RU2069929C1

RU2069929C1 - Gas laser exciting device

Info

Publication number: RU2069929C1
Authority: RU
Inventors: О.Б. Христофоров
Original assignee: Научно-производственное внедренческое предприятие "Лазерная лаборатория"
Priority date: 1992-10-06
Filing date: 1992-10-06
Publication date: 1996-11-27

Abstract

FIELD: quantum electronics; electric-discharge lasers. SUBSTANCE: pulse voltage generator of pulsed electric-discharge laser with volume discharge started by high-voltage pre-pulse is connected to laser electrodes; it is three-stage generator with common switch, its high-voltage electrode is connected to laser electrode via magnetic switch; generator is connected to pulsed charging source via magnetic switch. EFFECT: improved design. 1 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к электроразрядным лазерам ТЕ-типа с зажиганием объемного разряда высоковольтным предымпульсом. The invention relates to quantum electronics, in particular to TE-type electric-discharge lasers with volume discharge ignition by a high-voltage prepulse.

Известно устройство для возбуждения частотного газового лазера, содержащее импульсно заряжаемую искусственную формирующую линию, подсоединенную через магнитный ключ к электродам лазера, к которым подсоединена обострительная емкость [1]
Недостатком устройства, является сложность его использования в высокоэнергетических газовых лазерах.A device for exciting a frequency gas laser containing a pulse-charged artificial shaping line connected through a magnetic key to the laser electrodes to which an sharpening capacitance is connected [1]
The disadvantage of this device is the difficulty of its use in high-energy gas lasers.

Этого недостатка лишено устройство для возбуждения широкоапертурного эксимерного лазера, содержащее импульсно-заряжаемые формирующие линии, подсоединенные через разрядник к электродам лазера, [2]
Недостатком указанного устройства являются большие габариты, малые частоты следования импульсов и ресурс. Кроме того, формирующие линии необходимо заряжать до напряжения, обеспечивающего пробой разрядного промежутка лазера, что неэффективно.A device for exciting a wide-aperture excimer laser containing pulse-charged forming lines connected through a spark gap to the laser electrodes is deprived of this drawback [2]
The disadvantage of this device is the large size, low pulse repetition rates and resource. In addition, the forming lines must be charged to a voltage that ensures the breakdown of the discharge gap of the laser, which is inefficient.

Прототипом изобретения является устройство для возбуждения газового лазера, содержащее катод и анод, к которым подсоединен генератор импульсных напряжений (ГИН), состоящий из конденсатора соединенного с высоковольтным выводом ГИН, и коммутатора, соединенного с заземленным выводом ГИН, а также импульсный зарядный источник [3]
Указанное устройство обеспечивает более высокий по сравнению с предыдущими аналогами КПД лазера при высокой частоте следования импульсов.The prototype of the invention is a device for exciting a gas laser containing a cathode and anode, to which a pulse voltage generator (GIN) is connected, consisting of a capacitor connected to a high-voltage GIN terminal, and a switch connected to an earthed GIN terminal, as well as a pulsed charging source [3]
The specified device provides higher compared with previous analogues of the laser efficiency at a high pulse repetition rate.

Однако в устройстве затруднено увеличение апертуры газового лазера и его энергии генерации, так как напряжение на высоковольтном выводе ГИН ограничено диапазоном работы частотного коммутатора. Кроме того, в прототипе необходимо использование двух импульсных зарядных устройств, что усложняет его эксплуатацию. However, the device is difficult to increase the aperture of the gas laser and its generation energy, since the voltage at the high-voltage output of the GIN is limited by the range of operation of the frequency switch. In addition, the prototype requires the use of two pulse chargers, which complicates its operation.

Техническая задача изобретения увеличение апертуры и энергии генерации газового лазера. An object of the invention is to increase the aperture and energy of generation of a gas laser.

