Схемы поджига импульсных ламп

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2

Инициирование основного мощного разряда в лампах производится с помощью поджигающего импульса, сформированного источником высокого напряжения малой мощности. В принципе форма поджигающего импульса должна носить характер высокочастотных (100—200 кГц) быстро затухающих колебаний с амплитудой первой полуволны 12—20 кВ.

Поскольку поджигающий импульс может представлять собой значительную помеху при различных измерениях, а также оказывать влияние на

Рис.8

работу некоторых устройств с применением ОКГ, то поджигающий импульс должен кончиться до возникновения генерации в ОКГ. Длительность поджигающего импульса не должна превышать 100—150 мкс. По способу подачи высоковольтного импульса на лампу различают внешний и внутренний поджиг. При внешнем поджиге поджигающий импульс подается на внешний электрод, наложенный на колбу лампы или на корпус камеры (осветителя) ОКГ, изолированный от «земли». На Рис.8 изображена типовая схема внешнего поджига. Формирование импульса происходит при разряде конденсатора С на первичную обмотку импульсного трансформатора Тр через тиристор Д. В результате ударного воздействия на контур, состоящий из емкости осветителя, индуктивности рассеяния и паразитной межвитковои емкости импульсного трансформатора, возникают высокочастотные колебания.

Амплитуда первой полуволны поджигающего импульса определяется напряжением на конденсаторе С, сопротивлением обмоток и коэффициентом трансформации импульсного трансформатора Тр.

Данная схема с указанными параметрами применима для поджига одной или нескольких ламп типа ИФП-800, ИСП-2000, ИФП-5000. К достоинствам схем внешнего поджига следует отнести небольшие габариты и простоту исполнения в приборах ОКГ. Поскольку поджигающий импульс подается непосредственно на камеру с лампами, то лампы поджигаются практически одновременно. Особенность конструкции состоит в необходимости изоляции камеры с лампами относительно корпуса прибора и необходимости защитного кожуха на камере.

При внутреннем поджиге (Рис.9) инициирующий импульс подается в разрядный контур лампы с помощью импульсного поджигающего трансформатора, вторичная обмотка которого включена последовательно с лампой. Преимущества внутреннего поджига: простота конструкции, так как не требуется изолировать осветительную камеру от основания и наружного корпуса генератора; меньший уровень радиопомех благодаря экранирующему действию заземленного металлического корпуса осветительной камеры; более равно

Рис. 9

мерное заполнение плаз мой сечения канала разряда в лампе; более низкое напряжение зажигания ламп. Запуск выполнен аналогично схеме поджига на Рис.8. Для коммутации в таких схемах применяются силовые тиристоры с большим коммутируемым током типа Т25, Т50.

Модуляция добротности оптического резонатора

В 1962 г. Мак-Кланг и Хелуорт предложили простой и очень интересный способ генерации мощных (гигантских) импульсов света. В условиях свободной генерации твердотельный лазер испускает нерегулярную последовательность световых импульсов (длительностью 1-5 мкс), полная длительность которой составляет от 100 до 1000 мкс в зависимости от параметров лампы накачки. Короткие линейные лампы-вспышки обеспечивают быструю накачку, длинные спиральные лампы с питанием от батареи конденсаторов емкостью около 1000 мкФ — медленную накачку. В любом случае в режиме свободной генерации активная среда начинает излучать с небольшой задержкой после начала работы ламп накачки, и полная длительность генерации определяется, как правило, длительностью накачки. Это не позволяет получать световые импульсы большой мощности

В лазере Мак-Кланга и Хелуорта осуществлялось быстрое увеличение добротности оптического резонатора (в простейшем случае добротность резонатора прямо пропорциональна коэффициенту отражения зеркал) в тот момент, когда инверсия населенностей в активном веществе была максимальной. Принцип действия системы заключается в том, что начальная доброт ность лазерного ре

Рис.10

зонатора задается уменьшенной (Рис.10а) и остается такой в процессе мощной оптической накачки, когда достигается высокая степень инверсии (Рис.10б). Затем добротность резонатора резко увеличивается активным или пассивным способом. После увеличения добротности система находится в возбужденном состоянии, значительно превышающем пороговый уровень. Запасенная в активном веществе энергия излучается в течение нескольких десятков наносекунд в виде светового импульса (Рис.10в), мощность которого обычно составляет около мегаватта. В соответствии с классическими выражениями Эйнштейна вероятность вынужденного испускания прямо пропорциональна плотности излучения. Вследствие этого прирост мощности светового пучка достигает высоких значений всего лишь за несколько проходов пучка сквозь активное вещество, если оно находится в состоянии сильной инверсии. Обсудим теперь важнейшие способы модуляции добротности оптического резонатора лазера.

