Способ оптической накачки лазера



Способ оптической накачки лазера
Способ оптической накачки лазера
Способ оптической накачки лазера

 

H03K3/02 - Импульсная техника (измерение импульсных характеристик G01R; механические счетчики с электрическим входом G06M; устройства для накопления /хранения/ информации вообще G11; устройства хранения и выборки информации в электрических аналоговых запоминающих устройствах G11C 27/02; конструкция переключателей для генерации импульсов путем замыкания и размыкания контактов, например с использованием подвижных магнитов, H01H; статическое преобразование электрической энергии H02M;генерирование колебаний с помощью схем, содержащих активные элементы, работающие в некоммутационном режиме, H03B; импульсная модуляция колебаний синусоидальной формы H03C;H04L ; схемы дискриминаторов с подсчетом импульсов H03D;

Владельцы патента RU 2494533:

Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)

Изобретение относится к технике формирования импульсов тока в устройствах оптической накачки лазеров, например в источниках светодиодной накачки или в источниках питания импульсных газонаполненных ламп накачки с разрядом через лампу накопительного конденсатора. Достигаемый технический результат - повышение эффективности накачки лазера при имеющихся ограничениях на величину и энергию импульса тока, протекающего через оптический источник. Способ оптической накачки лазера с модулированной добротностью заключается в освещении активного элемента лазера импульсным излучением оптического источника, возбуждаемого импульсом тока заданной длительности, поддерживаемого в процессе накачки в регулируемых пределах, величину тока через оптический источник изменяют в течение импульса так, чтобы энергия выходного излучения лазера была максимально возможной при заданных ограничениях на максимальное и минимальное значения тока накачки и на величину энергии импульса тока, причем момент включения добротности лазера и характер зависимости тока накачки от времени определяют предварительно путем измерения выходной энергии лазера при изменении времени включения добротности и тока накачки в заданных пределах. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к технике формирования импульсов тока в устройствах оптической накачки лазеров, например, в источниках светодиодной накачки или в источниках питания импульсных газонаполненных ламп накачки с разрядом через лампу накопительного конденсатора.

Известен способ накачки твердотельного лазера [1] с помощью импульсной лампы накачки, через которую производится разряд накопительного конденсатора путем пробоя разрядного промежутка лампы и пропускания через лампу разрядного импульса тока заданной длительности Т, определяемой емкостью накопительного конденсатора и индуктивностью дросселя в разрядном контуре. Схемы, реализующие такой способ, обладают большими потерями энергии в контуре, поскольку ток через лампу в процессе разряда меняется в широких пределах и значительную часть времени отличается от оптимального значения, при котором светоотдача лампы максимальна. Это особенно заметно при формировании импульсов тока длительностью 1 мс и более, требуемой, например, для накачки лазеров на стекле с эрбием, работающих в безопасном диапазоне длин волн. Кроме того, для формирования электрических процессов такой длительности требуется большая индуктивность дросселя, что ведет к ухудшению массогабаритных показателей и надежности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ оптической накачки лазера с модулированной добротностью, заключающийся в освещении активного элемента лазера импульсным излучением оптического источника, возбуждаемого импульсом тока заданной длительности, поддерживаемого в процессе накачки в регулируемых пределах [2].

Указанный способ не позволяет полностью реализовать ресурс первичного энергетического источника вследствие потерь энергии в ходе накачки, обусловленных релаксационными процессами в накачиваемой активной среде лазера.

Задачей изобретения является повышение эффективности накачки лазера при имеющихся ограничениях на величину и энергию импульса тока, протекающего через оптический источник.

Эта задача решается за счет того, что в известном способе оптической накачки лазера с модулированной добротностью, заключающемся в освещении активного элемента лазера импульсным излучением оптического источника, возбуждаемого импульсом тока заданной длительности, поддерживаемого в процессе накачки в регулируемых пределах, величину тока через оптический источник изменяют в течение импульса так, чтобы энергия выходного излучения лазера была максимально возможной при заданных ограничениях на максимальное и минимальное значения тока накачки и на величину энергии импульса тока, причем момент включения добротности лазера и характер зависимости тока накачки от времени определяют предварительно путем измерения выходной энергии лазера при изменении времени включения добротности и тока накачки в заданных пределах.

