RU2082263C1 - Method for driving self-limited-junction pulsed lasers - Google Patents
Method for driving self-limited-junction pulsed lasers Download PDFInfo
- Publication number
- RU2082263C1 RU2082263C1 SU5035482A RU2082263C1 RU 2082263 C1 RU2082263 C1 RU 2082263C1 SU 5035482 A SU5035482 A SU 5035482A RU 2082263 C1 RU2082263 C1 RU 2082263C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pulse
- excitation
- additional
- generation
- laser
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании импульсных лазеров на парах химических элементов. The invention relates to the field of quantum electronics and can be used to create pulsed lasers for vapor of chemical elements.
Известен способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах паров химических элементов, заключающийся в том, что возбуждение активной среды и разогрев активного вещества до рабочей температуры осуществляется периодически повторяющимися импульсами высокой частоты, которые, во-первых, за счет выделяемой при разряде в газовой смеси энергии, производят нагрев активной среды до рабочей температуры, и во-вторых, создают инверсную населенность в активной среде [1]
Данный способ возбуждения является наиболее простым способом получения паров активного вещества и их возбуждения. Однако, при этом способе реализуется стационарный режим работы лазера и невозможно производить управление энергетическими характеристиками лазерной генерации (частота следования импульсов генерации, средняя и импульсная мощность лазерного излучения), поскольку изменение параметров импульса возбуждение, необходимое для осуществления управления энергетическими характеристиками генерации, приводит к нарушению теплового режима работы лазера.A known method of excitation of pulsed lasers on self-limited transitions of vapors of chemical elements, which consists in the fact that the excitation of the active medium and heating of the active substance to the working temperature is carried out by periodically repeating high-frequency pulses, which, firstly, due to the energy released during the discharge in the gas mixture, produce heating of the active medium to operating temperature, and secondly, create an inverse population in the active medium [1]
This method of excitation is the easiest way to obtain vapors of the active substance and their excitation. However, this method implements a stationary laser mode and it is impossible to control the energy characteristics of laser generation (pulse repetition rate, average and pulsed power of laser radiation), since a change in the parameters of the pulse excitation necessary to control the energy characteristics of the generation leads to a violation of the thermal laser mode.
Известен способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах, заключающийся в формировании импульсов возбуждения и дополнительных импульсов, не вызывающих генерации [2]
Данный способ позволяет осуществлять стабилизацию выходных характеристик лазерного излучения на заданном уровне, но не позволяет управлять энергетическими характеристиками генерации лазера.A known method of excitation of pulsed lasers on self-limited transitions, which consists in the formation of excitation pulses and additional pulses that do not cause generation [2]
This method allows stabilization of the output characteristics of laser radiation at a given level, but does not allow you to control the energy characteristics of the laser generation.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах, работающий в режиме саморазогрева [3] заключающийся в формировании с каждым импульсом возбуждения дополнительного импульса с регулируемой задержкой между импульсами. The closest in technical essence to the proposed method is a method of excitation of pulsed lasers on self-limited transitions, operating in self-heating mode [3] consisting in the formation with each pulse of the excitation of an additional pulse with an adjustable delay between pulses.
Данный способ широко применялся для исследования предельных энергетических характеристик лазерного излучения, однако он также не позволяет осуществлять управление энергетическими характеристиками генерации лазера. Для обеспечения теплового режима работы лазера, при наложении двух импульсов на активную среду, необходимо выполнение следующего условия:
(E1 + E2)f P,
где E1 энергия импульса возбуждения;
E2 энергия дополнительного импульса;
f частота следования импульсов возбуждения;
P мощность, необходимая для разогрева рабочего объема лазера и поддержания его при рабочей температуре.This method was widely used to study the limiting energy characteristics of laser radiation, however, it also does not allow controlling the energy characteristics of laser generation. To ensure thermal operation of the laser, when two pulses are applied to the active medium, the following conditions must be met:
(E 1 + E 2 ) f P,
where E 1 the energy of the excitation pulse;
E 2 energy of an additional impulse;
f repetition rate of the excitation pulses;
P the power required to heat the working volume of the laser and maintain it at operating temperature.