5.1. Электрооптические затворы. Этот способ модуляции добротности впервые применили Мак-Кланг и Хелуорт. Его принцип показан на Рис.9. Под каждой схемой показано изменение плоскости поляризации вектора электрического поля волны после прохождения соответствующего оптического элемента. Через , обозначено направление постоянного поля, приложенного к ячейке Керра, а через –направление поляризации, создаваемой призмой Глана.

Внутри лазерного резонатора помещена ячейка Керра. Чаще всего она заполняется нитробензолом, т. е. жидкостью, состоящей из частиц с высоким значением дипольного момента. Напряжение на электродах ячейки Керра выбирается таким, чтобы фазовый сдвиг между составляющими светового поля, направленными вдоль поля

и перпендикулярно ему, был равен p / 2 (Рис.11а,в) или p (Рис.11б).

Линейно-поляризованный световой луч из активного элемента после прохождения через ячейку Керра приобретает круговую поляризацию, а затем после отражения от зеркала и повторного прохождения через ячейку — линейную, причем векторы составляют друг с другом угол 90. Таким образом, отраженный пучок линейно поляризован в направлении, перпендикулярном на правлению поляризации

Рис.11

первичного луча. Это приводит к повышению порога возбуждения лазерной генерации. На Рис.9б и 9в показаны усовершенствованные системы того же типа. В них введена призма Глана, которая улучшает поляризацию излучения, выходящего из кристалла рубина. В системе, показанной на Рис.11б, ячейка Керра вносит фазовый сдвиг, равный p, что приводит к повороту плоскости поляризации пучка на 90°. Призму Глана в этом случае устанавливают так, что создаваемая ею поляризация перпендикулярна поляризации излучения, прошедшего через ячейку. Путь к зеркалу оказывается закрытым для излучения, и добротность резонатора становится низка. Если теперь быстро снять напряжение с ячейки Керра (на практике разряд ячейки происходит за несколько наносекунд), путь к зеркалу открывается и добротность резонатора резко возрастает. Этот момент выбирают так, чтобы он совпадал с максимумом накачки активного вещества. Лазерная генерация развивается в течение 10— 20 нс и достигает мощности в несколько мегаватт.

Вместо ячейки Керра часто применяют ячейку Поккельса Рис.12. В ней используется эффект изменения оптической анизотропии под действием Рис.12

электрического поля в некоторых кристаллах. Чаще всего в ячейке Поккельса используется кристалл KDP (КН₂РО₄) с тетрагональной структурой. Если световая волна распространяется в направлении оптической оси (как показано в левом нижнем углу Рис.12 т. е. в направлении электрического поля, создаваемого в ячейке электродами в виде поясков, то при правильно выбранной напряженности поля можно получить фазовый сдвиг между составляющими поля световой волны вдоль осей a₁ и a₂, равный p/2.

В нижней части рисунка показаны расположение электродов на кристалле и изменения поляризации излучения. Таким образом, ячейка Поккельса действует подобно ячейке Керра с той разницей, что создаваемое двулучепреломление является линейной функцией электрического поля. Для получения возможно более однородного постоянного электрического поля в кристалле размеры и должны удовлетворять соотношениям:

Достаточно типичными являются следующие размеры кристалла KDP: =13 мм, =50 мм, =8 мм. В этом случае для создания фазового сдвига, равного p/2, необходимо напряжение около 5,4 кВ.

5.2. Оптико-механический затвор. Модуляция добротности резонатора с помощью вращающейся призмы (Рис.13) чаще всего используется на практике благодаря хорошей повторяемости и возможности полного управления последовательными им-пульсами лазера. Вращающаяся призма вместе с выходным зеркалом об

Рис.13

разуют оптический резонатор только в тот момент, когда основание призмы параллельно зеркалу.

Призма вращается со скоростью 24 – 30 тыс. об/мин. Поджиг импульсной лампы накачки лазера производится с опережением (обычно несколько сотен микросекунд) относительно момента достижения максимальной добротности резонатора. Это опережение легко регулируется с помощью вспомогательного источника света, который объединен с детектором светового сигнала, отраженного от призмы. Электрический импульс с детектора (обычно, фотодиод) включает систему поджига, инициирующую сильноточный разряд в лампе.

