PL212842B1 - Zasilacz jonowego lasera gazowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zasilacz jonowego lasera gazowego, zwłaszcza argonowego i kryptonowego.

Rury wyładowcze laserów jonowych wymagają wytworzenia w nich wysoko-prądowego wyładowania łukowego w celu pobudzenia gazowego ośrodka aktywnego i uzyskania dzięki temu akcji laserowej. Znane są w zasilacze jonowych laserów gazowych pracujące w sposób ciągły. Wykonane są w postaci standardowych wzmacniaczy prądu stałego z tranzystorowym regulatorem prądu (linear pass bank). Zasilacze te charakteryzują się niskim (< 0,5%) poziomem tętnień prądu wyładowania i związanym z nim tętnień mocy lasera. Zasilacze te mają także możliwość zasilania cewki pola magnetycznego.

Moc wyjściowa laserów jonowych rośnie w przybliżeniu liniowo ze wzrostem prądu wyładowania w rurze wyładowczej. Korzystne z punktu widzenia mocy lasera stosowanie dużych wartości natężenia prądu wyładowania posiada jednak w laserach pracujących w sposób ciągły pewne ograniczenia, których efekt można znacznie zmniejszyć przez zastosowanie impulsowej pracy lasera.

Znane są zasilacze jonowych laserów gazowych o pracy wyłącznie impulsowej, posiadające naładowany do napięcia rzędu 10 kV kondensator, który rozładowywany jest przez rurę laserową za pomocą szybkiego elementu zwierającego np. tyratron. Uzyskuje się w ten sposób impulsy prądowe o czasie trwania od 10^-6 do 10^-3 sek. i o natężeniu rzędu kA. Taka czysto impulsowa praca lasera pozwala na zastosowanie znacznie większego, ponad 10 razy, niż przy pracy ciągłej prądu wyładowania. Pozwala również na znaczne, korzystne dla osiągnięcia dużej mocy lasera, obniżenie ciśnienia gazu roboczego. Zasilacze te stosowane są tylko w warunkach laboratoryjnych do prowadzenia podstawowych prac badawczych i nie ma żadnych komercyjnych aplikacji.

Znany z opisu patentowego USA nr 5 280 536 zasilacz lasera gazowego jest stosowany w laserowych koagulatorach okulistycznych. Jednofazowy mostek prostowniczy ładuje tu w sposób ciągły baterię kondensatorów elektrolitycznych o znacznej, rzędu kilkunastu tysięcy μF, pojemności przyłączonej za pośrednictwem elementu kluczującego - tranzystora MOS - do rury laserowej. Element kluczujący sterowany jest w sposób impulsowy przebiegiem prostokątnym o częstotliwości ok. 20 kHz. Regulacja natężenia prądu płynącego przez rurę wyładowczą lasera realizowana jest przez zmianę współczynnika wypełnienia impulsów sterujących elementem kluczującym.

Zasilacz umożliwia jedynie impulsową pracę lasera o czasie trwania impulsów od 10 ms do 2 sek. W czasie trwania impulsu laserowego element kluczujący wysterowany jest ciągiem impulsów o współczynniku wypełnienia zależnym od wymaganej mocy wyjściowej lasera, natomiast w przerwie między impulsami klucz jest całkowicie wyłączany, powodując przerwanie wyładowania łukowego w rurze laserowej. Przy generacji każdego impulsu laserowego konieczne jest ponowne inicjowanie wyładowania wysokonapięciowym impulsem startowym. W podobny sposób zasilana jest impulsowo cewka pola magnetycznego.

