ДВУХТАКТНЫЙ АВТОГЕНЕРАТОР БЛОКА ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ НАКАЧКИ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА
TWO-STROKE AUTOGENERATOR OF A HIGH-FREQUENCY PUMP UNIT OF A GAS LASER

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к системам высокочастотной накачки газовых лазеров с поперечным емкостным разрядом, в частности к двухтактному автогенератору для блока высокочастотной накачки активной среды газовых лазеров щелевого типа.
Традиционно накачка активной среды газовых лазеров щелевого типа осуществляется по схеме: - маломощный задающий генератор, - мощный транзисторный усилитель двухтактного типа с симметричным выходом, - согласующее устройство для согласования симметричного выхода двухтактного усилителя с несимметричным выходом на высокочастотный кабель, - высокочастотный кабель, как правило, с волновым сопротивлением 50 Ом и с определенной электрической длиной, - согласующее устройство для согласования волнового сопротивления кабеля с нагрузкой, - нагрузка в виде несимметричной электродной системы с активным сопротивлением плазмы высокочастотного разряда между электродами. Выходное сопротивление транзистора обычно порядка единицы Ом. Сопротивление плазмы высокочастотного разряда щелевых лазеров - порядка 10…30 Ом. Поэтому в вышеприведенной схеме согласующие устройства сначала повышают сопротивление с единиц Ом до 50 Ом, чтобы передавать высокочастотную мощность накачки по кабелю, а затем понижают сопротивление с 50 Ом до сопротивления плазмы высокочастотного разряда, т.е. до 10…30 Ом.
2
В другом подходе, известном из уровня техники (см. US 4837772 A, кл. H 01 S3/097, опубл. 6.06.1989), используется автоколебательный метод, в котором согласование осуществляется непосредственно между транзисторами выходного каскада высокочастотного (ВЧ) генератора и электродной системой лазера с плазмой ВЧ разряда. При этом в соединительных кабелях здесь нет необходимости, а электродная система функционально является частью автогенератора. Тем не менее, в данном подходе используются однотактные автогенераторы, типичные значения мощности которых составляют от 125 Вт до 300 Вт. Таким образом, хоть данных подход нашел широкое применение в волноводных СО лазерах, где не требуется больших мощностей накачки, в щелевых лазерах с большим объемом активной среды требуются автогенераторы большей мощности, в частности, от 500 Вт до 2000 Вт, которую могут обеспечить более мощные двухтактные автогенераторы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является двухтактный автогенератор (см. US 7480323 B2, кл. H 01 S3/22, опубл. 20.01.2009) блока высокочастотной накачки газового лазера, содержащий первое плечо и второе плечо, каждое из которых содержит высокочастотный транзисторный модуль, цепь согласования, вход питания, выполненный с возможностью соединения с источником питания и выход питания, выполненный с возможностью соединения с одним из электродов симметричной электродной системы излучателя лазера, причем первое плечо подключено к первой цепи обратной связи, а второе плечо подключено ко второй цепи обратной связи, при этом истоки транзисторных модулей первого и второго плеч электрически соединены друг с другом, а сток каждого из них соединен с входом питания и соединен через цепь согласования с одним из выходов питания; цепь смещения, выполненную с возможностью соединения затворов транзисторных модулей первого и второго плеч с источником напряжения смещения; и внешний подстроечный элемент, подключенный в силовой части цепи ВЧ накачки к токовводам излучателя и выполненный с возможностью настройки режима работы первого и второго плеч. В частности, для настройки режимов работы обоих плеч двухтактного автогенератора предлагается использовать внешнюю катушку индуктивности, путем сжатия или растяжения витков этой катушки.
Недостатком известного автогенератора является сложность обеспечения точной настройки плеч за счет сжимания и разжимания витков, поскольку в силовой части цепи, как правило, требуется использовать катушку индуктивности с проводами достаточно большого сечения, обеспечивающими большую реактивную мощность. Кроме этого, сжатая катушка индуктивности через некоторое время после настройки может на некоторую величину самопроизвольно разжаться за счет релаксации внутренних напряжений, образовавшихся при сжатии, и наоборот. Это снижает точность настройки работы плеч автогенератора и негативно сказывается на надежности работы автогенератора в целом.