Форма импульса тока накачки I(t) может быть задана в виде I(t)=Imin+kt, где t - текущее время; Imin - минимально допустимое значения тока накачки, а k - коэффициент, определяемый экспериментально с учетом заданных ограничений на величину энергии тока накачки в течение времени T и с учетом условия I(T)=I0+kT<Imax>где Imax -предельно допустимое значение тока; Т - длительность импульса накачки.

Форма импульса тока накачки I(t) может быть задана в виде I(t)=Imin+kt2, где t - текущее время; Imin - минимально допустимое значения тока накачки, а k - коэффициент, определяемый экспериментально с учетом заданных ограничений на величину энергии тока накачки в течение времени Тис учетом условия I(T)=I0+kT<Imax; где Imax - предельно допустимое значение тока; Т - длительность импульса накачки.

Форму импульса тока накачки I(t) можно задать в виде I(t)=Imin при 0≤t≤Т1, I(t)=Imax при Т1≤t≤Т, где t - текущее время; Imin и Imax - соответственно минимально и максимально допустимые значения тока накачки, Т длительность импульса тока накачки, а 0≤Ti≤Т момент времени, устанавливаемый экспериментально, так, чтобы энергия лазерного импульса была максимальной при заданных ограничениях на величину энергии тока накачки в течение времени Т.

Форму импульса тока накачки I(t) можно также задать в виде I(t)=Imin+k(eαt-1), где t - текущее время; Imin - минимально допустимое значения тока накачки, а k и α - коэффициенты, определяемые экспериментально с учетом заданных ограничений на величину энергии тока накачки в течение времени T и с учетом I(T)=Imin+k (eαT-1)≤Imax, где Imax - предельно допустимое значение тока накачки, а T - длительность импульса тока накачки.

На чертеже фиг.1 представлена схема генератора импульсов тока накачки. На фиг.2 и 3 представлены временные диаграммы тока накачки и степени возбуждения активной среды лазера (уровня накачки) соответственно для случаев с пилообразным и со ступенчатым изменением тока в процессе накачки.

Генератор представляет собой разрядный контур, состоящий из последовательно включенных накопительного конденсатора 1, дросселя 2, импульсной газонаполненной лампы 3, транзисторного ключа 4 со схемой управления 5 и датчика тока обратной связи - сопротивления 6. Цепь дроссель - лампа зашунтирована демпфирующим диодом 7. Заряд накопительного конденсатора осуществляется от внешнего источника 9. Ионизация разрядного промежутка лампы (пробой) производится внешней схемой поджига 10. Схема управления имеет дополнительный вход, на который поступает управляющий сигнал от программного регулятора порога 8.

В указанной схеме предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

В исходном состоянии накопительный конденсатор 1 заряжен до номинального напряжения. Транзисторный ключ 4 открыт, а лампа 3 закрыта. После ее пробоя с помощью внешней схемы поджига 10 конденсатор 1 начинает разряжаться в разрядном контуре. Поджиг может осуществляться через дополнительную обмотку дросселя [2], или подачей поджигающего высоковольтного импульса на основной или дополнительный электрод лампы [1]. После пробоя разрядного промежутка ток через лампу постепенно нарастает со скоростью, определяемой емкостью накопительного конденсатора и индуктивностью дросселя. Падение напряжения на датчике тока 6 пропорционально протекающему через него току. Как только ток достигнет верхней границы заданного программным регулятором порога 8 номинального интервала, напряжение на датчике 6 вызывает срабатывание схемы управления 5, которая формирует управляющий импульс заданной длительности, подаваемый на вход транзисторного ключа 4 и запирающий ключ. При закрытом ключе 4 ток через лампу поддерживается по малому контуру дроссель - лампа - демпфирующий диод за счет энергии, накопленной в дросселе. Этот ток убывает экспоненциально с постоянной времени τL=LRL, где RL - суммарное сопротивление лампы и демпфирующего диода.

В течение управляющего импульса ток через лампу, поддерживаемый за счет энергии, накопленной в дросселе, снижается до нижней границы заданного номинального интервала тока накачки. По окончании управляющего импульса схема управления снова открывает ключ 4. После этого питание лампы осуществляется за счет энергии, содержащейся в накопительном конденсаторе, и ток через лампу растет, пока не достигнет верхней границы. Описанный процесс повторяется до тех пор, пока не будет исчерпан заряд накопительного конденсатора. После этого по истечении времени T импульс тока через лампу прекращается.