Технической задачей настоящего изобретения является управление энергетическими характеристиками генерации. An object of the present invention is to control the energy characteristics of a generation.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что, как и известный способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах, работающих в режиме саморазогрева, предлагаемый способ заключается в формировании с каждым импульсом возбуждения одного дополнительного импульса с регулируемой задержкой между импульсами при соблюдении условия:
(E1 + E2)f P,
где E1 энергия импульса возбуждения;
E2 энергия дополнительного импульса;
f частота следования импульсов возбуждения;
P мощность, необходимая для разогрева рабочего объема лазера и поддержания его при рабочей температуре.The solution of the technical problem is achieved by the fact that, like the well-known method of excitation of pulsed lasers at self-limited transitions operating in the self-heating mode, the proposed method consists in the formation with each excitation pulse of one additional pulse with an adjustable delay between pulses subject to the conditions:
(E 1 + E 2 ) f P,
where E 1 the energy of the excitation pulse;
E 2 energy of an additional impulse;
f repetition rate of the excitation pulses;
P the power required to heat the working volume of the laser and maintain it at operating temperature.
В отличие от известного, в предлагаемом способе изменяют временное расположение дополнительного импульса относительно импульса возбуждения от момента начала импульса генерации в сторону предыдущего импульса возбуждения, при этом амплитуду напряжения дополнительного импульса выбирают постоянной в пределах 15 50% амплитуды напряжения импульса возбуждения. In contrast to the known method, in the proposed method, the temporary location of the additional pulse relative to the excitation pulse is changed from the moment the generation pulse starts to the side of the previous excitation pulse, while the voltage amplitude of the additional pulse is chosen constant within 15-50% of the amplitude of the excitation pulse voltage.
Авторам известны способы возбуждения лазеров на самоограниченных переходах за счет формирования импульса возбуждения и дополнительного импульса [2, 3] Известен также способ управления энергетическими характеристиками генерации (энергия импульса генерации и средняя мощность генерации) за счет изменения амплитуды импульса возбуждения при двухимпульсном возбуждении [4] Авторам не известен способ возбуждения, позволяющий управлять в широких пределах от нуля до максимального значения энергетическими характеристиками генерации, такими как энергия импульса генерации, средняя мощность генерации, энергетическое распределение между линиями генерации и частота следования импульсов генерации. The authors know how to excite lasers at self-limited transitions due to the formation of an excitation pulse and an additional pulse [2, 3] There is also a method for controlling the energy characteristics of generation (energy of the generation pulse and average generation power) by changing the amplitude of the excitation pulse during two-pulse excitation [4] the excitation method is not known, which makes it possible to control over a wide range from zero to a maximum value the energy characteristics of generation, such as a laser pulse energy, average power generation, power distribution lines between the generation and the repetition frequency of the laser pulse.
Основным механизмом создания инверсной населенности в лазерах на самоограниченных переходах атомов химических элементов является более высокая скорость возбуждения верхнего лазерного уровня по сравнению с нижним во время протекания импульса возбуждения. Важную роль при создании инверсной населенности играют такие параметры плазмы, как концентрация атомов рабочего вещества na, концентрация электронов ne и электронная температура Te. Концентрация атомов рабочего вещества в саморазогревных лазерах задается термическим нагревом рабочего объема лазерной трубки при диссипации энергии газового разряда. Согласно теории Джерри мощность генерации [5]
Pген= [nane<σ13νe>-nane<σ12νe>]/2, (1)
где <σ13νe>,<σ12νe> скорости возбуждения верхнего и нижнего лазерного уровней электронным ударом из основного состояния. Скорости возбуждения непосредственно связаны с электронной температурой, которая определяется напряжением, приложенным к лазерной трубке. Максимальная мощность генерации реализуется при максимальном значении первого члена и минимальном значении второго члена приведенного выражения (1). На практике этого добиваются за счет оптимизации параметров импульса возбуждения. В импульснопериодических лазерах, работающих с высокой частотой следования импульсов, плазма не успевает полностью прорекомбинировать. Поэтому перед импульсом возбуждения существует относительно высокая остаточная концентрация электронов, порядка 1012 1013/см3. Если перед импульсом возбуждения ввести дополнительный импульс, который наоборот оптимизировать так, что максимальным будет второй член и минимальным первый член выражения (1), то не будет возникать инверсия в активной среде при прохождении дополнительного импульса. Поскольку в лазерах на самоограниченных переходах нижний лазерный уровень является метастабильным, со временем жизни порядка 10-5 с, то при наложении импульса возбуждения непосредственно после дополнительного импульса, не будет возникать инверсия в активной среде и при наложении импульса возбуждения. Если дополнительный