0,1 индуктивности первичной обмотки трансформатора.

При меньшей величине этих индуктивностей падение напряжения на них практически не оказывает влияния на величину разрядного тока.

При большей их величине падение напряжения на них становится настолько большим, что снижает мощность лазера более чем на 10, так как уменьшается напряжение, прикладываемое к электродам 2.

Работа лазера, выполненного по первому варианту, происходит следующим образом.

Накопительный конденсатор заря>кается от источника постоянного напря>кения до определенной величины. после чего срабатывает один из коммутаторов. Конденсатор

9 разряжается ч рез одно из плеч первичной обмотки импульсного трансформатора.

3, одну из катушек индуктивности 6 и сработавший коммутатор 7 или 8. Во вторичной обмотке импульсного трансформатора возникает высокое напряжение(20 кВ), которое прикладывается к электродам 2 и приводит к зажиганию разряда в трубке 1.

Коммутаторы 7 и 8 срабатывают поочередно. Применение двух коммутаторов, соединенных через импульсный трэнсформатор, позволяет увеличить импульсный разрядный ток и повысить частоту срабатывания лазера, а следовательно, повысить

3 5

50 импульсную и среднк>ю мощность изчучения лазера.

После разогрева активной зоны до рабочей температуры в ней по я вл як. тс я пары рабочего вещества и возникаег генерации излучения.

Перегрев активной зоны, например,изза изменения условий охлаждения, вызывает увеличение концентрации паров металла в ней (между электродами 2), что эквивалентно вне.:ению металлического сердечника в катушке индуктивности 6. В результате увеличивается их индуктивность и. следовательно, индуктивное сопротивление.

При этом происходит перераспределение напряжения s цепи разряда конденсатора 9, заключающееся в том, что на секции катушек 6 падение напряжения возрастает. а на первичной обмотке трансформатора 3 оно снижается. На вторичной обмотке трансформатора напряжение также снижается, а следовательно, уменьшается и разрядный ток в активном элементе. В результате этого уменьшается и мощность накачки, что прекращает рост температуры активной зоны. При этом концентрация паров рабочего вещества также перестает возрастать. Этот процесс в сочетании с уменьшением разрядного тока приводит к прекращению роста мощности излучения или ее снижению, т.е. мощность излучения лазера стабилизируется, При уменьшении температуры активной зоны происходит уменьшение концентрации паров металла и снижение индуктивности катушек 6. Перераспределение напряжения между первичной обмоткой трансформатора 3 и катушкой 6 приводит к увеличению разрядного тока и дополнительному подогреву активной зоны и. следовательно, увеличению концентрации паров металла и мощности излучения

Таким образом, появляется обратная связь между концентрацией паров металла в активной зоне и мощностью накачки, что позволяет осуществлять стабилизацию температуры активной зоны в заданном диапазоне подбором величины индуктивности катушки 6.

Второй вариант лазера по изобретению включает те же элементы, что и первый (фиг.

2). Отличие заключается в том, что в нем используется катушка индуктивности 6. размещенная коаксиально с разрядной трубкой 1 и подключенная между средней точкой первичной обмотки импульсного трансформатора 3 и накопительным конденсатсром

9.

Величина индуктивнности катушки 6 выбирается также в пределах от 0.(31 до 0 1.» ну тивности перви гной обмотки импуль о трлн<:форматора Тр. Зго обьясняется

«м, ч о во втором варианте индуктивность

6 работает попеременно с каждым. плечом первичной обмотки трансформатора.

Работа лазера. выполненного по второму варианту, аналогична работе лазера, выполненного по первому вариангу, Различие заключается в том. что накопительный конденсатор 9 при срабатывании коммутаторов

7 и 8 всегда разряжается через индуктивность 6 и попеременно через одно из плеч первичной обмотки трансформатора Тр, Появление паров металла в активной зоне также вызывает изменение величины индуктивности катушки б. При эгом происходит перераспределение напряжения в цепи разряда накопительного конденсатора 9, в результате которого при перегреве активной зоны мощность накачки снижается, а при недогреве возрастает. Следовательно, появляется обратная связь между мощность накачки и концентрацией паров металлов в активной зоне лазера. Как и в первом варианте, это позволяет осуществить эффективную стабилизацию температуры активной зоны лазера, а следовательно, стабилизацию мощности его излучения.

