Способ возбуждения газового лазера импульсно-периодическим вч-напряжением
Патент 2204875
Авторы
Классы МПК
Способ возбуждения газового лазера импульсно-периодическим вч-напряжением
Реферат
Использование: в квантовой электронике, в частности в газоразрядных лазерных системах с электрическим возбуждением при разработке и эксплуатации СО2-лазера с ВЧ-возбуждением. Сущность изобретения: накачку лазера осуществляют в условиях неполного согласования между импедансом активного элемента лазера и выходным сопротивлением ВЧ-генератора, работающего на фиксированной частоте в импульсно-периодическом режиме с управляемой скважностью радиоимпульсов Q. Надежное зажигание газового высокочастотного разряда обеспечивают при помощи создания высокой величины пиковой мощности на выходе ВЧ-генератора, при этом безопасность теплового режима работы выходных транзисторов осуществляют за счет выбора величины скважности радиоимпульсов Qз. Кроме того, величину периода следования радиоимпульсов устанавливают на уровне, не превышающем время деионизации. После зажигания разряда в газовом промежутке излучателя управление величиной скважности Q используют для установления требуемого режима излучения лазера. Техническим результатом изобретения является увеличение кпд ВЧ-генератора, повышение надежности его работы за счет обеспечения тепловой безопасности выходных транзисторов, упрощение режима согласования, а также введение возможности простого и эффективного управления режимами излучения лазера. 3 ил.
Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к газоразрядным лазерным системам с электрическим возбуждением, и может быть использовано при разработке и эксплуатации СО2-лазера с ВЧ-возбуждением.
Известны способы возбуждения СО2-лазера при помощи системы, содержащей ВЧ-генератор, кабель питания, схему согласования и газоразрядную трубку. При этом для ввода мощности накачки в газовый промежуток используют режим полного согласования импеданса активного элемента лазера с выходным сопротивлением ВЧ-генератора, который вырабатывает напряжение на рабочей частоте. Кроме того, высокий уровень электрического поля, необходимый для инициирования разряда, создают за счет резонансного увеличения ВЧ-напряжения в резонансном контуре схемы согласования. Переход от режима инициирования разряда к режиму полного согласования осуществляют при помощи изменения импеданса схемы согласования при неизменной величине частоты накачки, как описано в патенте на систему ВЧ-накачки лазера [1]. Такой переход осуществляют также с помощью изменения частоты напряжения ВЧ-генератора при неизменных параметрах схемы согласования, как приведено в патенте на систему накачки газовых приборов с ВЧ-возбуждением [2] и в патенте на источник накачки волноводного СO2-лазера с разверткой частоты [3]. Недостатки таких способов возбуждения заключаются в низком кпд ВЧ-генератора, сложности обеспечения режима полного согласования и недостаточной надежности работы лазера в связи с трудностью обеспечения тепловой безопасности транзисторов ВЧ-генератора. Известен способ возбуждения на разных частотах, приведенный в авт.свид. на способ возбуждения газового лазера и устройстве для его осуществления [4] , в котором надежность работы лазера увеличивают за счет введения в устройство возбуждения средств слежения за изменением величины рассогласования и средств управления частотой ВЧ-генератора. Недостатки такого способа возбуждения заключаются в низком кпд ВЧ-генератора и повышенной сложности устройства возбуждения. Наиболее близким техническим решением является способ возбуждения газового лазера непрерывным ВЧ-напряжением фиксированной частоты, приведенный в патенте на волноводный газовый лазер с ВЧ-накачкой [5]. Напряжение ВЧ-генератора подается по кабелю питания длиной /4 на первичную обмотку повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого входит в резонансный контур согласования. Дополнительное увеличение уровня ВЧ-напряжения получают за счет применения кабеля питания длиной /4, величина волнового сопротивления которого выше величины выходного сопротивления ВЧ-генератора. До зажигания разряда величину ВЧ-мощности устанавливают на уровне, достаточном для зажигания газовой среды лазера и обеспечивающем тепловую безопасность выходных транзисторов ВЧ-генератора. После возникновения разряда уровень выходной мощности ВЧ-генератора плавно увеличивают до максимального значения за время не менее 1 мс. Недостаток такого способа возбуждения заключается в невысоком кпд ВЧ-генератора и невысокой надежности работы лазера в связи с трудностью обеспечения тепловой безопасности выходных транзисторов ВЧ-генератора. Задачей предлагаемого изобретения является увеличение кпд