Твердотельный лазер

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Открытое акционерное общество Пеленг(72) Авторы Пилипенко Олег Игоревич Савчик Виктор Иванович Чурдесов Фдор Фдорович(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество Пеленг(57) 1. Твердотельный лазер, содержащий блок питания, излучатель, включающий расположенный в корпусе отражатель, содержащий активный элемент и лампу накачки систему охлаждения, отличающийся тем, что в трансформаторе высоковольтном импульсном зажигания лампы накачки лазера используется магнитопровод, выполненный на основе- феррита или -пермаллоя, или - феррита, или ленточного магнитного сплава. 2. Твердотельный лазер по п. 1, отличающийся тем, что в блок питания введен дополнительный источник питания, выход которого электрически связан с анодным выводом лампы накачки. 3. Твердотельный лазер по п. 1, отличающийся тем, что в блок питания введен резистор, включенный последовательно с конденсатором. 4. Твердотельный лазер по п. 1, отличающийся тем, что все составляющие трансформатор высоковольтный импульсный материалы, включая намоточный электропровод,имеют высокую эксплуатационную рабочую температуру нагрева не менее 200300 С.(56) 1. Патент США 3638140, П 01 3/02, 3/04. 2. Технологические лазеры Справочник расчет, проектирование и эксплуатация / Под общ. ред. Г.А.Абильсиитова. - М. Машиностроение 1991. - С. 42-43 210-211 245-248. Полезная модель относится к области лазерной техники и может быть использована при разработке твердотельных лазеров с накачкой мощным светом 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 - пропусков лазерного излучения. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является твердотельный лазер 2, содержащий блок питания, излучатель, включающий расположенный в корпусе отражатель с активным элементом и лампой накачки систему охлаждения. Неотъемлемой частью известных твердотельных лазеров является специальный с особыми конструктивно-техническими требованиями высоковольтный импульсный трансформатор ТВИ, на выходе которого формируется высоковольтный импульс напряжения 2025 кВ и более первичного пробоя-зажигания (поджига) лампы накачки. Система охлаждения лазера, лампы накачки и активного элемента может быть естественной распределенной или принудительной сосредоточенной, специально разработанной для этой цели функциональной единицы, имеющей специализированные конструктивные элементы и узлы, с использованием в качестве теплоносителяохладителя направленно вентилируемый воздух или циркулирующую с помощью насоса охлаждающую жидкость дистиллированную воду или специальную жидкость-фильтр,пропускающую световой поток накачки активного элемента в определенной области оптического спектра охлаждающий металл термобатарею и т.д. Естественная система охлаждения построена на двойном использовании имеющихся взаимосвязанных элементов конструкции аппаратуры или прибора, распределенных по всей конструкции в целом, примыкающих и связанных с окружающей средой, без дополнительных специализированных узлов охлаждения, в случае достаточного обеспечения охлаждения естественным путем за счет действующих одновременно и бесперебойно во всех условиях эксплуатации конвекции, охлаждение свободным перемещением слоев внутреннего воздуха теплопроводности (кондукции), охлаждение через непосредственно примыкающие друг к другу элементы конструкции путем теплопередачи от искусственно нагретых внутренних частей к не нагретым наружным поверхности и воздуху лучевой теплоотдачи. Воздушно-конвекционная - кондуктивно-лучистая система, в просторечии воздушная. При наличии принудительного охлаждения часть тепла отводится посредством конвекции, кондукции и лучистой теплоотдачи. 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. Значительное влияние на электрические параметры коротких импульсов менее 1 мкс,эквивалентных высокочастотным ВЧ электрическим сигналам, оказывает охлаждающая 2 66252010.10.30 жидкость, электрические характеристики которой изменяют плотность электроматерии у поверхности стекла лампы накачки и в зоне формирования газового разряда у внутренней поверхности лампы. Повышение плотности электроматерии увеличивает скорости процессов, эффективность электрического взаимодействия. Применение различных жидкостей может существенно улучшить или ухудшить параметры короткого высокочастотного высоковольтного импульса напряжения зажигания (холостого хода) и пробоя лампы накачки сформированного ТВИ, условия пробоя. В условиях эксплуатации и приемо-сдаточных испытаний в основном используются типы теплоносителей систем охлаждения а) дистиллированная вода (наилучшие условия и минимальные уровни пробоя) б) этиловый спирт (этанол). Несколько