Программный регулятор порога в течение импульса разрядного тока изменяет порог срабатывания схемы управления 5 таким образом, чтобы величина разрядного тока, соответствующая падению напряжения на датчике тока 6 в каждый момент времени соответствовала заданной зависимости, например, по методу временной автоматической регулировки порога (ВАРП), используемой для программного управления порогом срабатывания фотоприемных устройств [3].

Предлагаемый способ особенно актуален для лазеров со сложной кинетикой возбуждения, например, к лазерам на стекле, активированном эрбием, в которых процесс накачки занимает длительное время (порядка 1 мс), в течение которого режим освещения активного элемента представляет значительные трудности как схемного, так и принципиального характера. Предлагаемый способ обеспечивает оптимальное решение этих вопросов.

Энергия токового импульса накачки E=CΔU2/2 определяется емкостью накопительного конденсатора C и спадом напряжения на нем ΔU в течение разряда, определяемым параметрами схемы и предельно допустимым напряжением Umax [2]. Допустимые пределы изменения тока через лампу определяются стабильностью режима горения и светоотдачей лампы, а также электрической прочностью элементов разрядного контура.

Рассмотрены четыре режима изменения тока накачки в течение импульса.

а) Форму импульса тока накачки I(t) задают в виде I(t)=Imin+kt, где t - текущее время; Imin - минимально допустимое значения тока накачки, а k - коэффициент, определяемый экспериментально с учетом заданных ограничений на величину энергии тока накачки в течение времени T и с учетом условия I(T)=Imin+kT<Imax; где Imax - предельно допустимое значение тока; T - длительность импульса накачки.

б) I(t)=Imin+kt, где k - коэффициент, устанавливаемый из тех же условий.

в) I(t)=Imin при 0≤t≤Т1, I(t)=Imax при T1≤t≤T, где 0≤T1≤T момент времени, устанавливаемый экспериментально.

г) I(t)=Imin+k(eαt-1), где k и α - коэффициенты, устанавливаемые исходя из заданных ограничений.

На фиг.2 представлены результаты моделирования процесса накачки в режиме а). График 11 соответствует накачке постоянным током, график 12 - накачке пилообразно нарастающим током.

На фиг.3 представлены результаты моделирования процесса накачки в режиме в). График 13 соответствует накачке постоянным током, график 14 - накачке ступенчато нарастающим током при T1=0,5Т.

Временная привязка уровня накачки к импульсу тока показана условно. Реально имеет место задержка возбуждения, связанная с физическими процессами в активной среде. Мощность токового импульса во всех случаях одинакова. Выигрыш в уровне

накачки активного элемента лазера по окончании накачки составляет в случае а) 7,6%, а в случае в) 11% по сравнению с известным способом.

Был разработан макетный образец генератора импульсов тока, испытанный в составе лазерного дальномера. Экспериментальные результаты исследований образца совпадают с рассчетными.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает решение поставленной задачи, а именно, повышение эффективности накачки лазера при имеющихся ограничениях на величину и энергию импульса тока, протекающего через оптический источник.

Источники информации

1. Лазерный прибор разведки ЛПР-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации Г 36. 48.069 ТО. - с.19-20.

2. В.В. Тогатов, П.А. Гнатюк. Высокочастотный разрядный модуль для питания ламп накачки твердотельных лазеров. «Приборы и техника эксперимента». №5, 2003 г.-с.89-95 - прототип.

3. Продукция «Скат-Р». Фотоприемные устройства ФПУ-073, ФПУ-092. httpi://www.skay-r.ru/FPU.html

1. Способ оптической накачки лазера с модулированной добротностью, заключающийся в освещении активного элемента лазера импульсным излучением оптического источника, возбуждаемого импульсом тока заданной длительности, поддерживаемого в процессе накачки в регулируемых пределах, отличающийся тем, что величину тока через оптический источник изменяют в течение импульса так, чтобы энергия выходного излучения лазера была максимально возможной при заданных ограничениях на максимальное и минимальное значения тока накачки и на величину энергии импульса тока, причем момент включения добротности лазера и характер зависимости тока накачки от времени определяют предварительно путем измерения выходной энергии лазера при изменении времени включения добротности и тока накачки в заданных пределах.

2. Способ оптической накачки лазера по п.1, отличающийся тем, что форму импульса тока накачки I(t) задают в виде I(t)=Imin+kt, где t - текущее время; Imin - минимально допустимое значения тока накачки, a k - коэффициент, определяемый экспериментально с учетом заданных ограничений на величину энергии тока накачки в течение времени Т и с учетом условия I(T)=Imin+kT<Imax, где Imax - предельно допустимое значение тока; Т - длительность импульса накачки.