Технической проблемой является устранение вышеуказанных недостатков и создание автогенератора с подстроечным элементом, позволяющим производить более точную настройку работы автогенератора. Технический результат заключается в повышении точности и стабильности настройки работы автогенератора и, как следствие, повышении эффективности и надежности работы автогенератора.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в предложенном двухтактном автогенераторе блока высокочастотной накачки газового лазера, содержащем первое плечо и второе плечо, каждое из которых содержит высокочастотный транзисторный модуль, цепь согласования, вход питания, выполненный с возможностью соединения с источником питания и выход питания, выполненный с возможностью соединения с одним из электродов симметричной электродной системы излучателя лазера, причем первое плечо подключено к первой цепи обратной связи, а второе плечо подключено ко второй цепи обратной связи, при этом истоки транзисторных модулей первого и второго плеч электрически соединены друг с другом, а сток каждого из них соединен с входом питания и соединен через цепь согласования с одним из выходов питания; цепь смещения, выполненную с возможностью соединения затворов транзисторных модулей первого и второго плеч с источником напряжения смещения; и подстроечный элемент, выполненный с возможностью настройки режима работы первого и второго плеч, подстроечный элемент с одной стороны подключен через первую цепь обратной связи к первому плечу, а с другой - через вторую цепь обратной связи ко второму плечу.
Подстроечный элемент предпочтительно представляет собой конденсатор переменной емкости.
Подстроечный элемент соединен с выходами делителей напряжения первой и второй цепей обратной связи.
Делители напряжения предпочтительно представляют собой емкостные делители напряжения.
Транзисторные модули могут быть выполнены в едином корпусе в виде сдвоенного МОП транзистора пушпульного типа.
Первая цепь обратной связи соединяет затвор транзисторного модуля первого плеча с выходом питания первого плеча, а вторая цепь обратной связи соединяет затвор транзисторного модуля второго плеча с выходом питания второго плеча. В качестве альтернативы, первая цепь обратной связи соединяет затвор транзисторного модуля первого плеча с выходом питания второго плеча, а вторая цепь обратной связи соединяет затвор транзисторного модуля второго плеча с выходом питания первого плеча.
Предпочтительно в каждом плече автогенератора между стоком транзисторного модуля и входом питания расположен фильтр питания.
На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого двухтактного автогенератора блока высокочастотной накачки газового лазера.
На фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого двухтактного автогенератора блока высокочастотной накачки газового лазера.
На фиг. 3 представлена принципиальная электрическая схема цепи смещения для предлагаемого двухтактного автогенератора.
На фиг. 4 представлена структурная схема предлагаемого двухтактного автогенератора блока высокочастотной накачки газового лазера согласно другому варианту осуществления.
Двухтактный автогенератор 1 (фиг. 1, 2, 4) блока высокочастотной накачки газового лазера содержит два симметричных плеча - первое плечо 2 и второе плечо 3, каждое из которых содержит высокочастотный транзисторный модуль 4, фильтр 5 питания, цепь 6 согласования, вход 7 питания и выход 8 питания. Предпочтительно транзисторные модули 4 выполнены в едином корпусе в виде сдвоенного транзистора, что позволяет снизить потери при передаче мощности.
Входы 7 питания выполнены с возможностью соединения с источником 9 питания, в частности, источником напряжения постоянного тока. Выходы 8 питания (переменного напряжения высокой частоты) выполнены с возможностью соединения через токовводы 10 с электродами 11 в симметричной электродной системе излучателя 12 лазера.
Двухтактный автогенератор 1 также содержит первую цепь 13 обратной связи, подключенную к первому плечу 2, вторую цепь 14 обратной связи, подключенную ко второму плечу 3, подстроечный элемент 15, и цепь 16 смещения, выполненную с возможностью подключении к источнику 17 напряжения смещения.
Источник 9 питания, излучатель 12 лазера и источник 17 напряжения смещения физически не являются частями автогенератора 1, однако при работе они образуют функциональное единство с автогенератором 1, поэтому показаны на фигурах в качестве частей схемы для большей ясности и полноты описания.
Подстроечный элемент 15 подключен между первой цепью 13 обратной связи и второй цепью 14 обратной связи и является общим элементом указанных цепей 13, 14 обратной связи. Таким образом, подстроечный элемент 15 с одной стороны подключен через первую цепь 13 обратной связи к первому плечу 2, а с другой стороны - через вторую цепь 14 обратной связи ко второму плечу 3. Подстроечный элемент 15 выполнен с возможностью настройки режима работы первого 2 и второго 3 плеч.
Далее рассмотрим более детально вариант реализации настоящего изобретения. Назначение и функционирование отдельных компонентов и структурных частей автогенератора, источника 9 питания, излучателя 12 лазера и источника 17 напряжения смещения широко известны из уровня техники для специалиста, и поэтому не будут подробно рассмотрены в рамках настоящего описания. Примерная электрическая схема предлагаемого автогенератора 1 представлена на фиг. 2, где показаны более подробно конкретные электронные компоненты, на основе которых в предпочтительном варианте осуществления могут быть реализованы обобщенные структурные части, представленные на фиг. 1.
