Способ возбуждения газового лазера и устройство для его осуществления

 

Сущность изобретения: возбуждение лазера осуществляют за счет подача электроды высокочастотного переменного напряжения с изменяемой частотой. Частота изменяется в пределах 1,06-0.97 рабочей частоты со скоростью изменения, зависящей от добротности резонансного контура согласования выходн о го сопротивления ВЧ-генератора с импедансом активного элемента и от времени запаздывания возникновения разряда. Устройство содержит схему согласования; датчик р ассогласования, пикдетекторы и дифференциальный усилитель, выделяющие ур овень рассогласованиям воздействующие через буферный усилитель, двухуровневый компаратор и устройство выборки-хранения на вход управления частотой ВЧ-генератора. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

СО!ОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5ц5 Н 01 $ 3/097

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ3 ма

I»

ЪФ 1

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4862668/25 (22) 03.09.90 (46) 30.12.92. Бюл. N. 48 (71) Научно-производственное объединение

"Плазма" (72) В.И.Пшеничников, В.Г.Самородов, А.В.Паршин и М.А.Султанов (56) Патент США

N. 4451766, кл. 331-94.5, опубл. 1986.

Заявка РСТ

N. 83/03927, кл. Н 01 S 3/097, опубл. 1983.. (54) СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГАЗОВОГО

ЛАЗЕРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Сущность изобретения: возбуждение лазера осуществляют за счет подачи"на его

Изобретение относится к квантовой .электронике, в частности к гаэоразрядным лазерным системам с электрической накач кой; и может быть использовано при создании и разработке СО2-лазера с

ВЧ-возбуждением.

Известен лазер, возбуждаемый переменным ВЧ-напряжением одной частоты, в котором компенсация ухода реактивной составляющей импеданса лазерной трубки и реактивных элементов цепей согласования осуществляется изменением величины KOHденсатора резонансного контура.

Недостаток такого способа управления заключается s невозможности достиженйя режима полного согласования при изменении активной составляющей импеданса, что снижает КПД и надежность, Ы„, 1785058 А1

2 электроды высокочастотйого йеременного напряжения с изменяемой"частотой. Частота изменяется в пределах 1,06-0,97 рабочей частоты со скоростью изменения, зависящей от добротности реэонайснОго контура согласования выхЩ1ного сойротивления:

ВЧ-генератора с импедансом активного элемента и от времени запаздйвания воз- никновения разряда. Устройство содержит схему согласования","дат1йк рассогласования, пикдетекторы и дифференцйальный усилитель, выделяющие" уровень рассогласования и воздействующие через буферный усилитель, двухуровневый компаратор и устройство выборки-хранения на вход управления частотой ВЧ-генератора. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

Кроме того, реализация такого устройства при высокой мощйостй вкачиваемой в газовый разряд (> 50-200 Вт) затруднено иэ-эа отсутствйя высокоэффективных управляемых варйкондоо", сйособных работать при высоких уровнях йапряжейий, обеспечивающих требуемый коэффициент перекрытия по емкости.

Известна система накачки газового лазера высокочастотным переменным напряжением на различных частотах, содержащая высокочастотный источник питания", схему согласованиля. усилитель мощности. Сначала подают ВЧ-напряжение с частотой более высокой по сравнению с рабочей частотой для инициирования разряда в газовом промЬжутке, аЪЬтем частоту скачком смещают до рабочей, при которой достигается согласование" импеданса

1785058 датчик рассогласования и схему согласования, два пиковых детектора, дифференциальный усилитель, двухуровневый компаратор, формирователь опорных напряжений, генератор импульсов, переключатель, устройство выборки-хранения и буферный усилитель. при этом входы пико-вых детекторов подключены к выходам датчика рассогласования, а выходы — к входам дифференциального усилителя, выход кото-.

50 газоразрядной трубки излучателя с выходным сопротивлением источника ВЧ-напряжения.

Недостаток такого способа возбуждения заключается в низком КПД, невысокой 5 надежйостй йз-за Т зменейия" со "временем электрических параметров газораэрядной трубки, старения электрорадиозлементов, в . частности кОнденсаторов, йри этом происходит смещение резонансной частоты кон- 10 тура.