повышенные, но близкие, по сравнению с водой,уровни пробоя в) специальная спектральная смесь тяжелых спиртов, например метанола и бутанола, с добавками г) воздушно-конвекционый - кондуктивно-лучистый (наиболее худшие условия и повышенные уровни пробоя). Соответственно, импульсные напряжения пробоя ламп накачки в оптимальной схеме зажигания не превышают 711 Кв холостого хода ТВИ, необходимое и достаточное, не превышают 15 Кв. Таким образом система охлаждения на коротких импульсах менее 1 мкс становится устойчивым и тесно взаимосвязанным с ТВИ влияющим фактором на условия формирования параметров высоковольтного импульса напряжения зажигания и пробоя лампы накачки. Установлено инициативой авторов в процессе специальных исследований. Существенным отрицательным влияющим фактором являются также взаиморасположение указанных составных частей лазера и ТВИ и усиливающиеся на высоких частотах и коротких импульсах паразитные связи между ними через паразитные емкости и индуктивности, образующие на ВЧ для длительностей импульсов менее 1 мкс единую взаимосвязанную электрическую схему, приводящие к улизыванию энергии высоковольтного импульса. Потери энергии импульса происходят также через электромагнитное излучение в процесс быстроменяющихся электрических и магнитных полей в магнитопроводе ТВИ при динамике образования магнитных вихревых полей. Часть энергии высоковольтного импульса уходит на теплопотери в магнитопроводе, обмотках, материалах конструкции ТВИ,тепловое излучение, приводящие к их нагреву и последующему рассеиванию тепла через воздух и элементы конструкции ТВИ и лазера. Особую роль играет неочевидная нестабильность кривой намагничивания магнитопровода ТВИ от импульса к импульсу и под влиянием многообразных внешних воздействующих факторов (ВВФ) во время испытаний, эксплуатации и т.п., возникновение нелинейных петель забросов и перехлестов, что приводит к нестабильности параметров высоковольтных импульсов длительности и напряжения даже смене полярности и вообще к пропаданию самого импульса. Все перечисленные отрицательные влияющие факторы обуславливают потери электроэнергии импульса, в результате чего уменьшается величина пикового напряжения и увеличивается длительность, импульс размазывается. Снижение уровня напряжения приводит к пропускам зажигания лампы накачки, пропускам излучения лазера. В лучшем случае - нестабильность пикового значения и длительности импульса нестабильность напряжения пробоя лампы накачки. Задачей полезной модели является повышение надежности лазера путем исключения пропусков излучения за счет безотказного зажигания лампы накачки стабильным по параметрам высоковольтным необходимым и достаточным по величине, длительности и энергетике импульсом напряжения вторичной, выходной, обмотки ТВИ. Сущность полезной модели заключается в том, что в твердотельном лазере, содержащем блок питания, излучатель, включающем расположенный в корпусе отражатель, содержащий активный элемент и лампу накачки систему охлаждения, в трансформаторе 3 66252010.10.30 высоковольтном импульсном зажигания лампы накачки лазера используется магнитопровод, выполненный на основе - феррита или -пермаллоя, или - феррита, или ленточного магнитного сплава. При этом в необходимых случаях в блок питания вводится дополнительный источник питания, выход которого электрически связан с анодным выводом лампы накачки в блок питания вводится резистор, включенный последовательно с конденсатором все составляющие трансформатор высоковольтный импульсный материалы, включая намоточный электропровод, имеют высокую эксплуатационную рабочую температуру нагрева не менее 200300 С. 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 конденсатораи с анодным выводом лампы накачки 6,формирователь импульса напряжения 8, выход которого соединен с первичной обмоткой импульсного высоковольтного трансформатора ТВИ Т, включенного между электродом лампы накачки и выводом конденсатора накачки. Система охлаждения подробно описана ранее и на фиг. 1, 2 не показана. Дополнительный источник питания, выход которого соединен с анодным выводом лампы накачки, и резистор , включенный последовательно с конденсатором(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,ИНП, ИСП,и др. Отражатель 4, как правило, 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 . 