В предлагаемом автогенераторе 1 блока высокочастотной (ВЧ) накачки газового лазера используется симметричная схема возбуждения плазмы разряда, т.е. автогенератор 1 имеет два выхода 8 ВЧ мощности, которые через токовводы 10 излучателя 12 лазера соединены каждый со своим электродом 11. Пушпульная схема автогенератора 1 формирует на своих выходах 8 высокочастотные напряжения разноименной полярности, каждое из которых прикладывается к своему электроду 11. При этом высокочастотное напряжение между электродами 11 становится вдвое большим, чем напряжение между каждым электродом 11 и корпусом излучателя 12 лазера.
Кроме того, поскольку предлагаемая схема ВЧ накачки выполнена на основе принципа автогенерации, то это означает функциональное единство автогенератора 1 с нагрузкой - плазмой разряда в излучателе 12 лазера, что, в свою очередь, обеспечивает хорошее согласование автогенератора 1 с разрядом и приводит к минимальным потерям высокочастотной мощности накачки. В предлагаемой схеме нет необходимости в высокочастотном кабеле и дополнительной цепи согласования с его волновым сопротивлением (в частности, 50 Ом). Не требуется из симметричного выхода транзистора делать несимметричный выход на кабель. Достаточно лишь согласовать выходное сопротивление транзистора с плазмой высокочастотного разряда в симметричной электродной системе излучателя лазера. Отсутствие схем симметрирования, кабельных систем согласования с нагрузкой существенно упрощает конструкцию ВЧ блока накачки и обеспечивает минимум потерь в тракте передачи мощности к разряду.
Основой предлагаемого автогенератора 1 является сдвоенный высокочастотный транзистор 18 «пушпульного» (от англ. push-pull) типа (например, МОП-транзистор (англ. MOFSET)) с двумя транзисторными модулями 4, образующими первое 2 и второе 3 плечи.
Истоки 19 транзисторных модулей 4 первого 2 и второго 3 плеч электрически соединены друг с другом, в частности, как показано, через общее заземление на корпус автогенератора (не показан), а сток 20 каждого из них соединен с одним из входов 7 питания и через цепь 6 согласования соединен с одним из выходов 8 питания. Затворы 21 транзисторных модулей 4 подключены через цепь 16 смещения к источнику 17 напряжения смещения.
Между стоком 20 каждого транзисторного модуля 4 и входом 7 питания может быть подключен фильтр 5 питания. Фильтры 5 питания пропускают к стокам 20 транзисторных модулей 4 коммутируемое напряжение постоянного тока от источника 9 питания, а в обратном направлении блокируют напряжение переменного тока высокой частоты, генерируемое транзисторными модулями 4. Каждый фильтр 5 питания содержит конденсатор 22, одна пластина которого соединена с землей, и катушку 23 индуктивности.
Стоки 20 транзисторных модулей подключены к цепям 6 согласования, каждая из которых содержит конденсатор 24, конденсатор 25, одна пластина которого соединена с землей, и катушку 26 индуктивности.
Напряжение питания к автогенератору 1 подводится через входы 7 питания от источника 9 напряжения постоянного тока.
К затворам 21 транзисторных модулей подключены цепи 13, 14 обратной связи, каждая из которых содержит конденсатор 27, конденсатор 28, одна пластина которого заземлена, и микрополосковую линию 29. В показанном варианте осуществления обратная связь двухтактного автогенератора 1 построена по схеме емкостной трехточки Колпитца и осуществляется с помощью двух емкостных делителей, образованных конденсаторами 27 и 28. Тем не менее, понятно, что может использоваться меньшее или большее количество конденсаторов.
Как показано на фиг. 1 и 2, в предпочтительном варианте осуществления первая цепь 13 обратной связи соединяет затвор 21 транзисторного модуля 4 первого плеча 2 с выходом 8 питания первого плеча 2, а вторая цепь 14 обратной связи соединяет затвор 21 транзисторного модуля 4 второго плеча 3 с выходом питания второго плеча 3. Данный вариант осуществления предпочтителен ввиду меньшей сложности топологии печатной платы.
В другом варианте осуществления, представленном на фиг. 4, первая цепь 13 обратной связи соединяет затвор 21 транзисторного модуля 4 первого плеча 2 с выходом 8 питания второго плеча 3, а вторая цепь 14 обратной связи соединяет затвор 21 транзисторного модуля 4 второго плеча 3 с выходом 8 питания первого плеча 2. В данном варианте при изготовлении печатной платы нужно обеспечить перекрещивание цепей обратной связи без нарушения симметрии.
Как упоминалось выше, между первой и второй цепями 13, 14 обратной связи подключен общий подстроечный элемент 15. Предпочтительно подстроечный элемент 15 подключен к узлу 30 каждой цепи обратной связи между конденсатором 27 и микрополосковой линией 29, таким образом, подстроечный конденсатор 15 соединен с выходами делителей напряжения (образованных конденсаторами 27, 28) первой 13 и второй 14 цепей обратной связи.
