Твердотельный лазер

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Открытое акционерное общество Пеленг(72) Авторы Пилипенко Олег Игоревич Клинов Александр Георгиевич(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество Пеленг(57) 1. Твердотельный лазер, содержащий блок питания и излучатель, включающий расположенный в его корпусе отражатель, содержащий активный элемент и лампу накачки, отличающийся тем, что корпус излучателя выполнен металлическим, а блок питания содержит источник питания, выход которого соединен с одной обкладкой конденсатора и с анодным выводом лампы накачки, формирователь импульса напряжения, выход которого соединен с первичной обмоткой импульсного высоковольтного трансформатора, вывод отрицательной полярности вторичной обмотки импульсного высоковольтного трансформатора соединен с катодным выводом лампы накачки, а вывод положительной полярности вторичной обмотки импульсного высоковольтного трансформатора, другая обкладка конденсатора и корпус излучателя объединены в электрическое соединение единого потенциала. 2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что блок питания содержит дополнительный источник питания, выход которого соединен с анодным выводом лампы накачки. 3. Лазер по п. 2, отличающийся тем, что блок питания содержит резистор, включенный последовательно с конденсатором.(56) Технологические лазеры Справочник.Т.1 Расчет, проектирование и эксплуатация. М. Машиностроение, 1991. - С.42-43.0006288 1, 1998.8533 1, 1998.1736314 1, 1994.3766492 , 1973. Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при разработке твердотельных лазеров с накачкой излучением газоразрядных ламп. Известен твердотельный лазер 1, содержащий блок питания и излучатель, включающий расположенный в корпусе отражатель с активным элементом и лампой накачки. Недостатком лазера является невысокая надежность из-за пропусков зажигания лампы накачки. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является твердотельный лазер 2, содержащий блок питания и излучатель, включающий расположенный в корпусе отражатель с активным элементом и лампой накачки. В процессе эксплуатации лазера в лампе накачки происходит накопление избыточных отрицательных ионов окиси углерода, кислорода, хлора, образующих внутри лампы накачки облако пространственного отрицательного заряда, которое, захватывая или отталкивая электроны, блокирует замыкание межэлектродного промежутка при подаче высоковольтного напряжения импульса зажигания. При этом происходит возрастание напряжения пробоя и увеличение времени зажигания и, при достижении уровня пробоя изоляции, происходит пропуск зажигания лампы, что приводит к пропуску излучения активного элемента и ухудшает надежность работы лазера. Задачей изобретения является повышение надежности лазера путем исключения пропусков излучения за счет безотказного зажигания лампы накачки. Сущность изобретения заключается в том, что в твердотельном лазере, содержащем блок питания и излучатель, включающий расположенный в его корпусе отражатель, содержащий активный элемент и лампу накачки, корпус излучателя выполнен металлическим, а блок питания содержит источник питания, выход которого соединен с одной обкладкой конденсатора и с анодным выводом лампы накачки, формирователь импульса напряжения, выход которого соединен с первичной обмоткой импульсного высоковольтного трансформатора, вывод отрицательной полярности вторичной обмотки импульсного высоковольтного трансформатора соединен с катодным выводом лампы накачки, а вывод положительной полярности вторичной обмотки импульсного высоковольтного трансформатора, другая обкладка конденсатора и корпус излучателя объединены в электрическое соединение единого потенциала. Блок питания содержит дополнительный источник питания, выход которого соединен с анодным выводом лампы накачки. Блок питания содержит резистор, включенный последовательно с конденсатором. Выполнение корпуса излучателя металлическим обеспечивает электромеханическую связь всех составных частей излучателя (корпус, отражатель, лампа накачки). Реализация блока питания, при котором соединение вывода положительной полярности вторичной обмотки импульсного высоковольтного трансформатора, второй обкладки конденсатора и корпуса излучателя в соединение единого потенциала, обеспечивает приложение высоковольтного импульса положительной