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 ТВИ 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 , 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.). Особенность полезной модели заключается в том, что в твердотельном лазере, состоящем из блока питания и излучателя, включающего отражатель, содержащий активный 4 66252010.10.30 элемент и лампу накачки систему охлаждения, - ТВИ, ключевой ЭК лазера, его неотъемлемая часть в схеме зажигания (поджига) лампы накачки, выполнен на одном из широко распространенных магнитопроводов на основе - феррита или -пермалоя, или- феррита, или ленточного магнитного сплава, работающих в не обычном, особом режиме ударного возбуждения электрорезонанса, не оговоренного в ТУ на магнитопроводы, стандартах и другой НТД. В свою очередь, авторами при разработке ТВИ и проведении специальных измерений параметров высоковольтных импульсов было установлено,что только отдельная ограниченная часть из бесчисленной номенклатуры магнитопроводов позволяет получить высоковольтные импульсы напряжения с высокой стабильностью основных электрических параметров 1) пикового значения первой полуволны импульса затухающего напряжения, 2) длительности, 3) полярности. Выполнение корпуса излучателя металлическим обеспечивает плотную, малой электропроводности электромеханическуюэлектрическую связь всех составных частей излучателя (корпус, отражатель). Одновременное или с небольшой, (долиед) (мкс),задержкой приложение высоковольтного импульса положительной полярности к электроду 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 механизмы 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 поперечно-продольном направлении от катода к корпусу и аноду, 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. Вращательнопоступательное 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. 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. Использование высокотемпературных материалов, включая намоточный электропровод, с рабочей температурой эксплуатации не менее 200300 С позволяет уменьшить вес обмоток за счет резкого уменьшения сечениядиаметра провода и соответственно уменьшить вес и установочные габаритные размеры ТВИ. Реализованный твердотельный лазер позволяет также снизить напряжение высоковольтного импульсного пробоя лампы накачки до уровней, не превосходящих 912 кВ. Это дает возможность выбирать высоковольтный импульсный трансформатор, учитывая погрешность измерения высоковольтного импульса, с напряжением холостого хода не более 15 кВ то же, в электроконструкциях с внешним поджигом, влияющим дополнительным электродом - до 35 кВ в режимах самопробоя. Это дает возможность выбирать высоко 5 66252010.10.30 вольтный импульсный трансформатор, учитывая погрешность измерения высоковольтного импульса, с напряжением холостого хода не более 57 кВ снизить вес и уменьшить габариты ТВИ источника напряжения банкинакачки снизить требования к электрической прочности изоляции высоковольтного импульсного трансформатора и излучателя с лампой накачки уменьшить время пробоя до уровней 0,120,15 мкс, что приводит к стабилизации напряжения пробоя снизить напряжения накачки с высоковольтного уровня повышенной электроопасности 10002000 В до низковольтных уровней пониженной опасности 300700 В использовать лампы накачки невысокого качества с внутренними загрязнениями и непритязательными электродами. К ТВИ для зажигания лампы накачки лазера предъявляются особые требования. Работает ТВИ колебательным контуром в режиме ударного возбуждения электрического резонанса от крутого переднего фронта токового импульса первичной обмотки (110) нс и в момент прекращения нарастания импульса тока формирует из динамического магнитного вихря на вторичной обмотке одиночный ВЧ затухающий высоковольтный электроимпульс напряжения с длительностью 1-й полуволны доли (мкс) и временем нарастания переднего фронта 1-й полуволны десятки (нс). Параметры колебательного импульса на вторичной обмотке определяются совокупной индуктивностью, состоящей из индуктивностей самоиндукции и взаимоиндукции, глубиной магнитной взаимосвязи между первичной и вторичной обмотками ТВИ, совокупностью всевозможных паразитных емкостей,потерями. Кроме указанных ранее влияющих факторов на параметры импульса, потери энергии,значительное влияние оказывает тип материала магнитопровода рецептура - состав компонентов-ингредиентов материала магнитопровода форма магнитопровода взаиморасположение на магнитопроводе первичной и вторичной обмоток форма и конструкция обмоток свойства, количество и качество применяемых вспомогательных материалов применительно к работе в условиях высоковольтного импульсного напряжения, сверхвысокочастотных электрических и магнитных полейСВЧ электромагнитных полей высокой напряженности свойства материала заливочного компаунда геометрическая форма трансформатора - конструкция ТВИ. Оптимальная конструкция, обеспечивающая минимальные потери энергии импульса, - кольцевой тороидальный магнитопровод (в просторечии - сердечник) с тороидальными обмотками электрическая изоляция магнитопровода и предварительное крепление обмоток - лента из пленки фторопласта - 4 клеи и пропиточные материалы с высокими электроизоляционными и высокочастотными свойствами круглая или овальная форма трансформатора полное отсутствие или минимальное количество в заливочном материале металлических крепежных деталей, предпочтительно использование шнур-чулка или ниток без натяга, лент, пленок и т.