ВЧ-генератора, повышение надежности его работы за счет обеспечения тепловой безопасности выходных транзисторов, упрощение режима согласования, а также введение возможности простого и эффективного управления режимами излучения лазера. Поставленная задача достигается, во-первых, за счет введения режима неполного согласования, а именно за счет введения расссогласования между активной составляющей импеданса лазерной головки и выходного сопротивления ВЧ-генератора, что приводит и к увеличению кпд ВЧ-генератора, и к упрощению режима согласования. И, во-вторых, за счет того, что для возбуждения лазера применяют импульсно-периодическое ВЧ-напряжение фиксированной частоты с управляемой скважностью Q (радиоимпульсы). Это позволяет установить величину пиковой выходной мощности ВЧ-генератора на уровне, достаточном для надежного зажигания газового высокочастотного разряда, и обеспечить тепловую безопасность выходных транзисторов, а также дает возможность ввести управление режимами излучения лазера после установления газового разряда. Известно, что при работе лазера в режиме полного согласования, ВЧ-генератор нагружен на сопряженную нагрузку, т.е. активные составляющие импеданса лазерного излучателя и выходного сопротивления ВЧ-генератора равны, а реактивные составляющие равны и противоположны по знаку. Известно также, что кпд ВЧ-генератора в режиме полного согласования определяется отношением активной составляющей сопротивления нагрузки (импеданса активного элемента лазера) к сумме активных составляющих сопротивления нагрузки и выходного сопротивления ВЧ-генератора, и величина кпд в этом случае составляет 50%. При неизменной величине сопротивления нагрузки можно получить величину кпд выше 50% за счет уменьшения величины выходного сопротивления ВЧ-генератора. Применение режима неполного согласования приводит к упрощению схемы согласования, поскольку с ее помощью осуществляется теперь согласование только реактивных составляющих импеданса активного элемента лазера и выходного сопротивления ВЧ-генератора. Как известно, цель неполного согласования минимизировать возможное возрастание коэффициента стоячей волны, чтобы избежать превышения допустимого уровня коллекторного напряжения на выходных транзисторах ВЧ-генератора и не допустить выхода их из строя. Кроме того, известно что, если до зажигания газового разряда ВЧ-генератор будет работать в непрерывном режиме на фиксированной частоте, то в условиях отсутствия согласования величина мощности рассеяния на выходных транзисторах Ppacc1 практически в два раза превысит номинальный уровень. Это вызовет температурный перегрев. Иначе говоря, температура структуры транзисторов превысит критическое значение, а это значит, что величина пробивного напряжения на коллекторном переходе опустится ниже уровня питающего напряжения, что как следствие приведет к выходу из строя выходных транзисторов. Для того чтобы избежать температурного перегрева, используют импульсно-периодический режим работы ВЧ-генератора с изменяемой скважностью радиоимпульсов Q. В этом режиме величина температуры выходных транзисторов Ттр связана с величиной скважности Q обратно пропорциональной зависимостью: TтрTo+Pрасс/CQ, (1) где То - величина температуры окружающей среды; Ррасс - величина пиковой мощности, рассеиваемой на выходных транзисторах ВЧ-генератора; С - средняя теплоемкость выходных транзисторов (по определению равная отношению количества полученного тепла к разности конечной и начальной температур). То - постоянная величина; С - тоже постоянная величина для конкретного транзистора; Ррасс может принимать два разных значения: Ррасс1- до зажигания газового разряда и Ррасс2 - после возникновения разряда, при этом Ррасс2 меньше Ррасс1. До момента возникновения разряда в газовой среде лазера существуют два критических значения скважности Qкр1 и Qкр2. Во-первых, из формулы (1) видно, что существует значение скважности Qкр1 такое, что при QQкр1 температура выходных транзисторов Ттр не будет превышать критического уровня. И, во-вторых, для ВЧ-генератора существует значение Qкр2 такое, что при QQкр2 величина выходной пиковой мощности недостаточна для зажигания разряда. Ясно, что для работы лазера выбирают ВЧ-генератор с высоким уровнем выходной пиковой мощности, обеспечивающим выполнение условия Qкp2>Qкp1. Тогда зажигание разряда происходит при значении скважности Qз, удовлетворяющем условию Qкр1< Qз<Q. После зажигания разряда величина мощности рассеяния на выходных транзисторах уменьшается до уровня Ррасс2 и соответственно уменьшается критическое значение скважности Qкp1 до минимального уровня Qmin. Ясно, что существует и максимальное (пороговое) значение скважности Qпop, при котором величина выходной пиковой