Высоковольтный модулятор

Устройство относится к приборам квантовой электроники, а именно - к источникам накачки импульсных лазеров на переходах атомов металлов. Модулятор формирует импульсы запуска для двух газоразрядных коммутаторов, используемых в источниках накачки данного типа лазеров. Применение такого устройства целесообразно для согласования импульсно-периодических режимов работы двух лазерных активных элементов в системах «Задающий генератор - Усилитель мощности» (МОРА-системы), а также в активных оптических системах с независимым источником подсветки (бистатические лазерные мониторы).
Известен лазер на парах химических элементов [Патент РФ. 99126326/28, МПК H01S 3/097 от 15.12.1999. Юдин Н.А.], содержащий источник накачки с емкостным накопителем энергии и тиратроном, используемым в качестве высоковольтного коммутатора. Накачка лазера осуществляется разрядом накопительного конденсатора на активный объем газоразрядной трубки при переключении тиратрона. Переключение последнего вызывается специальным генератором запускающих импульсов. Высоковольтный выпрямитель используется для формирования анодного напряжения тиратрона требуемой величины. Используемая схема позволяет согласовывать параметры источника питания с нагрузкой, влияя тем самым на энергетические характеристики лазерного излучения. Известно, что такие источники обеспечивают длительность фронта импульса возбуждения в диапазоне (15÷100) нс. К недостаткам такого устройства следует отнести отсутствие возможности накачки двух независимых лазерных активных элементов, что исключает реализацию МОРА-системы и бистатического лазерного монитора.
Существует генератор высоковольтных импульсов наносекундной длительности [Патент РФ. 2003117314/09, МПК Н03K 3/53, Н05Н 5/04 от 09.06.2003. Юдаев Ю.А.], который может быть использован в источниках накачки лазеров на самоограниченных переходах. Устройство содержит модулятор с полным разрядом накопителя энергии и обостряющую газоразрядную трубку. Модулятор представляет собой источник высоковольтного напряжения, накопитель энергии, высоковольтный коммутатор и предназначенный для его запуска подмодулятор. В качестве коммутатора используется тиратрон. Подключение к модулятору обостряющей трубки с подобранным волновым сопротивлением обеспечивает обострение переднего фронта импульса накачки до 5 нс. Недостатком устройства также является отсутствие возможности одновременного формирования импульсов накачки для двух лазеров на самоограниченных переходах с регулировкой временного сдвига между ними.
Известна работа [Lima S.М., Behrouzinia S., Salem М.K., Elahei М., Khorasani K., Dorranian D. // Optical and Quantum Electronics. 2017. V. 49(11). DOI: 10.1007/s11082-017-1203-4], в которой используется устройство, формирующее импульсы накачки для двух лазерных активных элементов на парах бромида меди. Каждый из активных элементов обладает собственным источником накачки, модулятором и блоком запуска. Для синхронного управления источниками накачки используется внешний генератор импульсов, к одному из выходных каналов которого подключается линия временной задержки - такая конфигурация не позволяет компенсировать джиггер временной задержки. Согласно приведенным в работе усилительным характеристикам, временной сдвиг между импульсами одного и второго активного элемента составил 2,5 нс.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленной полезной модели является работа [Лябин Н.А. Создание современных промышленных лазеров и лазерных систем на парах меди для прецизионной микрообработки материалов: Автореферат дис. д-ра техн. наук. МГТУ им. Н.Э. Баумана. М., 2014. 36 с]. В работе представлена лазерная система (ЗГ - ПФК - УМ), также содержащая два активных элемента. Согласно приведенной в работе блок-схеме, устройство содержит генератор, формирующий задающие импульсы, которые поступают на вход наносекундной линии задержки. Линия задержки имеет два выходных канала, каждый из которых подключается на вход одного из высоковольтных модуляторов наносекундных импульсов накачки. Синхронизация во времени импульсов излучения от задающего генератора (ЗГ) и усилителя мощности (УМ) обеспечивается "с точностью не хуже ±2 нс". Недостатком является отсутствие возможности согласования импульсов излучения активных лазерных элементов с более высокой точностью.
Задачей полезной модели является согласование импульсно-периодических режимов работы двух лазерных активных элементов на самоограниченных переходах атомов металлов с точностью позиционирования 1 нс.
Технический результат заключается в одновременном формировании импульсов запуска для двух газоразрядных коммутаторов источников накачки лазерных активных элементов с указанной точностью.