Это сййжает "надежность инициирования рэзрядйи не" позволяет достигнуть полного согласования выходйого сопротивления источника питания с импе- 15 дансом лазерной трубки, что снижает КПД..

Целью изобретения является повышение надежности и КПД работы лазера.

Поставленная цель достйгается тем, что в способе возбуждения газового лазера, за- 20 ключающемся в подаче на активный эле.мент от ВЧ-генератора высокочастотного переменного напряжения возбуждейия,. разряда с изменяемой частотой, изменение частоты напряжения возбуждения осущест- 25 вляют 1,06fp.н. -0,97fp.>, до частоты, обеспечивающей достижение режима полного. согласования выходного сопротивления

ВЧ-генератора с импедансом активного элемента, причем скорость изменения час- 30 таты напряженйя ус1 анавливают в codf бс ответствии с соотношением;

df р

dr 20г 35

fp.н. — номинальная рабочая частота;

0 — добротность резонансйого контура согласования выходного сопротивления

ВЧ-генератора с импедансом активного

:: элемента;, " 40

t- максимальное время запаздывания возникновения разряда.

Переменное напряжение возбуждения подают пачками с паузой между ними не более времени послесвечения газового про- 45 межутка активного элемента.

Устройство для возбуждения, газового лазера согласно изобретенйю содержит по-. следовательно соединенные ВЧ-генератор, рого соединен с одним из входов компараторэ и через буферный усилитель — с одним из входов переключателя, к двум другим входам компаратора подключен формирователь опорных напряжений, выход компаратора подключен ко входу запуска генератора импульсов и к управляющему входу переключателя, второй вход переключателя соединен с выходом устройства выборки-хранения, а выход — с входом управления частотой ВЧ-генератора, другой управляющий вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов и к входу устройства выборки-хранения.

Частоту изменяют от превышающей ра.бочую частоту до частоты, нэ которой достигается равенство реактивных составляющих согласующего устройства и импедансэ активного элемента излучателя в режиме "холостого хода", когда достигаются резонансные явления в контуре. сопровождаемые увеличением переменного напряжения;: Тем самым обеспечивается эффекТивное зажигание газового промежутка. После зажиганий частота с генератора продолжает изменяться до рабочей частоты, обеспечивающей полное согласо-. вание импедансов лазерного излучателя в зажженном состоянии с выходным сопротивлением ВЧ-генератора.

Дальнейшее повышение надежности зажигания газового промежутка достигается подачей переменного напряжения возбуждения пачками (2 и более), паузу между которыми устанавливают не более времени послесвечения тазового промежутка лазе-, ра. При этом длительность каждой пачки определяется с учетом времени, достаточного для изменений частоты переменного напряжения во всем выбранном диапазоне. т.е. с учетом скорости изменения частоты.

Использование пачечного режима работы снйжает влияние рассогласования на работу элементов при "холостом ходе" и обеспечивается более плавный переход из режима зажигания в режим полного согласования. Для гарантйи зажигания каждая послеДующая пачка частично перекрывает по частоте предыдущую пачку.

На фиг. 1 представлены эпюры, поясняющие процесс возбуждения лазера согласно предлагаемому способу, где Т1 длительность пачки, T2 — длительность паузы, на фиг. 2 - частотная характеристика резонансного контура возбуждения лазера, где fo — резонансная частота; fp и 4 частоты, сМещенные из-эа изменения параметров контура; на фиг. 3 — устройство для осуществления предлагаемого способа.

1785058

Устройство -содержит ВЧ-генератор 1, датчик 2 рассогласования, схему 3 согласования, активный элемент 4 лазера, соединенные последовательно, пикодетекторы 5, 6, связанные входами с выходами датчика

2, дифференциальный усилитель 7, входами связанный с выходами пикдетекторов 5, 6, . двухуровневый компаратор 8, один вход которого соединен с выходом усилителя 7, а два других — с выходами формирователя 9 опорных напряжений Ооп.верх.. акоп.нижн. ° выход компаратора 8 подключен к управляющему входу переключателя 10 и к входу генератора импульсов 11, соединенного выходом с разрешающим входом ВЧ-генератора 2 и с входом устройства выборки-хранения (УВХ) 12, выход которого подключен к одному входу переключателя

10, другой вход переключателя 10 подключен через буферный усилитель 13 к выходу дифференциального усилителя 7, а выход— к входу управления частотой ВЧ-генератора . 1.