полярности к аноду лампы и к корпусу излучателя. В процессе формирования газового разряда высоковольтное напряжение, приложенное между корпусом излучателя и катодом лампы накачки, при нарастании создает напряженность электрического поля вблизи катода (103-105)В/см, инициирует, подключая меха 2 4944 1 низмы дополнительной эмиссии избыточных электронов, выход электронов с катода и инжектирует их в канал, образуемый ковром электронов на внутренней поверхности колбы лампы и облаком пространственного отрицательного заряда в межэлектродном промежутке. Стремительно двигаясь в поперечном направлении от катода к корпусу, инжектированные электроны перехватываются положительным потенциалом высоковольтного импульса напряжения анода и ускоренно двигаются в канале со скоростью, определяемой только напряженностью электрического поля, не встречая на пути никаких особых препятствий достигнув анода за доли микросекунд, производят замыкание межэлектродного промежутка, т.е. происходит высоковольтный пробой (зажигание) лампы накачки в течение (0,1-0,15) мкс. Вращательно-поступательное вихревое движение электронов образованного электропроводящего канала увлекает прилегающую электроматерию, при этом происходит возбуждение свечения вдоль канала, размножение заряженных частиц и вовлечение их в процесс плазмообразования. После окончания высоковольтной ионизации происходит разряд емкости через лампу накачки, сопровождающийся ярким свечением. Это приводит к исключению пропусков зажигания лампы накачки и, соответственно, пропусков лазерного излучения, что обеспечивает высокую надежность лазера. Введение в блок питания дополнительного источника питания, выход которого соединен с анодным выводом лампы накачки, обеспечивает заданный режим горения лампы накачки и работы лазера. Введение в блок питания резистора, включенного последовательно с конденсатором,уменьшает сдвиг во времени напряжения и тока в газоразрядном промежутке лампы накачки, что увеличивает выделяемую активную часть электрической мощности при разряде конденсатора. Реализованный твердотельный лазер позволяет также снизить напряжение пробоя лампы накачки до уровней, не превосходящих (912) кВ. Это дает возможность выбирать высоковольтный импульсный трансформатор с напряжением холостого хода не более 15 кВ снизить требования к электрической изоляции высоковольтного импульсного трансформатора и излучателя уменьшить время пробоя до уровней (0,120,15) мкс, что приводит к стабилизации напряжения пробоя использовать лампы накачки невысокого качества, с внутренними загрязнениями и непритязательными электродами. На фиг. 1 представлена функциональная схема твердотельного лазера. На фиг. 2 представлена схема электрическая функциональная высоковольтного импульсного зажигания лампы накачки лазера. Твердотельный лазер (фиг. 1, 2) состоит из излучателя 1 и блока питания 2. Излучатель 1 содержит металлический корпус 3, в котором установлен отражатель 4 с активным элементом 5 и лампой накачки 6. Блок питания 2 содержит источник питания 7, выход которого соединен с одной обкладкой конденсатора С и с анодным выводом лампы накачки 6, формирователь импульса напряжения 8, выход которого соединен с первичной обмоткой импульсного высоковольтного трансформатора Т, вывод отрицательной полярности вторичной обмотки импульсного высоковольтного трансформатора Т соединен с катодным выводом лампы накачки 6 (Е), вывод положительной полярности вторичной обмотки импульсного высоковольтного трансформатора Т, другая обкладка конденсатора С и корпус 3 излучателя объединены в электрическое соединение единого потенциала. Дополнительный источник питания, выход которого соединен с анодным выводом лампы накачки, и резистор , включенный последовательно с конденсатором С (на чертеже не показаны). В качестве активного элемента 5 используются алюмоиттриевый гранат с неодимом,неодимовое стекло и др., в качестве лампы накачки 6 используются лампы типа ДНП,3 4944 1 ИНП, ИСП,и др. Отражатель 4 представляет собой моноблок из кварцевого стекла в форме эллиптического цилиндра с полированной боковой поверхностью, покрытой слоем серебра. Источник питания 7 предназначен для преобразования низкого напряжения в однополярное высокое, фиксации уровня этого напряжения, регулировки и настройки и накопления энергии в конденсаторе С. Источник питания 7 выполнен в виде