Технический результат достигается за счет плавного изменения индуктивности в линиях задержки устройства посредством ручного управления. Каждая из линий задержки представляет собой последовательное соединение конденсаторов эквивалентной емкостью 0,045 мкФ и дросселей с переменной индуктивностью. Для регулировки индуктивности устройство содержит две ручки, вращение которых приводит к поступательному движению ферритовых сердечников в плоскости сечения между витками дросселей. Изменение индуктивности позволяет варьировать скорость нарастания тока в линиях задержки, за счет чего импульсы напряжения на выходных каналах №1 и №2 достигают своих максимальных значений с определенным временным сдвигом относительно друг друга.
Устройство состоит из следующих элементов (структурная схема устройства фиг. 1): 1 - задающий генератор; 2 - блок управления; 3 - формирователь импульсного высокого напряжения; 4 - электронный регулятор напряжения; 5 - зарядный контур; 6 -коммутатор; 7,8 - линии задержки №1 и №2; 9, 10 - выходные каналы №1 и №2.
Устройство, питающееся от сети переменного тока (220 В, 50 Гц), работает следующим образом: задающий генератор (1) инициирует работу цифрового блока управления (2), предназначенного для формирования необходимых импульсов управления. Импульсы поступают на вход формирователя импульсного высокого напряжения (3), снабженного электронным регулятором напряжения (4). Формирование импульса напряжения инициирует заряд накопительных конденсаторов в зарядном контуре (5). Конденсаторы подключены к высоковольтному газоразрядному коммутатору (6), который переключается с приходом на его управляющий электрод запускающего импульса от блока управления (2). Переключение коммутатора (6) инициирует разряд накопительных конденсаторов, в результате чего импульсы напряжения поступают на линии задержки №1 и №2 (7, 8), используемые для изменения скорости нарастания тока в выходных каналах №1 и №2 соответственно (9, 10). К выходным каналам (9, 10) подключаются газоразрядные коммутаторы источников накачки лазерных активных элементов МОРА-системы или бистатического лазерного монитора.
В качестве задающего генератора (1) используется аналоговый генератор импульсов Г5-63. Блок управления (2) выполнен на базе микроконтроллера Atmega8 семейства AVR.
Формирователь импульсов высокого напряжения (3) выполнен на базе полумостового инвертора с двумя IGBT-транзисторами (IRG4PH50UD) и восемью конденсаторами (K76-2-0.15 мкФ). К инвертору подключен повышающий трансформатор с коэффициентом трансформации 10, выполненный на двух ферритовых кольцах К125×80×12 марки 2000НМ. Импульсное высокое напряжение выпрямляется с помощью моста на двадцати диодах HER-308.
Электронный регулятор напряжения (4) представляет собой схему широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Зарядный контур содержит два конденсатора КВИ-3-2200 пФ, заряд каждого из которых осуществляется через первичные обмотки импульсных трансформаторов с коэффициентов трансформации 1.
В качестве высоковольтного коммутатора (6) используется тиратрон ТГИ1-100-8. К моменту коммутации тиратрона ТГИ1-100-8 накопительные емкости источников накачки лазерных активных элементов уже должны быть заряжены до своих максимальных значений - для обеспечения этого условия блок управления (2) формирует цифровые импульсы синхронизации (синхроимпульсы), инициирующие заряд конденсаторов в источниках накачки.
Блоки (2-10) заключены в один корпус с габаритными параметрам 440x560x190. Задающий генератор (1) представляет собой отдельное внешнее устройство.
Для обеспечения помехоустойчивости и электробезопасности между блоком управления (2) и высоковольтным коммутатором (6) используется оптическая развязка с помощью оптоволоконных линий, а также оптических приемников (HFBR-2522) и передатчиков (HFBR-1522). Синхроимпульсы также передаются по оптоволоконным линиям.
Номинальное рабочее напряжение устройства составляет (180÷200) В, потребляемый ток (0,4÷0,5) А. При ЧСИ 14 кГц, определенной как оптимальная, максимальная вкладываемая мощность составляет 100 Вт; анодное напряжение - 1,5 кВ; время заряда накопительных конденсаторов - 12 мкс. Предельно-допустимая ЧСИ - 20 кГц; максимальная вкладываемая мощность при этом снижается до 80 Вт; анодное напряжение - 1,2 кВ.
Временной сдвиг между формируемыми импульсами выходных каналов №1 и №2 варьируется в диапазоне (-55; +55) нс. Джиттер между импульсами излучения активных элементов составил не более 7 нс.