СПОСОБ ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКИ ЛАЗЕРА
METHOD FOR OPTICAL INJECTION OF LASER

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.
min
min
0
max
max
Форма импульса тока накачки I(t) может быть задана в виде I(t)=I+kt, где t - текущее время; I - 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)=I+kT<I>где I -предельно допустимое значение тока; Т - длительность импульса накачки.
min
min
0
max
max
2
Форма импульса тока накачки I(t) может быть задана в виде I(t)=I+kt, где t - текущее время; I - 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)=I+kT<I; где I - предельно допустимое значение тока; Т - длительность импульса накачки.
min
1
max
1
min
max
Форму импульса тока накачки I(t) можно задать в виде I(t)=I при 0≤t≤Т, I(t)=I при Т≤t≤Т, где t - текущее время; I и I - 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.
min
min
min
max
max
αt
αT
Форму импульса тока накачки I(t) можно также задать в виде I(t)=I+k(e-1), где t - текущее время; I - 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)=I+k (e-1)≤I, где I - 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.
L
L
L
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 τ=LR, где R - 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.
2
max
Энергия токового импульса накачки E=CΔU/2 определяется емкостью накопительного конденсатора C и спадом напряжения на нем ΔU в течение разряда, определяемым параметрами схемы и предельно допустимым напряжением U [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.
min
min
min
max
max
а) Форму импульса тока накачки I(t) задают в виде I(t)=I+kt, где t - текущее время; I - 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)=I+kT<I; где I - предельно допустимое значение тока; T - длительность импульса накачки.
min
б) I(t)=I+kt, где k - коэффициент, устанавливаемый из тех же условий.
min
1
1
1
в) I(t)=I при 0≤t≤Т, I(t)=Imax при T≤t≤T, где 0≤T≤T момент времени, устанавливаемый экспериментально.
min
αt
г) I(t)=I+k(e-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.
1
На фиг.3 представлены результаты моделирования процесса накачки в режиме в). График 13 соответствует накачке постоянным током, график 14 - накачке ступенчато нарастающим током при T=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