На фиг. 4 представлены эпюры, поясняющие работу устройства, где UH — выходное напряжейие генератора импульсов 11;

Удит выходное напряжение интегратора 12;

Ок — выходное напря>кение ВЧ-генератора 1.

В качестве схемы согласованйя может быть использован резонансный 1С-контур, датчиком рассогласования импедансов может служйть фазосдвигающая LC-цепь, отрезок кабеля с длиной меньше 1/4 ..

Для ограничения частоты ВЧ-генератора 1 вводится цепь, ограничивающая выходное напряжение (связь УВХ 12 с третьим выходом формирователя опорногО напряжения — Uynp.max).

Сущность способа возбуждения газового лазера высокочастотным напря>кенйем заключается в следующем.

Первоначально переменное ВЧ-напряжение возбуждения подают на электроды лазеры 4 с частотой, изменяющейся от наибольшей, равной 1,06fp а. до рабочей частоты fp. Скорость уменьшения частоты определяется из соотношения

dt 20г где fp.H. — рабочая номинальная частота;

0 — добротность резонансного койтура согласования выходного сопротивления

ВЧ-генератора с импедансом активного

: элемента; т- максимальное время запаздывания возникновения разряда. фициент передачи обеспечивается на разонансной частоте fp контура схемы согласования. С уходом параметров элементов частота fo смещается и принимает зна-.

15 чение 4 и Ь, при этом значительно

I II изменяется коэффициент передачи напряжения схемы согласования, значит ухудшаются условия зажигания. Изменяя частоту с верхней 4 до резонансной 4 коэффициент

20

5

В результате старения элементов и при изменении климатических условий эксплуатации лазера частота возникновения разряда, при которой достигается наибольшее напряжение при резонансе и рабочая частота, очевидно, изменяются. Как известно, резонансный контур характеризуется нормированной частотной характеристикой (фиг. 2), Как следует из фиг. 2, наибольший коэфпередачи имеет наибольшее значение, сопротивление достигает наибольшего значения и напряжение максимально. После зажигания газового разряда добротность контура 0 схемы согласования 3 падает и влияние изменения частоты на коэффициент передачи ослабляется, влияние скорости изменения частоты иа процессы согласования уменьшается и тем самым улучшаются условия достижения полного согласования, в режиме автоматического регулирования.

Таким образом, режим полного согласования достигается при различных условиях на разнь1х частотах, тем самым устраняется воздействие любых дестабилизирующих факторов.

Надежность зажигания лазера может быть повышена за счет подачи изменяющейся частоты пачками.

При этом в каждой последующей пачке задаваемь1й частотный диапазон частично перекрывает верхние частоты предыдущей пачки, Пауза между пачками устанавливается не более времени послесвечения газового промежутка лазера. Тем самым существенно облегчается режим работы электрорадиоэлементов при рассогласованиях за время йзменвния частоты.

Устройство для осуществления способа работает следующим образом. При включении устройства на разрешающем входе ВЧгенератора 1 присутствует потенциал, запускающий генератор 1 и высокочастотнбе переменное напряжение поступает через датчик рассогласования 2 и схему согласования 3 на электроды активного элемента 4, При этом переключатель 10 находится в состоянли передачи сигнала с выхода УВХ 12 на вход управления частотой

ВЧ-генератора 1, поскольку первоначально

1785058

15

30

40

55 поступает переменное напряжение более высокой частоты по сравнению с рабочей частотой, в цепи передачи мощности генератора 1 в нагрузку 4 и имеет место рассогласованный режим.

С выходов датчика рассогласования 2 напряжение детектируется пикодетекторами 5 и 6 и подается на дифференциальный усилитель 7, с выхода которого сигнал поступает на двухуровневый компаратор 8 и через усилитель 13 и на переключатель 10.