Техническая задача может быть осуществлена устройством новой конструкции, содержащем катод и анод, к которым подсоединен генератор импульсных напряжений, состоящий из конденсатора, соединенного с высоковольтным выводом ГИН, и коммутатора, соединенного с заземленным выводом ГИН, а также импульсный зарядный источник. Отличие устройства состоит в том, что конденсатор ГИН подсоединен к его коммутатору двумя дросселями с однонаправленными обмотками на общем сердечнике и соединен с заземленным выводом ГИН двумя последовательно соединенными конденсаторами, общая точка которых соединена с коммутатором через катушку индуктивности, высоковольтный вывод ГИН соединен с импульсным зарядным источником и соединен с катодом через магнитный ключ. The technical task can be carried out by a device of a new design, containing a cathode and anode, to which a pulse voltage generator is connected, consisting of a capacitor connected to a high-voltage output of a GIN, and a switch connected to a grounded output of a GIN, as well as a pulse charging source. The difference between the device is that the GIN capacitor is connected to its switch by two chokes with unidirectional windings on a common core and connected to the grounded GIN terminal by two series-connected capacitors, the common point of which is connected to the switch through an inductor, the high-voltage GIN terminal is connected to a pulse charging source and connected to the cathode through a magnetic key.

Выполнение устройства в указанном виде повышает амплитуду высоковольтного импульса генератора импульсных напряжений, что позволяет увеличить апертуру лазера и повысить его энергию генерации. Кроме того, обеспечивается работа устройства с использованием только одного импульсного зарядного источника, что упрощает эксплуатацию устройства. The implementation of the device in this form increases the amplitude of the high-voltage pulse of the pulse voltage generator, which allows to increase the aperture of the laser and increase its generation energy. In addition, the operation of the device using only one pulsed charging source is ensured, which simplifies the operation of the device.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, на котором схематично изображено устройство для возбуждения газового лазера. The invention is illustrated in the drawing, which schematically shows a device for exciting a gas laser.

Устройство содержит импульсный зарядный источник 1, который в простейшем случае состоит из накопительного конденсатора с коммутатором и зарядных катушек индуктивности; ГИН 2, содержащий последовательно соединенные конденсаторы 3 5 и коммутатор 6, причем конденсатор 3 генератора импульсных напряжений подсоединен к его коммутатору 6 двумя дросселями 7 и 8 с однонаправленными обмотками на общем сердечнике и общий вывод конденсаторов 4 и 5 соединен с коммутатором через катушку индуктивности 9, ГИН 2 подсоединен через магнитный ключ 10 к катоду 11 и аноду 12. К катоду 11 и аноду 12 подсоединен также пиковый конденсатор 13 и через магнитный ключ 14 подключена формирующая линия 15. The device contains a pulse charging source 1, which in the simplest case consists of a storage capacitor with a switch and charging inductors; GIN 2, containing series-connected capacitors 3 5 and switch 6, and the capacitor 3 of the pulse voltage generator is connected to its switch 6 by two chokes 7 and 8 with unidirectional windings on a common core and the common output of capacitors 4 and 5 is connected to the switch through an inductor 9, GIN 2 is connected through a magnetic key 10 to the cathode 11 and anode 12. A peak capacitor 13 is also connected to the cathode 11 and anode 12, and a forming line 15 is connected through the magnetic key 14.

Устройство для возбуждения газового лазера работает следующим образом. A device for exciting a gas laser operates as follows.

При включении импульсного зарядного источника 1 за время ≈ 1 мкс происходит импульсная зарядка содержащихся в ГИН 2 конденсаторов 3 5 до напряжения U_O. При этом конденсатор 3 заряжается через дроссель 8, конденсатор 4 заряжается через дроссель 7, катушку индуктивности 9 и дроссель 8; конденсатор 5 заряжается через дроссель 7 и катушку индуктивности 9. Одновременно через магнитный ключ 10 осуществляется зарядка до напряжения U_О подключенного к катоду 11 и аноду 12 пикового конденсатора 13 и соединенной с ним через магнитный ключ 14 формирующей линии 15. В процессе импульсной зарядки сердечники магнитных ключей 10 и 14 и общий сердечник дросселей 7 и 8 находятся в насыщенном состоянии. Срабатывает коммутатор 6, который может быть выполнен в виде магнитного ключа или тиратрона. Происходит инвертирование напряжения на конденсаторах 3 и 5, подсоединенных к коммутатору 6.When the pulse charging source 1 is turned on for a time ≈ 1 μs, the capacitors 3 5 contained in the GIN 2 are pulsedly charged to the voltage U _O. In this case, the capacitor 3 is charged through the inductor 8, the capacitor 4 is charged through the inductor 7, the inductor 9 and the inductor 8; the capacitor 5 is charged through the inductor 7 and the inductor 9. At the same time, the magnetic switch 10 is charged to a voltage U _{О of the} peak capacitor 13 connected to the cathode 11 and anode 12 and the forming line 15 connected to it through the magnetic key 14. During the pulse charging, the magnetic cores keys 10 and 14 and the common core of the chokes 7 and 8 are in a saturated state. The switch 6 is activated, which can be made in the form of a magnetic key or thyratron. The voltage is inverted at the capacitors 3 and 5 connected to the switch 6.

