Устройство для возбуждения газового лазера

 

Использование: квантовая электроника, электроразрядные лазеры ТЕ - типа. Сущность изобретения: в импульсном электроразрядном лазере с поджигом объемного разряда высоковольтным предымпульсом генератор импульсных напряжений (ГИН), подключенный к электродам лазера, выполнен трехкаскадным с одним общим коммутатором, высоковольтный вывод ГИН подключен к электроду лазера через магнитный ключ и соединен с импульсным зарядным источником. 1 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к электроразрядным лазерам ТЕ-типа с зажиганием объемного разряда высоковольтным предымпульсом.

Известно устройство для возбуждения частотного газового лазера, содержащее импульсно заряжаемую искусственную формирующую линию, подсоединенную через магнитный ключ к электродам лазера, к которым подсоединена обострительная емкость [1] Недостатком устройства, является сложность его использования в высокоэнергетических газовых лазерах.

Этого недостатка лишено устройство для возбуждения широкоапертурного эксимерного лазера, содержащее импульсно-заряжаемые формирующие линии, подсоединенные через разрядник к электродам лазера, [2] Недостатком указанного устройства являются большие габариты, малые частоты следования импульсов и ресурс. Кроме того, формирующие линии необходимо заряжать до напряжения, обеспечивающего пробой разрядного промежутка лазера, что неэффективно.

Прототипом изобретения является устройство для возбуждения газового лазера, содержащее катод и анод, к которым подсоединен генератор импульсных напряжений (ГИН), состоящий из конденсатора соединенного с высоковольтным выводом ГИН, и коммутатора, соединенного с заземленным выводом ГИН, а также импульсный зарядный источник [3] Указанное устройство обеспечивает более высокий по сравнению с предыдущими аналогами КПД лазера при высокой частоте следования импульсов.

Однако в устройстве затруднено увеличение апертуры газового лазера и его энергии генерации, так как напряжение на высоковольтном выводе ГИН ограничено диапазоном работы частотного коммутатора. Кроме того, в прототипе необходимо использование двух импульсных зарядных устройств, что усложняет его эксплуатацию.

Техническая задача изобретения увеличение апертуры и энергии генерации газового лазера.

Техническая задача может быть осуществлена устройством новой конструкции, содержащем катод и анод, к которым подсоединен генератор импульсных напряжений, состоящий из конденсатора, соединенного с высоковольтным выводом ГИН, и коммутатора, соединенного с заземленным выводом ГИН, а также импульсный зарядный источник. Отличие устройства состоит в том, что конденсатор ГИН подсоединен к его коммутатору двумя дросселями с однонаправленными обмотками на общем сердечнике и соединен с заземленным выводом ГИН двумя последовательно соединенными конденсаторами, общая точка которых соединена с коммутатором через катушку индуктивности, высоковольтный вывод ГИН соединен с импульсным зарядным источником и соединен с катодом через магнитный ключ.

Выполнение устройства в указанном виде повышает амплитуду высоковольтного импульса генератора импульсных напряжений, что позволяет увеличить апертуру лазера и повысить его энергию генерации. Кроме того, обеспечивается работа устройства с использованием только одного импульсного зарядного источника, что упрощает эксплуатацию устройства.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, на котором схематично изображено устройство для возбуждения газового лазера.

Устройство содержит импульсный зарядный источник 1, который в простейшем случае состоит из накопительного конденсатора с коммутатором и зарядных катушек индуктивности; ГИН 2, содержащий последовательно соединенные конденсаторы 3 5 и коммутатор 6, причем конденсатор 3 генератора импульсных напряжений подсоединен к его коммутатору 6 двумя дросселями 7 и 8 с однонаправленными обмотками на общем сердечнике и общий вывод конденсаторов 4 и 5 соединен с коммутатором через катушку индуктивности 9, ГИН 2 подсоединен через магнитный ключ 10 к катоду 11 и аноду 12. К катоду 11 и аноду 12 подсоединен также пиковый конденсатор 13 и через магнитный ключ 14 подключена формирующая линия 15.

Устройство для возбуждения газового лазера работает следующим образом.

При включении импульсного зарядного источника 1 за время ≈ 1 мкс происходит импульсная зарядка содержащихся в ГИН 2 конденсаторов 3 5 до напряжения U_O. При этом конденсатор 3 заряжается через дроссель 8, конденсатор 4 заряжается через дроссель 7, катушку индуктивности 9 и дроссель 8; конденсатор 5 заряжается через дроссель 7 и катушку индуктивности 9. Одновременно через магнитный ключ 10 осуществляется зарядка до напряжения U_О подключенного к катоду 11 и аноду 12 пикового конденсатора 13 и соединенной с ним через магнитный ключ 14 формирующей линии 15. В процессе импульсной зарядки сердечники магнитных ключей 10 и 14 и общий сердечник дросселей 7 и 8 находятся в насыщенном состоянии. Срабатывает коммутатор 6, который может быть выполнен в виде магнитного ключа или тиратрона. Происходит инвертирование напряжения на конденсаторах 3 и 5, подсоединенных к коммутатору 6.