3. Способ оптической накачки лазера по п.1, отличающийся тем, что форму импульса тока накачки I(t) задают в виде I(t)=Imin+kt2, где t - текущее время; Imin - минимально допустимое значения тока накачки, a k - коэффициент, определяемый экспериментально с учетом заданных ограничений на величину энергии тока накачки в течение времени Т и с учетом условия I(T)=Imin+kT<Imax, где Imax - предельно допустимое значение тока; Т - длительность импульса накачки.

4. Способ оптической накачки лазера по п.1, отличающийся тем, что форму импульса тока накачки I(t) задают в виде I(t)=Imin при 0≤t≤T1, I(t)=Imax при T1≤t≤T, где t - текущее время; Imin и Imax - соответственно минимально и максимально допустимые значения тока накачки, Т длительность импульса тока накачки, a 0≤T1≤T момент времени, устанавливаемый экспериментально, так, чтобы энергия лазерного импульса была максимальной при заданных ограничениях на величину энергии тока накачки в течение времени Т.

5. Способ оптической накачки лазера по п.1, отличающийся тем, что форму импульса тока накачки I(t) задают в виде I(t)=Imin+k(еαt-1), где t - текущее время; Imin - минимально допустимое значения тока накачки, а k и α - коэффициенты, определяемые экспериментально с учетом заданных ограничений на величину энергии тока накачки в течение времени Т и с учетом I(T)=Imin+k(eαT-1)≤Imax где Imax - предельно допустимое значение тока накачки, а Т - длительность импульса тока накачки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике формирования импульсов тока, в частности к устройствам питания импульсных газонаполненных ламп накачки твердотельных лазеров с разрядом через лампу накопительного конденсатора.

Изобретение относится к области радиотехники и, в частности, может быть использовано для избирательного радиоподавления источников излучения. Технический результат - расширение области применения, в том числе для радиоподавления каналов связи априорная информация о загруженности рабочих частот которых не известна, и которые используют режим с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты.

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано в системах автоматического управления. .

Изобретение относится к области цифровых систем приема и обработки сигналов и предназначено для уменьшения влияния аддитивных случайных импульсных помех. .

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для получения наносекундных импульсов высокого напряжения большой частоты следования, которые могут быть использованы для питания лазеров и рентгеновских трубок.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при передаче электрической энергии потребителю с помощью неизолированной линии электропередачи трехпроводного исполнения.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в качестве устройства электронного гистерезиса. .

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в качестве устройства электронного гистерезиса. .

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к устройствам, аналогичным триггеру Шмитта. .

Изобретение относится к технике формирования импульсов тока, в частности к устройствам питания импульсных газонаполненных ламп накачки твердотельных лазеров с разрядом через лампу накопительного конденсатора.

Изобретение относится к лазерной технике. Химический импульсно-периодический лазер с непрерывной накачкой и модуляцией добротности резонатора, состоящий из задающего генератора, предусилителя и оконечного усилителя.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано для создания пучков когерентного излучения с высокой плотностью мощности. .

Изобретение относится к области оптической техники и может быть использовано в оптических системах. .

Изобретение относится к лазерной технике. .

Изобретение относится к лазерной технике. .

Изобретение относится к оптоэлектронике и приборостроению. .

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к сумматорам оптического излучения, например, полупроводниковых лазеров, и может быть использовано для усиления мощности лазерного излучения в волоконно-оптических линиях связи, сетях, информационно-измерительных системах, технологическом оборудовании, в бытовых приборах, медицине, системах опознавания и наведения, для охраны объектов от посторонних и пожара, лазерном оружии и т.п.

Способ и устройства относятся к лазерной технике и могут быть использованы для контроля допустимого уровня инверсии населенности активных сред, используемых в приборах телекоммуникации, хирургии и металлообработки. Способ дифференциального контроля инверсии населенности лазерной среды состоит в спектральном анализе ответвленной части мощности спонтанного излучения в процессе накачки путем относительного сравнения плотностей оптического спектра спонтанного излучения в двух областях: длинноволновой и коротковолновой. Причем сопоставляют участки спектра в окрестности максимальных плотностей спектра. Технический результат заключается в повышении стабильности работы лазера и в увеличении его мощности. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх