Пристрій для накачування активних середовищ лазерів

1. Пристрій для накачування активних середовищ лазерів, який містить основний ємнісний накопичувач енергії і формувач імпульсів підпалення, що підключені до імпульсної лампи через струмообмежувальний елемент, наприклад вторинну обмотку вихідного трансформатора формувача імпульсів підпалення, додатковий накопичувач енергії і комутатор, а також зарядний пристрій, з'єднаний з накопичувачами енергії, і пристрій синхронізації, що підключений до формувача імпульсів підпалення і до комутатора, який відрізняється тим, що додатковий накопичувач енергії складається із декількох окремих накопичувачів, в пристрій введені декілька додаткових комутаторів і декілька імпульсних трансформаторів за числом окремих додаткових накопичувачів енергії, кожний із додаткових накопичувачів енергії підключений до ламп через свій комутатор та первинну обмотку одного з імпульсних трансформаторів, вторинні обмотки імпульсних трансформаторів з'єднані послідовно та утворюють з основним накопичувачем енергії, лампою та струмообмежувальним елементом розрядний контур, паралельно кожній вторинній обмотці імпульсних трансформаторів підклю C2 2 (19) 1 3 89728 4 способом по патенту №154, що був виданий автоня теплових втрат енергії в активному середовищі ром даної заявки 27.09.2007р. [Жильцов В.Й., Константинов Б.А., Розанов А.Г., Відомі пристрої для накачування активних сеШукин Л.И. Импульсные лампы накачки // Электредовищ лазерів, до яких надходять: формувач роння промышленность. - 1578. - Вып.10 (70). імпульсів підпалення ламп накачування; накопичус.46]. вач енергії - ємнісний або у вигляді штуфної форТаким чином, для збільшення енергетичної муючої лінії, який підключений до ламп безпосеефективності активного середовища необхідно редньо або через струмообмежувальний елемент, застосовувати короткі та потужні імпульси накачунаприклад, вторинну обмотку трансформатора вання. Але потужність і мінімальна тривалість цих формувача імпульсів підпалення ламі, зарядний імпульсів обмежені зсувом спектру випромінюванпристрій, що підключений до наконичувача енергії, ня лампи в короткохвильову область. Крім того, а також пристрій синхронізації [Б.Р. Белостоцкий, для усунення руйнування електродів і колби лампи Ю.В. Любавский, В.М. Овчинников. "Основы лазеє доцільним формування пологого фронту. Імпурной техники" Под редакцией А.Й. Прохорова. - М. льсу накачування при значних його енергіях і коро"Советское радио". - 1972. - с.258], [В.В. Валявко, ткого за часом спаду цього імпульсу. Останнє Б.В. Крылов, А.А. Мозго. Устройство управления и сприяв зменшенню втрат енергії накопичувача питания оптических квантових генераторов. А.С. після генерації моноімпульсу лазера. №318113 М.Кл2. Н01 3/09. Опубліковано 30.06.78г. Найбільш близьким до запропонованого винаБюл.24]. ходу є пристрій для формування оптичних імпульЗазначені пристрої, практично у всіх випадках, сів з пологим фронтом і крутим спадом Н.А. Толсформують аперіодичні або прямокутні оптичні імтой, Μ.В. Епифанов. О форме импульса света, пульси ламп накачування, що збуджують активне даваемого импульсной лампой. // Ж. "Оптика и середовище лазера. Але ці форми імпульсів не спектроскопия". - 1964. - Т.16, вып.4. - С.677-683. можна вважати оптимальними за наступними приДо цього пристрою надходять: основний ємнічинами. сний накопичувач енергії і формувач імпульсів Енергетично найбільш ефективний прямокутпідпалення, що підключені до імпульсної лампи ний імпульс накачування, що дозволяє повністю через струмообмежувальний елемент, наприклад, використовувати енергію, що запасає накопичувторинну обмотку вихідного трансформатора фовач. Але для ламп накачування цей режим не зормувача імпульсів підпалення; додатковий наковсім прийнятний тому, що швидкість наростання пичувач енергії і комутатор, яким може бути ще струму на фронті прямокутного імпульсу занадто одна лампа; зарядний пристрій, що поєднаний з висока і призводить до зменшення строку служби накопичувачами енергії; пристрій синхронізації, електродів і колби лампи. Енергетична ефективякий підключений до формувача імпульсів підпаність активного середовища може бути високою, лення і до комутатора. особливо при скороченні імпульсу накачування У цьому пристрої під час зменшення інтенсивпри незмінній енергії, що підвищує його потужність ності оптичного імпульсу накачування і струму в і зменшує втрати енергії на люмінесценцію та її лампі при експоненціальному розряді на неї оснопідсилення за рахунок зменшення часу перебувного ємнісного накопичувача енергії від пристрою вання активного середовища у збудженому стані синхронізації запускається комутатор, і додатковий [Денищик Ю.