Znane rozwiązanie charakteryzuje się niekontrolowaną i niestabilną pracą lasera bezpośrednio po zadziałaniu impulsu startowego. Czas potrzebny na ustabilizowanie się wyładowania jest rzędu kilku ms i uniemożliwia stosowanie krótszych impulsów oraz zwiększenie częstotliwości ich repetycji. Ponadto, zasilacz jest pozbawiony wyjściowej pojemności filtrującej, co powoduje dużą zawartość tętnień prądu wyjściowego o częstotliwości odpowiadającej częstotliwości kluczowania tranzystora MOS.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że ma dodatkowy element kluczujący połączony równolegle z głównym elementem kluczującym. Wyjścia elementów kluczujących połączone są do rury laserowej poprzez diody. Między główny element kluczujący a diodę włączony jest filtr wyjściowy, zaś diody połączone są przez czujnik prądu z anodą rury laserowej. Wyjście pomiarowe czujnika prądu połączone jest przez blok stabilizacji z elementem kluczującym, zaś drugie wejście bloku stabilizacyjnego połączone jest z układem sterującym. Blok stabilizacji zawiera układ progowy, który zawiera diody połączone katodami, zaś anoda pierwszej diody stanowi wejście układu, a anoda drugiej diody połączona jest z potencjometrem, a połączone katody diod stanowią wyjście układu. Blok stabilizacyjny zawiera zespół komparatorów, który poprzez układ progowy połączony jest z generatorem, którego wyjście połączone jest ze sterownikiem IGBT głównego elementu kluczującego. Równolegle do zasilacza głównego rury laserowej połączony jest zasilacz pomocniczy cewki pola magnetycznego, która połączona jest przez drugi czujnik prądowy i przez drugi filtr wyjściowy z drugim elementem kluczującym, połączonym z transformatorem 17, katodę 16. Równolegle z elementem kluczującym zasilacza głównego 2 i wyjściowym filtrem LC 3 jest połączony dodatkowy element kluczujący 1,

PL 212 842 B1 który umożliwia zasilenie rury laserowej bezpośrednio z wyjścia wejściowego filtru LC 18, czyli maksymalnym napięciem. W celu zapewnienia właściwej współpracy elementów kluczujących 1, 2 do wyjścia dodatkowego elementu kluczującego 1 i filtru wyjściowego 3 połączono diody 8, których zadaniem jest sumowanie prądów płynących przez oba te elementy. Diody 8 połączone są poprzez hallotronowy czujnik prądu 9 i starter 12 z anodą 15 rury laserowej 13. Napięcie zasilacza pomocniczego podawane jest na cewkę pola magnetycznego 14 poprzez hallotronowy czujnik prądu 11. W celu inicjacji wyładowania elektrycznego w rurze laserowej konieczne jest chwilowe zwiększenie układem zapłonowym 12 napięcia na elektrodach 15 i 16 do wartości kilku kV.

Wyjście pomiarowe hallotronowego czujnika prądu 9 jest połączone poprzez blok stabilizacji 6 zasilacza głównego z elementem kluczującym 2, a wyjście pomiarowe hallotronowego czujnika prądu 11 jest połączone poprzez blok stabilizacji 7 zasilacza pomocniczego z elementem kluczującym 4. Zadaniem bloków stabilizacji 6, 7 jest utrzymywanie wartości prądów płynących przez elementy kluczujące na stałym poziomie. Dodatkowo, poza stabilizacją prądu blok stabilizacji zasilacza rury laserowej posiada możliwość stabilizacji mocy wyjściowej lasera 13 za pomocą sygnału z diodowego miernika mocy wyjściowej lasera 10, który podawany jest na trzecie wejście bloku stabilizacji zasilacza głównego 7. Sygnały odniesienia, które określają wartość stabilizowanej wielkości prądu lub mocy wyjściowej lasera wytwarzane są przez układ sterujący 20 i podawane są do wejść bloków stabilizacji 6, 7 oraz na wejście sterujące dodatkowego elementu kluczującego 1.

Jak to przedstawione jest na fig. 2, wejściowy filtr 18 zbudowany jest w postaci jednostopniowego układu LC, którego zadaniem jest zmniejszenie tętnień napięcia wyjściowego prostownika 19. W skład filtru wchodzi dławik 23 oraz bateria kondensatorów elektrolitycznych 21. Dławik 23 powinien cechować się możliwie dużą indukcyjnością oraz wartością prądu nasycenia przewyższającą maksymalny spodziewany prąd pobierany przez rurę laserową 13. Bateria kondensatorów 21 zbudowana jest z 4 połączonych ze sobą kondensatorów elektrolitycznych. W celu zapewnienia lepszej filtracji równolegle z baterią kondensatorów elektrolitycznych 21 została dołączona bateria kondensatorów foliowych 22. Główny element kluczujący 2 stanowi tranzystor 28', którego bramka i emiter połączone są ze sterownikiem 28. Do wyjścia tranzystora 1' połączona jest dioda zabezpieczająca 25. Sterownik 28 zapewnienia odpowiedni poziom napięcia na bramce tranzystora 28' oraz separację galwaniczną pomiędzy blokiem stabilizacji 6 i tranzystorem. Dioda 25 została zamontowana w celu zapewnienia ciągłości prądu płynącego przez rurę wyładowczą lasera 13. Bezpośrednio za tranzystorem 28' i diodą 25 znajduje się wyjściowy filtr LC 3, którego zadaniem jest tłumienie tętnień wprowadzanych przez impulsową pracę tranzystora 281 Ze względu na znaczną częstotliwość pracy tranzystora 28' wprowadzane przez niego tętnienia są łatwe do usunięcia. Z tego powodu elementy składowe filtru wyjściowego 3 są znacznie mniejsze w porównaniu z filtrem wejściowym 16.