Поскольку напряжение на выходах делителей напряжения примерно в десять раз меньше напряжения на токовводах 10 излучателя 12 лазера, подстроечный элемент 15 может иметь небольшую допустимую реактивную мощность. Таким образом, обеспечивается более точная настройка и меньшая инерционность подстроечного элемента 15.
В показанном варианте осуществления подстроечный элемент 15 представляет собой подстроечный конденсатор 15 с регулируемой емкостью. В такой схеме подстроечный конденсатор 15 является общим для цепей 13, 14 обратной связи и будет выполнять функции общего компонента делителей напряжения первой 13 и второй 14 цепей обратной связи. Поэтому для сохранения коэффициента деления делителей, при подключении подстроечного конденсатора 15, потребуется уменьшить емкости конденсаторов 28 на величину 2*С0, где С0 - емкость подстроечного конденсатора 15.
Использование подстроечного конденсатора 15 регулируемой емкости в качестве подстроечного элемента может обеспечить более высокую точность и стабильность настройки обоих плеч двухтактного автогенератора, в отличие, например, от подстроечных элементов на основе катушек индуктивности или резисторов, что, в свою очередь, обеспечивает повышение эффективности и надежности работы автогенератора. Кроме того, подключение подстроечного конденсатора 15 между цепями обратной связи позволяет использовать небольшой маломощный конденсатор. Так, в частности, для автогенератора мощностью 1800 Вт можно использовать конденсатор размером всего 8,5×8,5×5 мм с рабочим напряжением 250 В и пределами регулирования 4…20 пФ.
Напряжение смещения на затворах 21 транзисторных модулей 4 обеспечивает цепь 16 смещения (фиг. 3), содержащая резисторы 31, 32, конденсатор 33, одна пластина которого заземлена, подстроечный резистор 34, два контакта которого заземлены, и диод 35, один контакт которого заземлен. Это напряжение передается к затворам 21 через блокировочные резисторы 36. Соединение цепи смещения со схемой автогенератора показано на фиг. 2 и фиг. 3 стрелкой B.
При работе автогенератора важным является его функциональное единство с симметричной нагрузкой излучателя 12 лазера, содержащего два электрода 11 с токовводами 10, межэлектродную емкость 37, емкости 38 между электродами 11 и корпусом излучателя 12, индуктивность 39 катушек коррекции напряжения на электродах, сопротивление 40 плазмы высокочастотного разряда. Емкости 37, 38 и индуктивность 39 образуют параллельный резонансный контур на рабочей частоте автогенератора, например, на частоте 81,37 МГц. С учетом того, что емкости 38 одинаковы по величине, этот резонансный контур является симметричным относительно корпуса излучателя лазера и автогенератора.
Для работы автогенератора к входу 41 цепи 16 смещения подводится напряжение постоянного тока от источника 17 напряжения смещения, а к вводам 7 питания подводится коммутируемое напряжение постоянного тока от источника 9 питания. Для возбуждения двухтактного автогенератора 1 контур цепей обратной связи должен обеспечивать фазовый сдвиг от 180° до 196°, в зависимости от режима работы. Это обеспечивается соответствующим выбором параметров цепей согласования (в частности, номиналов конденсаторов 24, 25 и катушек 26 индуктивности) и параметров микрополосковых линий 29.
Цепи 13, 14 обратной связи вместе с цепями 6 согласования и резонансным контуром симметричной нагрузки излучателя 12 лазера создают фазовый сдвиг, необходимый для образования положительной обратной связи между стоками 20 и затворами 21 транзисторных модулей 4. Поскольку в параллельном резонансном контуре симметричной нагрузки напряжения на электродах 11 относительно корпуса излучателя 12 всегда противофазны, то и напряжения в цепях 13, 14 обратной связи также противофазны. Такая обратная связь позволяет работать автогенератору в «пушпульном» режиме, когда транзисторные модули 4 действуют попеременно.
Подстроечный элемент 15 между цепями 13, 14 обратной связи позволяет регулировать фазовый сдвиг положительной обратной связи для настройки и оптимизации режима работы транзисторных модулей 4. Как упоминалось выше, подключение подстроечного элемента 15 между цепями 13, 14 обратной связи позволяет использовать подстроечный элемент меньших размеров, с меньшим номиналом, небольшой допустимой реактивной мощностью и меньшей инерционностью, что обеспечивает более точную и стабильную настройку плеч 2, 3 автогенератора, что, в свою очередь, в целом повышает эффективность и надежность работы автогенератора блока высокочастотной накачки газового лазера.