Вспомогательный источник света и фотодиодный детектор служат для включения импульсной лампы в нужный момент. Опережение зажигания лампы можно регулировать в пределах 360°. В некоторых случаях для запуска лазера удобно использовать электромагнитный датчик, установленный на вращающейся призме

5.3. Пассивная модуляция добротности . Весьма распространен и очень прост пассивный способ модуляции Q резонатора, основанный на изменении пропускания некоторых веществ под действием мощного светового излучения. Принцип его показан на Рис.14. Пассивный затвор (например, раствор красителя) помещён внутрь лазерного резонатора. Поглощение затвора заметно уменьшается при увеличении интенсивности излучения. Этот эффект часто называют просветлением (bleaching effect). Первоначальная добротность резонатора невелика,

Рис.14

поскольку кювета заполнена раствором красителя, максимум поглощения которого приходится на рабочую частоту лазера.

Когда активное вещество лазера достигнет высокого уровня возбуждения, лазерная генерация начинается даже в условиях сниженной добротности резонатора. Интенсивное лазерное излучение просветляет затвор, что приводит к резкому повышению добротности резонатора. Если вначале коэффициент пропускания кюветы составляет 0,25, а после просветления красителя возрастает до 1, то эффективный коэффициент отражения от зеркала с нулевым пропусканием возрастает от 0,14 до 1 (в предположении, что коэффициент отражения зеркала равен единице). После просветления красителя лазер излучает одиночный импульс длительностью 30— 45 нс и мощностью порядка 10⁹ Вт.

В качестве пассивных модуляторов могут использоваться также и твердотельные поглотители, например, некоторые окрашенные стек

ла, используемые в качестве полосовых фильтров.

Газоразрядные лазеры

В настоящее время создано большое число газоразрядных лазеров, которые можно условно классифицировать по способу возбуждения активной среды, по виду активного вещества, по режиму работы и т.п. Наиболее распространена классификация по типу перехода, на котором имеет место лазерная генерация. В соответствии с ней выделяют лазеры на нейтральных атомах (например, He-Ne лазер). Вторую группу составляют ионные лазеры (например, аргоновый лазер). Обширную группу составляют молекулярные лазеры (CO, CO₂ и др.), являющиеся наиболее мощными газовыми лазерами с высоким КПД. В особую группу выделяют лазеры на парах металлов (атомы и ионы), а также эксимерные лазеры, работающие на переходах между электронными уровнями эксимерных молекул (молекул, существующих только в электронно-возбуждённых состояниях). Кроме того следует упомянуть о газодинамических, электроионизационных и химических лазерах.

В газоразрядных лазерах активная среда помещается в область сильного электрического поля, в котором инициируется разряд. С получением инверсии в разряде вы познакомитесь при изучении гелий-неонового лазе-

ра, в настоящей работе Рис.15

кратко рассмотрим устройство излучателя и принцип работы блока накачки.

Схема излучателя представлена на Рис.15. Геометрия и размеры газоразрядной трубки 1, заполненной активной средой меняется в зависимости от типа лазера, вида газовой смеси и спектрального диапазона, в котором излучает лазер. Длина может варьироваться от нескольких сантиметров до нескольких метров, диаметр – от единиц миллиметров (He-Ne) до нескольких сантиметров (Ar, CO₂). Зеркала 4 и 5 могут монтироваться в отдельных узлах или укрепляться на торцах разрядной камеры В мощных лазерах (свыше 100 Вт) разрядная трубка оборудована контуром охлаждения, а зеркала изготавливаются из металла с отверстием для вывода излучения.

Блоки питания газоразрядных лазеров также разнообразны по исполнению, но обладают и общими типовыми решениями. Это, по сути, более или менее мощные выпрямители, обеспечивающие напряжение на электродах разрядной трубки от единиц до десятков киловольт и токи в разряде от нескольких миллиампер (He-Ne) до нескольких ампер (молекулярные и эксимерные лазеры).