При этом (без учета потерь) напряжение на высоковольтном выводе ГИН 2 изменяется от U_о до величины ≃ (-3U_о). При инвертировании конденсатора 3 индуктивность дросселей 7 и 8 с общим сердечником минимальна, так как токи в их обмотках равны по величине и встречно-направлены. Для уменьшения времени инвертирование дроссели 7 и 8 могут быть выполнены одновитковыми. Величина индуктивности катушки 9, подбирается таким образом, чтобы время инвертирования конденсаторов 3 и 5 было примерно одинаковым. В процессе инвертирования однонаправленные токи утечки через дроссели 7 и 8 незначительны, так как они имеют обратное направление с токами зарядки, вследствие чего дроссели 7 и 8 обладают большой индуктивностью, поскольку их сердечник находится в ненасыщенном состоянии по отношению к токам утечки. Срабатывает магнитный ключ 10, и заряд из последовательно включенных конденсаторов 3 5 перетекает в пиковый конденсатор 13. Одновременно срабатывает предионизатор (для упрощения не показан) и осуществляется предионизация активного объема лазера между катодом 11 и анодом 12. Перетекание заряда в пиковый конденсатор 13 происходит за время ≅ 0,1 мкс. Осуществляется инвертирование напряжения на пиковом конденсаторе 13 до величины ≈(-U_o). Срабатывает магнитный ключ 14. Через магнитный ключ -14 часть заряда из формирующей линии 15 перетекает в пиковый конденсатор 13, емкость которого примерно на два порядка по величине меньше емкости формирующей линии 15. За счет переходных процессов напряжение на ней начинает возрастать от величины (-U_o) до (3U_o). При достижении на пиковом конденсаторе 13 напряжения ≅(3U_o) происходит зажигание объемного разряда между анодом 12 и катодом 11. Энергия накопления в пиковом конденсаторе 13, диспергирует в разряде, обеспечивая падение его сопротивления до некоторой квазистационарной величины R, при напряжении на разряде ≈U_o/2.In this case (without taking into account losses), the voltage at the high-voltage output of the GIN 2 varies from U _о to ≃ (-3U _о ). When inverting the capacitor 3, the inductance of the chokes 7 and 8 with a common core is minimal, since the currents in their windings are equal in magnitude and counter-directed. To reduce the time of inversion, the inductors 7 and 8 can be made single-turn. The magnitude of the inductance of the coil 9 is selected so that the inversion time of the capacitors 3 and 5 is approximately the same. During inversion, unidirectional leakage currents through the chokes 7 and 8 are negligible, since they have the opposite direction with charging currents, as a result of which the chokes 7 and 8 have a large inductance, since their core is in an unsaturated state with respect to the leakage currents. The magnetic switch 10 is activated, and the charge from the series-connected capacitors 3 5 flows into the peak capacitor 13. At the same time, the preionizer (for simplicity not shown) is activated and the active volume of the laser is preionized between the cathode 11 and anode 12. The charge flows to peak capacitor 13 over time ≅ 0.1 μs. The voltage at the peak capacitor 13 is inverted to the value ≈ (-U _o ). The magnetic key 14 is triggered. Through the magnetic key -14, part of the charge flows from the forming line 15 to the peak capacitor 13, whose capacitance is approximately two orders of magnitude smaller than the capacity of the forming line 15. Due to transient processes, the voltage on it begins to increase from the value (-U _o ) to (3U _o ). When the voltage ≅ (3U _o ) is reached at the peak capacitor 13, a volume discharge is ignited between the anode 12 and the cathode 11. The storage energy in the peak capacitor 13 disperses in the discharge, ensuring its resistance drops to a certain quasistationary value R, at the discharge voltage ≈U _o / 2.