преобразователя напряжения с элементами фиксации уровня на компараторе, регулировки и настройки. Формирователь импульса напряжения 8 предназначен для формирования короткого импульса напряжения на первичной обмотке высоковольтного импульсного трансформатора Т и выполнен на основе тиристора, искрового разрядника или полевого транзистора,использованных в качестве электронного ключа, напряжение коммутации которого определяет напряжение первичной обмотки трансформатора. Дополнительный источник питания предназначен для увеличения времени работы лазера после первичного разряда конденсатора С, обеспечивая циклический или непрерывный режим работы. В качестве дополнительного источника питания может быть использован источник постоянного тока, источник постоянного напряжения или их комбинация и реализуется на основе известных преобразователей, химических источников, емкостных или индуктивных накопителей электроэнергии, выходные параметры которых определяются циклограммой работы лазера, его параметрами и параметрами лампы накачки. На выходе дополнительного источника питания для разделения (развязки) или защиты от высоковольтного напряжения может устанавливаться высоковольтный диод или коммутируемый высоковольтный элемент с односторонней проводимостью (биполярный транзистор, тиристор, полевой транзистор и т.д.). Резисторв несколько десятков Ом, включенный последовательно с конденсатором С, служит для уменьшения сдвига во времени напряжения и тока в газоразрядном промежутке лампы накачки, что увеличивает выделяемую активную часть электрической мощности при разряде накопительной емкости С. Работа устройства осуществляется следующим образом. Источник питания 7 вырабатывает однополярное напряжение, которое заряжает конденсатор С до напряжения от нескольких сот вольт до нескольких киловольт, определяемого режимом включения лампы накачки 6. Емкость конденсатора С заряжена перед формированием импульса. Формирователь импульса напряжения 8 работает в соответствии с заданной циклограммой или в автономном режиме от внешнего запуска и формирует короткий импульс напряжения(0,20,3) мкс, который подается на первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора Т. Сформированный высоковольтный импульс с вторичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора Т прикладывается положительной полярностью к аноду лампы накачки 6 через конденсатор С и к корпусу излучателя относительно катода лампы накачки. Высоковольтный импульс, приложенный между металлическим корпусом 3 излучателя и катодом лампы накачки 6, дает максимальную напряженность электрического поля вблизи катода и инициирует выход электронов с катода. Инициированные электроны перехватываются положительным потенциалом высоковольтного импульса напряжения на аноде и достигают его за доли микросекунд (0,10,2) мкс. Происходит замыкание межэлектродного промежутка, т.е. высоковольтный пробой (зажигание) лампы накачки. После окончания ионизации происходит разряд емкости С через лампу накачки 6, сопровождающийся интенсивным выделением энергии, размножением заряженных частиц, ярким свечением электропроводящей плазмы и облучением активного элемента, т.е. лазерное излучение. При необходимости разряд емкости С через лампу накачки может коммутироваться включенным последовательно электронным ключом по заданной циклограмме. На этом цикл высоковольтного пробоя (поджига) лампы накачки завершен. 4 4944 1 Кроме того, для обеспечения продленного режима в соответствии с заданной циклограммой работы лазера, параметрами лазера и лампы накачки служит дополнительный источник питания, который вырабатывает электрическую энергию, поддерживающую горение лампы накачки, а резистор, включенный последовательно с конденсатором С, увеличивает выделяемую активную часть электрической мощности при разряде накопительной емкости С. Для измерения тока лампы накачки может использоваться резистор (доли Ом) в качестве датчика тока (на чертеже не показан), включаемый между выводом положительной полярности вторичной обмотки импульсного высоковольтного трансформатора Т и корпусом 3 излучателя. Источники информации 1. Патент США 3638140, МКИ Н 01 3/02, 3/04. 2. Технологические лазеры Справочник. Расчет, проектирование и эксплуатация / Под общ. ред. Г.А. Абильсиитова. - М. Машиностроение, 1991. - С. 42-43. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.