С. Об оценке влияния режима накачнакопичувач енергії підключається паралельно до ки на эффективность преобразования энергии в лампи. При цьому додатковий накопичувач енергії трехуровневой активной среде с учетом усиления підключається до лампи з полярністю, яка протилюминесценции // Журнал прикладной спектрослежна полярності падіння напруги в ній від струму копии.-19В7. - Т.46, №1. - С.164]. Відзначимо, що розряду основного накопичувача. Це призводить потужність імпульсу накачування Р=E/ti, де Ε - віддо припинення струму - через лампу, і до її погаповідно енергія і тривалість цього імпульсу. сання. Таким чином формується швидкий спад Оптичні імпульси накачування, що отримані оптичного імпульсу накачування після генерації шляхом аперіодичного розряду ємнісного накопимоноімпульсу. чувача на лампи (експоненціальні) через струмооДана схема формування оптичного імпульсу бмежувальний елемент, наприклад, індуктивний, накачування недостатньо ефективна, тому-що більш прийнятні для ламп щодо збереження елекчастина енергії основного накопичувача після притродів і колби. Але частина імпульсу накачування пинення струму через лампу не використовується. після генерації моноімпульсу лазером не викорисЩе одним недоліком відомого пристрою є те, що товується. Енергетична ефективність активного немає можливості регулювати форму оптичного середовища, як і в першому випадку, пропорційна імпульсу накачування в більш широких межах. Це потужності оптичних імпульсів накачування. необхідно для поширення можливостей пристроїв На потужність накачування є обмеження, яке для накачування активних середовищ лазерів з міститься в наступному. вихідною енергією випромінювання, що може реПри збільшенні потужності електричних імпугулюватися. льсів струму в лампі, наприклад, шляхом їх скороВ основу винаходу, що пропонується, поклачення при незмінній енергії ємнісного накопичувадене завдання створити такий пристрій для накача, частина спектральних складових оптичних чування активного середовища лазера, який би імпульсів переміщується із області поглинання забезпечував можливість отримання будь-якої активного середовища в короткохвильову область, форми оптичного імпульсу накачування, що може гранично - в ультрафіолетову, це призводить до змінюватися під керуванням пристрою синхронізазниження ефективності накачування та збільшенції. Це дозволить зменшувати тривалість імпульсів 5 89728 6 накачування при малих їх енергіях і збільшувати трансформаторами шляхом використання відрізків цю тривалість по мірі збільшення енергії цих імпукоаксіального кабелю з трьома проводами, що льсів. Тим саме підтримувати близьку до незмінної мають два ізольованих між собою і з центральним потужність імпульсів накачування, що буде протипроводом обплетення, по одному обплетенню кодіяти зсуву спектру оптичного випромінювання жного трансформатора поєднано паралельно з ламп в короткохвильову область. До того ж, буде іншими і всі вони підключені до ємнісного накопиможливим формування пологого фронту імпульсу чувача формувача імпульсів підпалення через накачування і крутого спаду, що захистить електйого окремий комутатор. роди і колбу лампи від руйнування та заощадить Те, що у запропонованому технічному рішенні енергію накачування після генерації моноімпульсу. додатковий накопичувач енергії складається із Таким чином, метою винаходу, що пропонудекількох накопичувачів, кожний з котрих підклюється, є підвищення ефективності накачування чений до ламп через свій комутатор та імпульсний активних середовищ лазерів шляхом створення трансформатор, і вторинні обмотки імпульсних пристрою, що дозволяв отримувати імпульси натрансформаторів поєднані послідовно та утворюкачування зі складною формою, яка може змінюють з основним накопичувачем енергії, лампою та ватися при регулюванні вихідної енергії лазерного струмообмежувальним елементом розрядний конвипромінювання. тур, дозволяв шляхом регулювання часових заПоставлена мета досягається тим, що в притримок вихідних імпульсів багатоканального синхстрої для накачування активних середовищ лазеронізатора, що підключений до комутаторів, рів, до складу якого надходять основний ємнісний переміщати у часі імпульси від додаткових наконакопичувач енергії і формувач імпульсів підпапичувачів енергії і складати з них результуючий лення, що підключені до імпульсної лампи через імпульс накачування будь-якої форми. При цьому струмообмежувальний елемент, наприклад, втоякщо одночасно спрацьовують два або більше ринну обмотку вихідного трансформатора формукомутаторів, амплітуди імпульсів на вторинних вача імпульсів підпалення, додатковий накопичуобмотках трансформаторів 3 складаються. Те, що вач енергії і комутатор, зарядний пристрій, що паралельно кожній вторинній обмотці імпульсних поєднаний з накопичувачами енергії, і пристрій трансформаторів підключені напівпровідникові синхронізації, який підключений до формувача діоди таким чином, що під час замикання комутаімпульсів підпалення і до комутатора, додатковий торів полярність напруги на вторинних обмотках накопичувач енергії складається із декількох окреімпульсних трансформаторів запираюча для цих мих накопичувачів, в пристрій введені декілька діодів, забезпечує протікання струму від основного додаткових комутаторів і декілька імпульсних транакопичувача і від працюючих у будь-який час нсформаторів, вторинні обмотки імпульсних транокремих додаткових накопичувачів з комутаторами сформаторів поєднані послідовно та утворюють з і трансформаторами через діоди, що підключені основним накопичувачем енергії, лампою та струдо трансформаторів тих накопичувачів з комутамообмежувальним елементом розрядний контур, торами, які в цей же час не працюють і чекають паралельно кожній вторинній обмотці імпульсних свого запуску. Від "своєї" обмотки струм через діод трансформаторів підключені напівпровідникові не проходить. діоди таким чином, що під час замикання комутаТе, що увесь ланцюг вторинних обмоток імпуторів полярність напруги на вторинних обмотках льсних трансформаторів при замиканні будь-якого імпульсних трансформаторів запираюча для цих числа комутаторів мав таку полярність, що магнітдіодів, увесь ланцюг вторинних обмоток імпульсні потоки в сердечниках імпульсних трансформаних трансформаторів при замиканні будь-якого торів при розряді основного накопичувача і додатчисла комутаторів має таку полярність, що магнітні кових накопичувачів мають протилежні напрями, потоки в сердечниках імпульсних трансформаторів дозволяв поширити ділянку кривої намагнічування при розряді основного накопичувача енергії і доматеріалу сердечника шляхом його перемагнічудаткових накопичувачів мають протилежні напрявання та, в деякій мірі, уникнути роботи на часткоми, синхронізатор виконаний багатоканальним з вому циклі петлі гістерезіса та насичення сердеччислом каналів по числу комутаторів, плюс канал ника. Виконання синхронізатора багатоканальним для формувача імпульсів підпалення і, у випадку з числом каналів по числу комутаторів, плюс форнеобхідності, - ще один канал для запуску модулямувача імпульсів підпалення і, у випадку необхідтора добротності резонатора лазера, кожний коності, - ще один канал для запуску модулятора мутатор підключений до свого каналу синхронізадобротності резонатора лазера і те, що кожний тора і цей синхронізатор виконаний із комутатор підключений до свого каналу синхронізабезпеченням можливості регулювання часової затора, який виконаний із забезпеченням можлизатримки між вихідними імпульсами каналів у мевості регулювання часової затримки між вихідними жах 40мкс...1мс. імпульсами каналів у межах 40мкс...1мс, дозволяв Обмотки імпульсних трансформаторів можуть отримувати імпульси накачування будь-якої форбути виконані відрізками коаксіального кабелю, ми і досягати-зазначеної вище мети запропоновазовнішнє обплетення яких утворює вторинні обмоного винаходу. Усі імпульси, що можуть бути викотки, що підключені послідовно до розрядного конристані для накачування лазерних активних туру, а внутрішні центральні проводи утворюють середовищ, знаходяться по тривалості у межах первинні обмотки, що підключені через комутатори 40мкс...1мс, де перше значення характерне для до додаткових накопичувачів енергії. АІГ:Nd і складає 0,1Т, де Т=420мкс - час життя Вихідний трансформатор формувача імпульсів частинок на метастабільному рівні, а друге знапідпалення може бути поєднаний з імпульсними чення відповідає Т=1мс - той же параметр для 7 89728 8 рубіну. Часи життя інших твердотілих лазерних бмежувальний елемент - вторинну обмотку вихідсередовищ, що найчастіше використовуються в ного трансформатора формувача 10 імпульсів лазерній техніці, заходжуються у тих же межах. Те, підпалення, напівпровідникові діоди 5 і резистори що обмотки імпульсних трансформаторів можуть 6, частина розрядного струну накопичувана 1 відбути виконані відрізками коаксіального кабелю, вітляється на вторинні обмотки трансформаторів 3 зовнішні обплетення яких утворюють вторинні обдля перемагнічування матеріалу сердечників. Під мотки, що підключені послідовно до розрядного час горіння дуги в лампі від синхронізатора 12 поконтуру, а внутрішні проводи утворюють первинні даються електричні імпульси на комутатори 4 у обмотки, що підключені через комутатори до допевній часовій послідовності, і додаткові накопичудаткових накопичувачів енергії, забезпечує підвивачі 2 розряджаються через ці комутатори на перщення ККД запропонованого пристрою, тому-що винні обмотки трансформаторів 3. При цьому на коаксіальні трансформатори мають незначну індупослідовно поєднаних вторинних обмотках трансктивність розсіяння, що менша за значенням індуформаторів 3 в точках "а" і "b" формується імпульс ктивності намагнічування на 2-3 порядки [1]. накачування складної форми, що змінюється під Поєднання вихідного трансформатора формувпливом змін часових затримок між імпульсами від вача імпульсів підпалення з імпульсними транссинхронізатора 12. Якщо під час формування цьоформаторам шляхом використання відрізків коакго імпульсу одночасно розряджаються два і більсіального кабелю з трьома проводами, що мають ше додаткових накопичувача 2, амплітуди цих імдва ізольовані між собою і з центральним провопульсів складаються. Коли один і більше дом обплетення, і те, що по одному обплетенню комутаторів 4 не замикаються, відповідні додаткові кожного імпульсного трансформатора поєднані накопичувачі 4 не розряджаються, і на вторинних паралельно з іншими і підключені до ємнісного обмотках поєднаних з ними трансформаторів 5 не накопичувача формувача імпульсів підпалення виникає електричних імпульсів, тоді електричні через його окремий комутатор, дозволяв зменшиімпульси від вторинних обмоток інших трансфорти вагу і габарити запропонованого пристрою. маторів 5, комутатори 4 котрих замикаються, проНа Фіг.1 і 2 показані два варіанти схеми запроходять через діоди 5 і резистори 6 непрацюючих понованого пристрою для накачування активних трансформаторів 3 з розімкнутими комутаторами середовищ лазерів з різним підключенням форму4. Як це видно на Фіг.1, полярність падіння напруги вача імпульсів підпалення, на Фіг.3, 4, 5, 6 наведена вторинних обмотках трансформаторів 3 при ні осцилограми імпульсів підпалення. розряді накопичувача 1 протилежна полярності За схемою Фіг.1 до запропонованого пристрою імпульсів на ланцюзі вторинних обмоток при рознадходять: основний ємнісний накопичувач 1 енеряді накопичувачів 2. Вторинні обмотки трансфорргії і додаткові накопичувачі 2, що підключені до маторів 3 шунтовані діодами 5 і резисторами 6, первинних обмоток імпульсних трансформаторів 3 але падіння напруги на цих ланцюгах достатньо через тиристорні комутатори 4. Вторинні обмотки для певного перемагнічування матеріалу сердечтрансформаторів 3 поєднані послідовно, і паралеників трансформаторів 5 під час проходження току льно кожній з них підключені напівпровідникові при розряді основного накопичувача 1, як це покадіоди 