Формирующая линия 15 с волновым сопротивлением ρ≈ R через магнитный ключ 14 разряжается на согласованную нагрузку в виде объемного разряда между катодом 11 и анодом 12. При разряде формирующей линии 15 за время 0,2 0,4 мкс осуществляется энерговклад в объемный разряд, что позволяет получить генерацию лазера. The forming line 15 with the wave resistance ρ≈ R through the magnetic key 14 is discharged to the agreed load in the form of a volume discharge between the cathode 11 and the anode 12. When the discharge line 15 is discharged during 0.2 0.4 μs, an energy input into the volume discharge is performed, which allows get laser generation.

В процессе работы устройства энергозапас ГИН 2 расходуется не только на инвертирование пикового конденсатора 13, но и на энергопотери в магнитных ключах 10, 14, а также на работу предионизатора. In the process of operation of the device, the energy reserve of GIN 2 is spent not only on inverting the peak capacitor 13, but also on energy loss in magnetic keys 10, 14, as well as on the operation of the preionizer.

При использовании устройства для возбуждения эксимерного XeCl лазера величина зарядного напряжения U_o

5•D кВч/см, где D расстояние между катодом и анодом; величины емкости формирующей линии -(200 400 нФ), пикового конденсатора -(2 5 нФ), конденсаторов ГИН (6 20) нФ.When using a device for exciting an excimer XeCl laser, the value of the charging voltage U _o

5 • D kWh / cm, where D is the distance between the cathode and the anode; the capacitance of the forming line is (200,400 nF), the peak capacitor is (2 5 nF), the GIN capacitors are (6 20) nF.

По сравнению с прототипом устройство для возбуждения газового лазера приобретает новые положительные качества. Выполнение ГИН в указанном виде, т. е. подсоединение конденсатора ГИН к коммутатору двумя дросселями с однонаправленными обмотками на общем сердечнике и его соединение с заземленным выводом ГИН через два последовательно соединенных конденсатора, общая точка которых соединена с коммутатором через катушку индуктивности, увеличивает по сравнению с прототипом амплитуду импульсного напряжения ГИН в три раза. Это позволяет увеличить апертуру газового лазера и повысить его энергию генерации и среднюю мощность излучения в импульсно-периодическом режиме. При этом соединение высоковольтного вывода ГИН с катодом через магнитный ключ необходимо для подачи поджигающего напряжения на разрядный промежуток лазера после инвертирования напряжения на емкостях ГИН, подсоединенных к коммутатору. Соединение высоковольтного вывода ГИН, выполненного в указанном виде, с импульсным зарядным источником устраняет необходимость использования дополнительного зарядного источника, подающего напряжение на электроды лазера перед зажиганием разряда и обеспечивает автоматическое намагничивание сердечников дросселей и магнитных ключей в рабочее состояние, что упрощает эксплуатацию устройства. Compared with the prototype, the device for exciting a gas laser acquires new positive qualities. The performance of the GIN in the indicated form, i.e., connecting the GIN capacitor to the switch with two chokes with unidirectional windings on the common core and its connection to the grounded output of the GIN through two series-connected capacitors, the common point of which is connected to the switch through the inductor, increases compared to prototype the amplitude of the pulse voltage GIN three times. This makes it possible to increase the aperture of a gas laser and increase its generation energy and average radiation power in a repetitively pulsed mode. In this case, the connection of the high-voltage output of the GIN with the cathode through a magnetic key is necessary to supply the ignition voltage to the discharge gap of the laser after inverting the voltage on the capacitors of the GIN connected to the switch. The connection of the high-voltage output of the GIN, made in the indicated form, with a pulsed charging source eliminates the need to use an additional charging source that supplies voltage to the laser electrodes before igniting the discharge and provides automatic magnetization of the cores of the chokes and magnetic keys to the operating state, which simplifies the operation of the device.

Устройство, выполненное в соответствии с предлагаемым изобретением, успешно испытано для возбуждения широкоапертурного XeCl-лазера. A device made in accordance with the invention has been successfully tested to excite a wide-aperture XeCl laser.

Claims

A device for exciting a gas laser, comprising a cathode and anode, to which a pulse voltage generator is connected, consisting of a capacitor connected to a high voltage terminal of a pulse voltage generator, and a switch connected to a grounded terminal of said generator, and also a pulse charging source, characterized in that the capacitor of the pulse voltage generator is connected to its switch by two chokes with unidirectional windings on a common core and connected to a grounded terminal eratora pulse voltage through two series-connected capacitor common point which is connected to the switch through the inductor, a high output pulse voltage generator connected to the pulse charging source and connected to the cathode through the magnetic key.