Jak to przedstawia fig. 3, stabilizacja zadanej wielkości fizycznej: prądu rury wyładowczej lasera lub mocy wyjściowej lasera realizowana jest w standardowej pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego. Wyboru stabilizowanej wielkości fizycznej dokonuje się zmieniając aktywną pętlę sprzężenia zwrotnego przy pomocy przełącznika 35 zespołu komparatorów 44. Połączony z przełącznikiem 35 komparator 33 pracuje w układzie stabilizatora prądu wyładowania, który w czasie rzeczywistym porównuje mierzoną hallotronowym czujnikiem prądu 9, podawaną na wejście odwracające wartość prądu płynącego przez rurę wyładowczą lasera 13 z wartością odniesienia. Sygnał ten dla komparatora 33 określający wartość stabilizowanego prądu jest zadawany przez użytkownika lasera regulatorem 30 i podawany na wejście nieodwracające komparatora 33. Od wyniku porównania zależy wartość napięcia wyjściowego komparatora 33, które za pośrednictwem przełącznika 35 jest podawane do generatora PWM 42, poprzez układ progowy 43.

Czujnikiem mocy lasera jest tu fotodioda, na którą pada światło odbite od wprowadzonej do wiązki laserowej szklanej płytki, co stanowi diodowy miernik mocy wyjściowej lasera 10. Zmierzona w ten sposób wielkość proporcjonalna do mocy lasera jest podawana na wejście odwracające komparatora 34 i porównywana z wartością odniesienia zadaną przez regulator 31. Ze względu na wytrzymałość termiczną rury istnieje konieczność ograniczenia wartości prądu wyładowania realizowaną przez ogranicznika prądu 29 i komparator 32, którego wejście odwracające połączone jest z hallotronowym czujnikiem prądu 9. Wejście nieodwracające komparatora 32 połączone jest z ogranicznikiem 29. W czasie rzeczywistym niezależnie od rodzaju stabilizowanej wielkości fizycznej porównywana jest wartość prądu płynącego przez rurę wyładowczą lasera 13 z zadanymi wartościami maksymalnymi prądu wyładowania, różnymi dla trybu pracy ciągłej i impulsowej. Napięcie wyjściowe jednego z komparatorów 33 lub 34 oraz komparatora 32 podawane jest odpowiednio na katody diod 37 i 36,

PL 212 842 B1 które pracują w układzie komparatora w taki sposób, że na ich anodach występuje, z dokładnością do napięcia przewodzenia diod 36 i 37, napięcie równe mniejszemu z napięć obecnych na katodach diod 36 i 37. W celu zapewnienia odpowiedniej polaryzacji diod wchodzących w skład komparatora zastosowany został rezystor 40. W podobnej konfiguracji pracują również diody 38 i 39 układu progowego 43, z których podawane jest, na wejście generatora PWM 42, napięcie o wartości nie mniejszej, z dokładnością do napięcia przewodzenia diod 38 i 39 niż ustawionej potencjometrem 41. Układ diod 38 i 39 oraz potencjometru 41 jest tzw. układem progowym, mającym za zadanie utrzymywanie ciągłości wyładowania łukowego w rurze laserowej 13. Dodatkowo, poza zapewnieniem ciągłości wyładowania, układ określa wartość prądu podkładu, czyli wartość prądu płynącego przez rurę laserową 13 w przypadku pracy impulsowej w przerwie między kolejnymi impulsami.

Wyjście zespołu komparatorów 44 jest połączone z generatorem PWM 42 poprzez układ progowy 43. Wytwarzany przez generator PWM 42 sygnał prostokątny o częstotliwości ok. 40 kHz i zmiennym współczynniku wypełnienia podawany jest na sterownik 28 głównego elementu kluczującego 2.