п. для крепления,например, к печатной плате. И основное - тип материала магнитопровода. Измерения параметров импульсов напряжения ТВИ показали, что наилучшими указанными свойствами обладают магнитопроводы РФ, конструкции ТВИ на которых по весогабаритным характеристикам и токовым нагрузкам не только не уступают лучшим зарубежным образцам, изготовленным в Германии, Великобритании,и других станах, но имеют меньшие габариты и вес стабильные параметры формируемого импульса могут эксплуатироваться в любых мировых климатических зонах при температурах окружающего воздуха в интервале 6070 С и при непосредственном воздействии солнечной радиации при использовании высокотемпературных материалов, в т.ч. высокотемпературного провода для обмоток,обладают нагревостойкостью до 300 С. Петля гистерезиса имеет нулевую или практически нулевую площадь, без нелинейных забросов и перехлестов кривой намагничивания при работе в наносекундном высоковольтном импульсном режиме. Остаточное 6 66252010.10.30 намагничивание отсутствует. Это дает высокую повторяемость и стабильность параметров импульсов, вплоть до каждого из одиночных или периодических импульсов с частотой повторения от единиц до ста (Гц). Минимальные потери на перемагничивание,намагничивание и т.д. Из огромного множества рекомендованных сердечников для магнитопроводов лучшими оказались - и реже - замкнутые тороидальные кольцевые и прямоугольные.- кольцевые ПЯ 0.707.234 ТУ М 2000 НН-8 рецептуры 8 М 1000 НН-18 рецептуры 18 М 600 НН-19 рецептуры 19 М 400 НН-10 рецептуры 10 М 50 ВН-22 рецептуры 22 М 30 ВН-11 рецептуры 11 М 30 ВН-3 рецептуры 3. Прессмермы на основе -пермаллоя кольцевые ПЯ 0.707.180 МП 160-1 МП 140-1 - с редкоземельными металлами. Магнитопроводы-сердечники ленточные кольцевые НПП ГАММАМЕТ. При этом магнитные сердечники по указанным ТУ могут работать на регламентированных ТУ и НТД предельных максимальных частотах от 0,1 до 1 МГц, а фирмы ГАММАМЕТ - от 0,2 до 15 МГц. Использование их в ТВИ-колебательном контуре ударного возбуждения электрорезонанса, звона, позволяет получать высоковольтные ВЧ импульсы напряжения длительностью 0,20,7 мкс и передним фронтом десятки (нс), соответствующие запредельным частотам 1030 Мгц, на более, чем порядок, больше, чем по ТУ и НТД. Механический аналог ТВИ ударного возбуждения - колокол. Работа устройства осуществляется следующим образом. Источник питания 7 вырабатывает однополярное напряжение, которое заряжает конденсатордо напряжения от нескольких сот вольт до нескольких киловольт, определяемого режимом включения лампы накачки 6. Емкость конденсаторазаряжена 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 длительностью 0,20,3 мкс с передним фронтом от единиц до нескольких десятков (нс),который подается на первичную обмотку высоковольтного импульсного трансформатора Т. Получив на переднем фронте импульсную электроэнергию, вход ТВИ, первичная обмотка отключается от внешней цепи. Индуктивность и паразитные емкости ТВИ в эквивалентной схеме образуют колебательный контур. На индуктивности вторичной обмотки из запасенной от электроимпульса в динамическом вихре магнитного поля энергии и формируется резонансное затухающее напряжение, первая полуволна которого является предметом интереса. Сформированный высоковольтный импульс с вторичной обмотки высоковольтного импульсного трансформатора Т прикладывается к лампе накачки. Высоковольтный импульс 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 емкостичерез 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 емкостичерез лампу накачки может коммутироваться включенным последовательно электронным ключом по заданной циклограмме. На этом цикл высоковольтного пробоя (поджига) лампы накачки завершен. 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 го 7 66252010.10.30 рение лампы накачки, а резистор, включенный последовательно с конденсатором , увеличивает выделяемую активную часть электрической мощности при разряде накопительной емкости . Часть выделенного тепла при работе лазера поглощается системой охлаждения и в конечном итоге рассеивается в окружающее пространство. При этом сохраняются предельные температурные режимы ТВИ, лампы накачки, активного элемента, не допуская их перегрева с нарушением функционирования и преждевременного выхода из строя. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8