При напряжении на выходе усилителя 7 выше уровня Uon.еер н. либо менее уровня

Uon.нижн. двухуровневый компаратор 8 обеспечивает работу электронного переключателя 10 и генератора импульсов 11.

Генератор 11 вырабатывает требуемую длительность импульса для управления работой генератором 1 (определяет длительность пачки) и подает напряжение на

УВХ-12. За время длительности импульса с генератора 11 УВХ 12 накапливает напряжение(фиг. 4, Uo>r), поступающее через переключатель 10 на управляющий частотой вход генератора 1, изменяя (уменьшая) частоту на Л f, соответствующую уровню напряжения Л0 (рис, 4). В случае пачечного режима работы генератор 11 вырабатывает последовательность импульсов . При этом с каждым импульсом интегратор 12, 13 запоминает свое состояние в конце импульса, сохраняя это состояние в паузах между импульсами (фиг. 4), По дости>кении рабочей частоты, т.е. согласованного режима работы устройства, напряжение на выходе усилителя 7 находится между 0оп.еерхн. и Uon.нижн.. что обеспечивает перевод двухуровневого компаратора 8 в другое состояние, обеспечивающее отключение генератора 11, УВХ

12 и перевод переключателей 10 в другое положение. В таком положении переключатель 10 соединяет выход усилителя 13 непосредственно с входом управления по частоте Генератора 1. Таким образом, в рабочем режиме, т.е. при малом рассогласовании, незначительное изменение импеданса излучателя 4 приводит к,изменению напряжения на выходе усилителя 7, которое при поступлении на генератор 1 изменяет его частоту так, чтобы изменение импеданса компенсировалось.

При этом достигается эффективное зажигание лазера эа время одного цикла изменения частоты и автоматический переход в непрерывный режим работы, Таким образом, иСпользование предложенного способа возбуждения газовых лазеров высокочастотным переменным напряжением с изменяющейся частотой по установленному закону позволяет достигнуть высокой эффективности работы лазера и надежности в условиях изменяющихся температур, старения электрических параметров как самого лазера, так и радиоэлементов.

Формула изобретения.

1. Способ возбуждения газового лазера, заключающийся в подаче на активный элемент от ВЧ-генератора высокочастотного переменного напряжения возбуждения разряда с изменяемой частотой, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что. с целью повышения надежности и КПД лазера, изменение частоты напряжения возбуждения осуществляют в пределах

1,06fp.н. — 0,97fp.н, до частоты, обеспечивающей дости>кение режима полного согласованйя выходного сопротивления

ВЧ-генератора с импедансом активного элемента. причем скорость изменения часdf тоты напряжения устанавливают в сос1t ответствии с соотношением:

df (fð.t, dt 2Qs" где fp. — номинальная рабочая частота;

Q — добротность резонансного контура согласования выходного сопротивления

ВЧ-генератора с импедансом активного элемента; г- максимальное время запаздывания возникновения разряда.

2, Способ по п.1, отличаю щи йс я тем, что переменное напряжение возбуждения подают пачками с паузой между ними не более времени послесвечения газового промежутка активного элемента, 3. Устройство дпя возбуждения газового лазера, содержащее последовательно соединенные ВЧ-генератор, датчик рассогласования и схему согласования, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения надежности работы лазера, в устройство введены два пиковых детектора, дифференциальный усилитель, двухуровневый компаратор, формирователь опорных напряжений, генератор импульсов, переключатель, устройство выборки-хранения и буферный усилитель, при этом входы пйковых детекторов подключены к выходам датчика рассогласования, а выходы — к входам дифференциального усилителя, выход которого соединен с одним из входов компаратора и через буферный усилитель — с одним из входов переключателя, к двум другим входам компаратора подключен формирователь опорных напряжений, выход компаратора подключен к входу запуска генератора импульсов и к управляющему входу переключателя, второй вход

1785058

Составитель В.Пшеничников

Техред M.Моргентал Корректор И.Шулла

Редактор

Заказ 4369 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 з переключателя соединен с выходом устройства выборки-хранения. а выход — с входом уп равления частотой ВЧ-генератора, другой управляющий вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов и к входу устройства выборки-хранения.