Zasilacz ten podczas pracy impulsowej i wieloimpulsowej w przerwie między kolejnymi impulsami pracuje ze stałym prądem wyładowania, tzw. prądem podkładu o wartości możliwie małej, zapewniającej stabilność wyładowania w rurze laserowej. Dzięki zastosowaniu prądu podkładu wyeliminowana została konieczność uruchamiania lasera i inicjacji wyładowania w rurze laserowej przy każdorazowym podaniu impulsu.

Ze względu na wyeliminowanie czasochłonnych procesów uruchamiania lasera, możliwe jest generowanie znacznie krótszych impulsów laserowych oraz z dużo większą częstotliwością niż to ma miejsce w znanych rozwiązaniach. Ponadto, przez zastosowanie dodatkowego elementu kluczującego 1 umieszczonego poza stosunkowo wolną pętlą sprzężenia zwrotnego, możliwe jest generowanie jeszcze krótszych impulsów laserowych. Impulsy te generowane z wykorzystaniem elementu kluczującego i charakteryzują się znaczną mocą wyjściową lasera i bardzo stromymi zboczami, zwłaszcza zboczem opadającym.

Znaczna moc wyjściowa lasera wynika z możliwości wymuszenia przepływu maksymalnego możliwego do uzyskania prądu przez rurę laserową, wynikającego z podania na mą pełnego wyprostowanego napięcia bezpośrednio z wyjścia wejściowego filtru 18. Strome zbocza impulsu uzyskuje się natomiast przez ominięcie indukcyjności wyjściowego filtru 3 oraz pętli sprzężenia zwrotnego. Zasilacz, będący przedmiotem wynalazku, oprócz impulsowego zasilania rury laserowej 13 umożliwia również impulsowe zasilanie cewki pola magnetycznego 14 w sposób analogiczny do zasilania rury laserowej. W celu zapewnienia prawidłowej pracy lasera oba zasilacze główny i pomocniczy są ze sobą zsynchronizowane przez zastosowanie wspólnego układu sterującego 20.

Claims (4)

1. Zasilacz jonowego lasera gazowego zawierający zasilacz główny rury laserowej, który ma mostek prostowniczy ładujący baterię kondensatorów połączonych z rurą laserową poprzez element kluczujący i blok stabilizacji prądu/mocy lasera, znamienny tym, że ma dodatkowy element kluczujący (1) połączony równolegle z głównym elementem kluczującym (2), a wyjścia elementów kluczujących (1), (2) połączone są do rury laserowej (13) poprzez diody (8), przy czym między główny element kluczujący (2) a diodę (8) włączony jest filtr wyjściowy (3), zaś diody (8) połączone są przez czujnik prądu (9) z anodą (15) rury laserowej (13), a wyjście pomiarowe czujnika prądu (9) połączone jest przez blok stabilizacji (6) z elementem kluczującym (2), zaś drugie wejście bloku stabilizacyjnego (6) połączone jest z układem sterującym (20), przy czym blok stabilizacji (6) zawiera układ progowy (43).

2. Zasilacz według zastrz. 1, znamienny tym, że układ progowy (43) zawiera diody (38), (39) połączone katodami, zaś anoda pierwszej diody (38) stanowi wejście układu, a anoda drugiej diody (39) połączona jest z potencjometrem (41), a połączone katody diod (38), (39) stanowią wyjście układu.

3. Zasilacz według zastrz. 1, znamienny tym, że blok stabilizacyjny zawiera zespół komparatorów (44), który poprzez układ progowy (43) połączony jest z generatorem (42), którego wyjście połączone jest ze sterownikiem IGBT głównego elementu kluczującego (2).

4. Zasilacz według zastrz. 1, znamienny tym, że równolegle do zasilacza głównego rury laserowej połączony jest zasilacz pomocniczy cewki pola magnetycznego (14), która połączona jest przez

PL 212 842 B1 drugi czujnik prądowy (11) i przez drugi filtr wyjściowy (5) z drugim elementem kluczującym (4), połączonym z wejściowym filtrem (18), przy czym wyjście pomiarowe drugiego czujnika prądu (11) połączone jest poprzez drugi blok stabilizacji (7) z drugim elementem kluczującym (4), zaś drugie wejście bloku stabilizacji (7) połączone jest z trzecim wyjściem układu sterującego (20).