5. Послідовно з цими діодами підключені зав експеримент. резистори 6 з порівняно малим опором порядку На Фіг.2 показаний другий варіант схеми при0,1Ом для уникнення перевантаження діодів по строю для накачування активних середовищ лазеструму через них. До основного накопичувача 1 і рів, в цьому випадку кожен з трансформаторів 3 додаткового накопичувача 2 підключений зарядмав додаткову - третю обмотку. В розрядний конний пристрій 7 через струмообмежувальні дроселі тур послідовно підключений струмообмежуваль8, які також забезпечують уникнення зв'язку між ний дросель 10. Усі додаткові обмотки трансфордодатковими накопичувачами щодо можливого маторів 3 поєднані паралельно і підключені до одночасного їх розряду. В розрядний контур, що ємнісного накопичувача 11 через тиристорний коутворений основним накопичувачем 1, вторинними мутатор 12, з якими вони утворюють формувач обмотками трансформаторів 3 і діодами 5 з резисімпульсів підпалення, що мав запуск від синхроніторами 6 підключені також послідовно лампа назатора 13. Паралельно дроселю 10 підключений качування 9 і вторинна обмотка вихідного трансконденсатор 14 для протікання струму імпульсу форматора формувача 10 імпульсів підпалення. підпалення. Він мав незначну ємність (сотні пікоКонденсатор 11 призначений для протікання току фарад) з ємностями накопичувачів 1 і 2 енергії. порівняно коротких імпульсів (порядку 10мкс) від Паралельно тиристорним комутаторам 4 підклювихідного трансформатора формувача 10 імпульчені RС-ланцюги 15 і 16, які забезпечують униксів підпалення. Ємність конденсатора 11 незначна нення спрацьовування комутаторів 4 при протікан(сотні пікофарад) в порівнянні з ємностями наконю по додаткових третіх обмотках пичувачів 1 і 2 енергії (десятки мікрофарад). До трансформаторів 3 струму імпульсів підпалення. комутаторів 4 і формувача 10 імпульсів підпалення Ємність конденсаторів 15 незначна, як і конденсапідключений синхронізатор 12, що уявляє собою тора 14, опір резисторів 16 складав значення побагатоканальний генератор імпульсів. рядку 10Ом. Тому RС-ланцюги 15 і 16 практично Після заряду ємнісних накопичувачів 1 і 2 енене впливають на основні процеси в запропоноваргії від зарядного пристрою 7 подається електричному пристрої після підпалення лампи 9. Робота ний імпульс від синхронізатора 12 до формувача пристрою для накачування лазерних активних се10 імпульсів підпалення. Міжелектродний проміредовищ, який виконаний за схемою Фіг.2, не віджок лампи 9 іонізується, і основний накопичувач 1 різняється від роботи пристрою, що виконаний за енергії розряджається на лампу 9 через струмоосхемою Фіг.1. 9 89728 10 На Фіг.3...6 показані імпульси накачування, що 10. Імпульсні трансформатори 3 мали сердечники отримані за допомогою експериментальної устаз фериту марки 400НМ з діаметром і висотою новки. Вона виконана за схемою, що наведена на 80мм. Фіг.1. Осцилограми відображають імпульси току в На Фіг.3...6 видно, що запропонований прилампі накачування "ИСП 5000". Амплітуда імпульстрій мав широкі можливості щодо отримання імсу струму на Фіг.3 складав 2кА, тривалість по попульсів накачування активного середовища будьловині амплітуди - 50мке. В цьому випадку одноякої тривалості і форми, у том числі - з пологим часно розряджалися 5 накопичувачів 2 енергії з фронтом і крутим спадом, та дозволяв уникнути ємністю кожного 40мкф, які заряджалися до напрунедоліків відомого пристрою, а також досягнути ги 700В. На Інших фігурах показані імпульсі струму поставленої мети щодо підвищення енергетичної різної форми та тривалості, в тому числі такі, в ефективність накачування активних, середовищ яких окремі імпульси мають перекриття у часі між лазерів. Видно також, що дане технічне рішення собою, тоді результуючі амплітуди їх збільшуютьприйнятне для реалізації способу керування енерся, імпульси, що показані на Фіг.4 і 5 мають пологією випромінювання лазера по патенту №154, що гий фронт і крутий спад. Як комутатори 4 були вибув виданий авторам даної заявки 27.09.2007р. користані тиристори ТЧИ 100-8, діоди 5 - ВЧ2-160 11 Комп’ютерна верстка О. Рябко 89728 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601