мощности ВЧ-генератора становится недостаточной для генерации излучения. Таким образом, генерация излучения лазера происходит при величине скважности Qг, лежащей в области значений Qmin<Q<Q. Кроме того, если величину скважности устанавливают выше порогового уровня Qпop, но ниже Qкр2, то разряд горит, а на выходе лазера излучения нет. Следовательно, можно сказать, что лазер работает в ждущем режиме при значении скважности Qж, удовлетворяющем условию Qпор<Q<Q. Применение импульсно-периодического ВЧ-сигнала для возбуждения лазера обусловлено тем, что в активной газовой среде лазерного излучателя существуют эффект остаточной ионизации и эффект послесвечения. Необходимое условие возникновения разряда заключается в том, что период следования радиоимпульсов не должен превышать времени деионизации. Излучение лазера может быть квазинепрерывным, импульсным или импульсно-периодическим. В частности, квазинепрерывный режим излучения лазера получают в случае, когда период следования радиоимпульсов возбуждения не превышает времени послесвечения. Кроме того, величина средней мощности излучения Ризл в квазинепрерывном режиме пропорциональна средней мощности возбуждения, которая, в свою очередь, равна величине отношения пиковой мощности возбуждения Рнак к скважности Q, т. е. можно записать, что: Ризл~Рнак/Q. (2) Известно, что когда лазер находится в рабочем режиме, уровень Рнак остается практически неизменным. Тогда из формулы (2) следует, что, устанавливая величину скважности радиоимпульсов в пределах от пороговой Qпop до минимальной Qmin, получают среднюю величину выходной мощности излучения лазера Ризл в диапазоне от пороговой до максимальной Рmax. Таким образом, введение управления величиной Q позволяет устанавливать разные режимы излучения лазера: ждущий, импульсный, импульсно-периодический и квазинепрерывный с требуемой величиной мощности излучения Ризл. Сущность изобретения заключается в том, что возбуждение лазера осуществляют в условиях неполного согласования между импедансом активного элемента лазера и выходным сопротивлением ВЧ-генератора, работающего на фиксированной частоте в импульсно-периодическом режиме с управляемой скважностью радиоимпульсов Q. Надежное зажигание газового высокочастотного разряда обеспечивают при помощи создания высокой величины пиковой мощности на выходе ВЧ-генератора, при этом безопасность теплового режима работы выходных транзисторов осуществляют за счет выбора величины скважности радиоимпульсов Qз. Кроме того, величину периода следования радиоимпульсов устанавливают на уровне, не превышающем время деионизации. После зажигания разряда в газовом промежутке излучателя управление величиной скважности Q используют для установления требуемого режима излучения лазера. На фиг.1 изображена схема устройства возбуждения лазера. На фиг. 2 показана схема параллельного соединения мощных транзисторов в выходной цепи ВЧ-генератора с помощью LC-филътров. На фиг. 3 приведены эпюры, поясняющие работу устройства в квазинепрерывном режиме: а) амплитуда напряжения на электродах лазерного излучателя эл в зависимости от времени t, где Uз, Up - амплитуды радиоимпульсов на электродах до зажигания и после зажигания соответственно; з, - длительность радиоимпульсов до зажигания и после зажигания соответственно; tп - период следования радиоимпульсов; б) скважность радиоимпульсов Q в зависимости от времени t, где Qз - скважность до зажигания разряда, Qт - скважность, соответствующая требуемой мощности излучения лазера, Qmin - минимальная скважность; tз - момент зажигания газовой среды лазерного излучателя; tт - момент установки требуемой величины мощности излучения лазера; в) мощность излучения лазера Ризл в зависимости от времени t, где Рнач - начальный уровень мощности излучения лазера (Q=Qз); Рт - требуемая мощность излучения (Q=Qт); Pmах - максимальный уровень мощности излучения (Q=Qmin); г) температура на выходных транзисторах Ттр в зависимости от времени t, где T1, Т2, Тт - температура транзисторов до зажигания разряда, после его установления и при требуемом уровне мощности излучения лазера Рт соответственно; Тном - номинальная температура транзисторов (при Pизл=Pmах); То - температура окружающей среды. Предложенный способ поясняется схемой устройства возбуждения лазера, изображенной на фиг. 1. Устройство состоит из последовательно соединенных схемы управления скважностью импульсов 1, генератора импульсов 2, ВЧ-генератора 3, кабеля 4 питания длиной /4, схемы согласования 5 и лазерного излучателя 6. Устройство для осуществления способа работает следующим образом. При включении устройства генератор импульсов 2 со схемой управления скважностью 1 производит амплитудную модуляцию высокочастотного сигнала