В лазере, выполненном согласно третьему варианту, коаксиально с разрядной трубкой 1 снаружи трубки располо>кены секции катушки индуктивности 6, подсоединенные к вторичной обмотке импульсного трансформатора 3 последовательно с разрядным промежутком. Секции катушки индуктивности 6 соединены между собой через подключенный параллельно разрядному проме>кутку обострительный конденсатор 10. Первичная обмотка импульсного трансформатора 3 подключена к анодам коммутаторов 7 и 8, а средняя точка первичной обмотки — к накопительному конденсатору 9, соединенному с источником постоянного напряжения.

Величина индуктивности катушки 6 выбирается в пределах от 0,01 до 0,05 индуктивности вторичной обмотки трансформатора. При меньшей величине индуктивчостей этих катушек они не оказывают влияния на процессы в разрядной трубке, При большей их величине импульсный раз рядн ы и ток н е достигает нужной. величины, так как обострительный конденсатор 10 не успевает полностью зарядиться через них к приходу погледующего импульса. Работа лазера, выполненного по третьему варианту, происходит следующим образом.

Конденсатор 9 заряжается до определенной величины, после чего срабатывает один из коммутаторов и по одному из плеч

55 первичной обмотки импульсного трансформатора 3 происходит разряд конденсатора

9. Во вторичной обмотке, импульсного трансформатора при этом возникает высокое напряжение.

При этом емкость 10 начинает заряжаться через секцию катушки индуктивности 6. После достижения напряжения на емкости 10 необходимой величины зажигается разряд между электродами 2. и емкость

10 разряжается через промежуток.

В процессе работы лазера происходит разогрев активной зоны до рабочей температуры и в ней появляются пары рабочего вещества и создаются условия для генерации излучения, Перегрев активной зоны сопровождается увеличением концентрации паров металла в ней, что вызывает увеличение индуктивностей катушки 6. При этом скорость заряда емкости 10 уменьшается и к моменту возникновения разряда в активной зоне она зарядится неполностью. Это приводит к уменьLUåнию разрядного тока, т.е, мощности накачки, а следовательно, снижению температуры активной зоны и концентрации паров металла. Все это приведет к прекращению роста мощности лазера.

При уменьшении температуры активной зоны происходит уменьшение концентрации паров металла, вызывающее уменьшение индуктивностей катушки 6, При этом емкость 10 успевает зарядиться до большей величины и разряд происходит при больших токах, Это прекращает снижение температуры активной зоны и, следовательно, мощности излучения.

Таким образом,в этом случае также создается обратная связь между концентрацией паров металла в активной зоне и мощностью накачки, позволяющая осуществить стабилизацию температуры активной зоны.

Катушки индуктивности 6 в данном случае являются также поджигающими электродами, позволяющими зажигать разряд при высоких давлениях.

Третий вариант предлагаемого импульсного лазера может быть использован при больших давлениях буферного газа в активном элементе с активной зоной, длина которого превышает 300-350 мм. В этом случае катушка индук ивности позволяет понизить напряжение зажигания разряда в лазере до приемлемой величины (10 кВ).

Первый вариант импульсного лазера может быть использовано также для длинных разрядных трубок с длиной активной зоны, превышающей 300-350 мм, При такой длине активной зоны концентрация паров

1 131418 и2. металла в различных местах ее может существенно разли <а1ься. В зтом случае две секции катушки дают более точную информацию о средней концентрации паров в активной зоне, чем одна секция катушки.

При меньшей длине активной зоны (для малогабаритных импульсных лазеров) возможно применение второго варианта лазера, Использование одной секции катушки индуктивности упрощает схему питания и облегчает балансировку плеч импульсного трансформатора.

Подключение к г уш и инду ив ости (одна или две секции). Пасположг иной кпаксиально с разрядной рупкпй на активной зоне. в первичную или вторичную обмотки

5 импульсного трансформатора, позволяющего получить большие разрядные токи, дает возможность непосредственно воздействовать на токи разряда при изменении концентрации паров металла в активной (рабочей)

10 зоне трубки, это позволяет повысить эффективность обратной связи. а также мощность и стабильность излучения лазера.

1131418

Редактор Е.Гиринская Техред М.Моргентал Корректор А,Козориз

Заказ 4058 1ираж Подписное

БНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва. Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101