При этом (без учета потерь) напряжение на высоковольтном выводе ГИН 2 изменяется от U_о до величины ≃ (-3U_о). При инвертировании конденсатора 3 индуктивность дросселей 7 и 8 с общим сердечником минимальна, так как токи в их обмотках равны по величине и встречно-направлены. Для уменьшения времени инвертирование дроссели 7 и 8 могут быть выполнены одновитковыми. Величина индуктивности катушки 9, подбирается таким образом, чтобы время инвертирования конденсаторов 3 и 5 было примерно одинаковым. В процессе инвертирования однонаправленные токи утечки через дроссели 7 и 8 незначительны, так как они имеют обратное направление с токами зарядки, вследствие чего дроссели 7 и 8 обладают большой индуктивностью, поскольку их сердечник находится в ненасыщенном состоянии по отношению к токам утечки. Срабатывает магнитный ключ 10, и заряд из последовательно включенных конденсаторов 3 5 перетекает в пиковый конденсатор 13. Одновременно срабатывает предионизатор (для упрощения не показан) и осуществляется предионизация активного объема лазера между катодом 11 и анодом 12. Перетекание заряда в пиковый конденсатор 13 происходит за время ≅ 0,1 мкс. Осуществляется инвертирование напряжения на пиковом конденсаторе 13 до величины ≈(-U_o). Срабатывает магнитный ключ 14. Через магнитный ключ -14 часть заряда из формирующей линии 15 перетекает в пиковый конденсатор 13, емкость которого примерно на два порядка по величине меньше емкости формирующей линии 15. За счет переходных процессов напряжение на ней начинает возрастать от величины (-U_o) до (3U_o). При достижении на пиковом конденсаторе 13 напряжения ≅(3U_o) происходит зажигание объемного разряда между анодом 12 и катодом 11. Энергия накопления в пиковом конденсаторе 13, диспергирует в разряде, обеспечивая падение его сопротивления до некоторой квазистационарной величины R, при напряжении на разряде ≈U_o/2.

Формирующая линия 15 с волновым сопротивлением ρ≈ R через магнитный ключ 14 разряжается на согласованную нагрузку в виде объемного разряда между катодом 11 и анодом 12. При разряде формирующей линии 15 за время 0,2 0,4 мкс осуществляется энерговклад в объемный разряд, что позволяет получить генерацию лазера.

В процессе работы устройства энергозапас ГИН 2 расходуется не только на инвертирование пикового конденсатора 13, но и на энергопотери в магнитных ключах 10, 14, а также на работу предионизатора.

При использовании устройства для возбуждения эксимерного XeCl лазера величина зарядного напряжения U_o5·D кВч/см, где D расстояние между катодом и анодом; величины емкости формирующей линии -(200 400 нФ), пикового конденсатора -(2 5 нФ), конденсаторов ГИН (6 20) нФ.

По сравнению с прототипом устройство для возбуждения газового лазера приобретает новые положительные качества. Выполнение ГИН в указанном виде, т. е. подсоединение конденсатора ГИН к коммутатору двумя дросселями с однонаправленными обмотками на общем сердечнике и его соединение с заземленным выводом ГИН через два последовательно соединенных конденсатора, общая точка которых соединена с коммутатором через катушку индуктивности, увеличивает по сравнению с прототипом амплитуду импульсного напряжения ГИН в три раза. Это позволяет увеличить апертуру газового лазера и повысить его энергию генерации и среднюю мощность излучения в импульсно-периодическом режиме. При этом соединение высоковольтного вывода ГИН с катодом через магнитный ключ необходимо для подачи поджигающего напряжения на разрядный промежуток лазера после инвертирования напряжения на емкостях ГИН, подсоединенных к коммутатору. Соединение высоковольтного вывода ГИН, выполненного в указанном виде, с импульсным зарядным источником устраняет необходимость использования дополнительного зарядного источника, подающего напряжение на электроды лазера перед зажиганием разряда и обеспечивает автоматическое намагничивание сердечников дросселей и магнитных ключей в рабочее состояние, что упрощает эксплуатацию устройства.

Устройство, выполненное в соответствии с предлагаемым изобретением, успешно испытано для возбуждения широкоапертурного XeCl-лазера.

Формула изобретения

Устройство для возбуждения газового лазера, содержащее катод и анод, к которым подсоединен генератор импульсных напряжений, состоящий из конденсатора, соединенного с высоковольтным выводом генератора импульсного напряжения, и коммутатора, соединенного с заземленным выводом упомянутого генератора, а также импульсный зарядный источник, отличающееся тем, что конденсатор генератора импульсных напряжений подсоединен к его коммутатору двумя дросселями с однонаправленными обмотками на общем сердечнике и соединен с заземленным выводом генератора импульсного напряжения через два последовательно соединенных конденсатора, общая точка которых соединена с коммутатором через катушку индуктивности, высоковольтный вывод генератора импульсного напряжения соединен с импульсным зарядным источником и соединен с катодом через магнитный ключ.

РИСУНКИ

Рисунок 1