импульс расположить перед импульсом возбуждения с задержкой равной времени расселения нижнего лазерного уровня, то это равнозначно первоначальному условию (в отсутствии дополнительного импульса или он помещен за импульсом генерации). В этом случае реализуется максимальная энергия импульса генерации. Изменяя задержку между дополнительными и возбуждающими импульсами можно осуществлять управление энергетическими характеристиками генерации от нуля до максимального значения. Экспериментально установлено, что дополнительный импульс удовлетворяет вышеописанным требованиям при амплитуде напряжения выбираемой постоянной в пределах 15 50% амплитуды напряжения импульса возбуждения. При плавном изменении временного расположения дополнительного импульса от момента импульса генерации в сторону предыдущего импульса возбуждения, средняя мощность генерации изменяется от максимального значения до нуля и затем возрастает от нуля до максимального значения. При этом спад средней мощности от максимального значения до нуля происходит более резко чем увеличение от нуля до максимального значения.The main mechanism for creating an inverse population in lasers based on self-limited transitions of atoms of chemical elements is a higher excitation rate of the upper laser level than the lower one during the course of the excitation pulse. An important role in creating an inverse population is played by such plasma parameters as the concentration of atoms of the working substance n a , the electron concentration n e and the electron temperature Te . The concentration of atoms of the working substance in self-heating lasers is determined by thermal heating of the working volume of the laser tube during the dissipation of gas discharge energy. According to Jerry's theory, the power of generation [5]
P gene = [n a n e <σ 13 ν e > -n a n e <σ 12 ν e >] / 2, (1)
where <σ 13 ν e >, <σ 12 ν e > are the rates of excitation of the upper and lower laser levels by electron impact from the ground state. Excitation rates are directly related to the electron temperature, which is determined by the voltage applied to the laser tube. The maximum lasing power is realized at the maximum value of the first term and the minimum value of the second term of the given expression (1). In practice, this is achieved by optimizing the parameters of the excitation pulse. In pulse-periodic lasers operating with a high pulse repetition rate, the plasma does not have time to completely recombine. Therefore, before the excitation pulse there is a relatively high residual electron concentration, of the order of 10 12 10 13 / cm 3 . If we introduce an additional pulse before the excitation pulse, which, on the contrary, is optimized so that the second term is maximum and the first term of expression (1) is minimum, then inversion will not occur in the active medium when an additional pulse passes. Since the lower laser level in lasers at self-limited transitions is metastable, with a lifetime of the order of 10 -5 s, when an excitation pulse is applied immediately after an additional pulse, inversion will not occur in the active medium even if an excitation pulse is applied. If an additional pulse is placed in front of the excitation pulse with a delay equal to the settling time of the lower laser level, then this is equivalent to the initial condition (in the absence of an additional pulse or it is placed behind the generation pulse). In this case, the maximum energy of the generation pulse is realized. By changing the delay between the additional and exciting pulses, it is possible to control the energy characteristics of the generation from zero to the maximum value. It has been experimentally established that an additional pulse satisfies the above requirements with a voltage amplitude of a selectable constant within 15 50% of the voltage pulse amplitude of the excitation pulse. When the temporary location of the additional pulse gradually changes from the moment of the generation pulse to the side of the previous excitation pulse, the average generation power changes from the maximum value to zero and then increases from zero to the maximum value. In this case, the decrease in average power from the maximum value to zero occurs more sharply than an increase from zero to the maximum value.
Это объясняется тем, что в первом случае изменение средней мощности происходит за счет заселения нижнего уровня при прохождении дополнительного импульса, а во втором случае релаксацией населенности нижнего рабочего уровня после прохождения дополнительного импульса. This is explained by the fact that in the first case, the change in average power occurs due to the population of the lower level during the passage of the additional pulse, and in the second case, the relaxation of the population of the lower working level after the passage of the additional pulse.
Способ можно реализовать следующим образом. The method can be implemented as follows.
На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего данный способ, где изображены регулируемые высоковольтные источники питания 1, 2, генератор запускающих импульсов 3, коммутаторы 4, 5, линии задержки 6, 7(в качестве которых можно использовать, например, ждущие мультивибраторы), резонатор 8, лазерная трубка 9, зарядная индуктивность 10, рабочие емкости 11, 12. In FIG. 1 shows a block diagram of a device that implements this method, which depicts adjustable high-
Лазер работает следующим образом. The laser operates as follows.