Практическая часть

Порядок выполнения работы: На рабочем столе имеется несколько типов излучателей, используемых в различных квантовых генераторах, таких как: 1) газовый He-Ne-ый лазер ЛГ-126; 2) газовый СО₂лазер ЛГ-74; 3) жидкостный лазер на органических красителях ЛЖИ-401; 4) твердотельный лазер на стекле с неодимом; 5) твердотельный неодимовый лазер на алюмоиттриевом гранате с электрооптическим затвором; 6) твердотельный рубиновый лазер с оптико-механическим затвором. Работа заключается в том, что вы должны, ознакомиться с конструкцией 3 – 4 излучателей, составить перечень основных частей, описать тип осветителя (эллиптический, цилиндрический и т.д., одно- или двухламповый) и начертить его в разрезе, описать тип используемой в лазере накачки и модуляции добротности, если таковая имеет место. В заключении составьте и начертите функциональную схему работы лазера, то есть условно обозначьте отдельные узлы излучателя и изобразите связи между ними.

Упражнение 1.Твердотельные лазеры. Ознакомьтесь с устройством излучателя твердотельного лазера на стекле с неодимом (большой цилиндрический корпус с шестью лампами) и опишите составные части. Зарисуйте конфигурацию осветителя, опишите способ накачки и составьте функциональную схему работы твердотельного ОКГ. По окончании работы излучатель соберите.

Упражнение 2. Жидкостный лазер. Снимите кожух с излучателя ОКГ на красителе (корпус прямоугольного сечения с наибольшими размерами) и ознакомьтесь с его конструкцией. Составьте список составных частей и функциональную схему жидкостного лазера. Опишите способ накачки.

Упражнение 3. Газовые лазеры. Снимите кожух с ОКГ типа ЛГ-74 или ЛГ-126 ознакомьтесь с конструкцией излучателя. Составьте функциональную схему работы лазера и опишите способ накачки используемый в нём.

Упражнение 4. Лазеры с модуляцией добротности. Ознакомьтесь визуально с излучателем рубинового лазера (небольшой круглый корпус с призмой на одном конце), опишите тип осветителя, составьте схему работы и опишите принцип модуляции добротности, используемый в этом лазере.

Ознакомьтесь с устройством и принципом работы неодимового лазера с электрооптической модуляцией добротности

В заключении составьте таблицу, отражающую основные свойства изученных вами излучателей: тип излучателя; способ накачки; тип осветителя; способ модуляции.

В отчёте лабораторной работы должны быть представлены: рисунки отражателей, соответствующие описания, схемы поджига, временные диаграммы работы лазера с модуляцией добротности.

Упражнение 5. Изучение работы блока поджига. Подсоедините к выходу БП импульсную лампу типа ИФП 1200, подключите блок к сети и выполните следующие задания: а) Запустите несколько раз кнопкой блок поджига и пронаблюдайте форму разряда; б) проделайте это же с лампой ИФП 5000; в) отсоедините БП от сети, снимите с конденсатора напряжение нажатием блокирующей кнопки; г) снимите один провод с электрода лампы и укрепите его на колбе лампы, а затем включите БП и получите разряд; д) выключите блок, опишите свои наблюдения и сделайте выводы.

Упражнение 6. Изучение блоков питания лазеров. Ознакомьтесь с устройством трёхфазного блока питания, входящего в комплект лабораторной работы работы и сравните его схему с приведённой выше в разделе 5 схемой безконденсаторного блока питания. Каких частей схемы не хватает в этом устройстве. Подготовьте самостоятельно классификацию блоков питания различных лазеров, представленных в настоящей лабораторной работе и приложите её к отчёту. В классификации должны быть ответы на вопросы: тип лазера, импульсный или непрерывный.

Упражнение 7.Эрбиевый лазер. Включите в сеть блок питания эрбиевого лазера, ознакомьтесь с режимами его работы, выбирая уровни накачки (1 – 6) и используя термобумагу в качестве мишени.

Контрольные вопросы

1. Поясните способ накачки импульсного лазера.

2. Опишите работу газоразрядного лазера.

3. Что собой представляет осветитель импульсного лазера. Наиболее оптимальные типы отражателей (представить рисунки).

4. Как работают схемы поджига импульсных лазеров.

5. Поясните временные диаграммы работы лазера в режиме свободной генерации.

6. Поясните временные диаграммы работы лазера в режиме модуляции добротности.

7. Как работает электрооптический затвор импульсного лазера.

8. Поясните принцип работы оптико-механического модулятора добротности.

9. Принцип пассивной модуляции.

10. Технология изготовления лазерных зеркал.

11. Условия устойчивости резонаторов.

12. Недостатки и преимущества безконденсаторных блоков накачки импульсных лазеров.

Ответы на контрольные вопросы включите в отчёт.

Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 361; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 12

Мы поможем в написании ваших работ!