ВЧ-генератора 3 импульсами прямоугольной формы с величиной скважности Qз. Полученное импульсно-периодическое высокочастотное напряжение с выхода ВЧ-генератора 3 (радиоимпульсы) по кабелю питания 4 с величиной волнового сопротивления 50 Ом и длиной /4 через схему согласования 5 поступает на электроды лазерного излучателя 6. Величина пиковой мощности ВЧ-генератора 3 достаточна для зажигания разряда в газовой среде лазера. В то же время, установленная величина скважности радиоимпульсов Qз обеспечивает безопасный тепловой режим работы выходных транзисторов ВЧ-генератора 3. Кроме того, установленный период следования радиоимпульсов tп не превышает времени деионизации. После возникновения высокочастотного разряда изменение режимов излучения и управление величиной выходной мощности лазера Ризл осуществляют с помощью схемы управления скважностью 1. Достаточную для зажигания разряда мощность ВЧ-генератора получают за счет параллельного включения идентичных, мощных выходных транзисторов. На фиг.2 показан пример такого включения. Работа ВЧ-генератора на фиксированной частоте упрощает сложение мощностей транзисторов. Объединяя коллекторы транзисторов с помощью цепей согласования, реализуемых, например, в виде LC-фильтров с подобранными параметрами, получают необходимую величину выходного сопротивления ВЧ-генератора. На фиг.3 приведены эпюры, поясняющие работу устройства при работе лазера в квазинепрерывном режиме излучения. После включения устройства на электроды лазерного излучателя 6 подаются радиоимпульсы с амплитудой Uз, достаточной для зажигания разряда и со скважностью Qз, обеспечивающей тепловую безопасность выходных транзисторов ВЧ-генератора 3. Период следования радиоимпульсов tп не превышает времени деионизации. Температура выходных транзисторов принимает значение T1, не превышающее номинальный уровень Тном. На выходе лазера излучение отсутствует. В момент времени tз зажигается разряд в газовой среде лазера и амплитуда напряжения радиоимпульсов на электродах скачком уменьшается до рабочего уровня Up, который в дальнейшем имеет практически постоянное значение. На выходе лазера появляется излучение с начальной мощностью Рнач, соответствующее скважности радиоимпульсов Qз. Температура выходных транзисторов ВЧ-генератора 3 через некоторое время уменьшается до значения Т2. С момента времени tт устанавливают требуемый уровень мощности излучения лазера Рт. Уменьшением скважности радиоимпульсов Q до уровня Qт вызывают повышение мощности излучения до требуемого значения Рт. Температура выходных транзисторов ВЧ-генератора 3 в этом режиме работы лазера во всех условиях не превышает номинального значения Тном. В реализованной конструкции лазера после инициирования высокочастотного разряда величина выходного сопротивления ВЧ-генератора составляет ~20 Ом, величина сопротивления нагрузки при максимальной величине мощности накачки составляет ~ 50 Ом. Таким образом, в условиях режима неполного согласования получают значение величины кпд ВЧ-генератора 50 Ом/(50+20) Ом70%. Техническая эффективность способа возбуждения газового лазера, в котором применяют импульсно-периодический режим работы ВЧ-генератора с управляемой скважностью импульсов Q в условиях неполного согласования, заключается в высоком кпд ВЧ-генератора, простоте согласования, высокой надежности работы, в простоте и эффективности управления режимами излучения лазера. Источники информации 1. Патент США 4451766, кл. H 01 J 61/56, 1984. 2. Патент США 4748634, кл. Н 01 S 3/097, 1988. 3. Патент США 5150372, кл. Н 01 S 53/00, 1992. 4. Авт. свид. СССР 1785058 A1, кл. Н 01 S 3/097, 1993. 5. Патент США 4493087 кл. Н 01 S 3/03, 1992.Формула изобретения
Способ возбуждения газового лазера, заключающийся в подаче на активный элемент излучателя через согласующее устройство высокочастотного сигнала от работающего на фиксированной частоте ВЧ-генератора, величина выходного сопротивления которого меньше волнового сопротивления кабеля питания преимущественно четвертьволновой длины, отличающийся тем, что возбуждение осуществляют в режиме неполного согласования между импедансом активного элемента лазера и выходным сопротивлением ВЧ-генератора, работающего в импульсно-периодическом режиме с управляемой величиной скважности радиоимпульсов Q, при этом до зажигания газового высокочастотного разряда лазера устанавливают период следования радиоимпульсов, не превышающий время деионизации, и величину скважности Q3, обеспечивающую безопасный тепловой режим работы выходных транзисторов ВЧ-генератора, а после зажигания разряда управление величиной скважности радиоимпульсов Q используют для управления режимами излучения лазера.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3