От регулируемого высоковольтного источника питания 1 заряжается рабочая емкость 11, а от регулируемого высоковольтного источника питания 2 заряжается рабочая емкость 12. Емкости заряжаются через зарядную индуктивность 10. Генератор запускающих импульсов 3 через линию задержки 6 запускает коммутатор 4, который формирует импульсы возбуждения на лазерной трубке 9, помещенной в резонатор 8. Параллельно генератор запускающих импульсов 3 через линию задержки 7 (регулируемая линия задержки) запускает коммутатор 5, который формирует на лазерной трубке 9 дополнительный импульс. A working capacitance 11 is charged from an adjustable high-voltage power source 1, and a working capacitance is charged from an adjustable high-
Настройка лазера производится следующим образом. Laser tuning is as follows.
Включают оба источника питания 1, 2, разогревают рабочий объем лазерной трубки 9 до рабочей температуры, с помощью регистрирующей аппаратуры регистрируют импульсы напряжения, тока, генерации, рабочую температуру. С помощью линии задержки 7 начало дополнительного импульса совмещают с моментом появления генерации. Затем проводят настройку лазера по возбуждению, подбирая оптимальные параметры возбуждающего импульса. После настройки лазера по возбуждению, получив максимальный энергосъем с лазерной трубки, с помощью регулируемого источника 2 устанавливают амплитуду напряжения дополнительного импульса в пределах 15 50% амплитуды напряжения импульса возбуждения. При этом должно выполняться условие: (E1 + E2)f P, где E1 и E2 соответственно энергии дополнительного и возбуждающего импульсов, f частота следования импульсов, P мощность, ч необходиммая для разогрева и поддержания рабочего объема лазерной трубки при рабочей температуре. Выполнение этого условия необходимо, чтобы сохранялся тепловой режим работы лазера. Изменением задержки (линия задержки 7) можно осуществлять управление энергетическими характеристиками генерации от максимального значения до нуля.Both
Практически реализация данного способа была осуществлена авторами в лазере на парах меди. В качестве активного элемента использовалась промышленная лазерная трубка УЛ-102 "Квант", рабочий канал которой изготовлен из алундовой керамики Al2O3 диаметром 20 мм и длиной 400 мм. Давление буферного газа неон-400 Торр. Номинальная средняя мощность по паспорту завода-изготовителя составляет 5 Вт на двух линиях генерации (510,6 и 578,2 нм) при частоте следования импульсов генерации 8 кГц.Practically the implementation of this method was carried out by the authors in a copper vapor laser. An UL-102 Quantum industrial laser tube was used as an active element, the working channel of which was made of alundum ceramics Al 2 O 3 with a diameter of 20 mm and a length of 400 mm. Buffer gas pressure neon-400 Torr. The rated average power according to the manufacturer’s passport is 5 W on two generation lines (510.6 and 578.2 nm) at a pulse repetition rate of 8 kHz.
В качестве коммутаторов использовались тиратроны ТГИЗ-500/20, в качестве линий задержки два ждущих мультивибратора, которые запускались от одного генератора. The TGIZ-500/20 thyratrons were used as switches, and two waiting multivibrators, which were launched from a single generator, were used as delay lines.
Рабочее напряжение на выпрямителе источника питания, формирующего импульс возбуждения, было 5 кВ, рабочая емкость 3300 пф, частота следования импульсов возбуждения 8 кГц, потребляемая мощность от выпрямителя 1,5 кВт. The operating voltage at the rectifier of the power source generating the excitation pulse was 5 kV, the operating capacitance was 3300 pF, the pulse repetition rate was 8 kHz, and the power consumption from the rectifier was 1.5 kW.
Рабочее напряжение на выпрямителе источника питания, формирующего дополнительный импульс, было 750 В, рабочая емкость 3300 пФ, потребляемая мощность от выпрямителя 100 Вт. The operating voltage at the rectifier of the power source forming the additional pulse was 750 V, the operating capacitance was 3300 pF, and the power consumption from the rectifier was 100 W.
При данных параметрах возбуждающего и дополнительного импульсов и помещении дополнительного импульса в момент импульса генерации была получена средняя мощность генерации 5 Вт на двух линиях генерации (510,6 и 578,2 нм). При изменении задержки в указанных выше пределах между дополнительным и возбуждающим импульсами осуществлялось управление средней мощности генерации и энергии генерации в импульсе от максимального значения до нуля. При этом в начале происходит уменьшение энергии генерации на длине волны 510,6 нм, затем на длине волны 578,2 нм. With these parameters of the exciting and additional pulses and the placement of the additional pulse at the time of the generation pulse, an average output power of 5 W was obtained on two generation lines (510.6 and 578.2 nm). When the delay was changed in the above range between the additional and exciting pulses, the average generation power and the generation energy in the pulse were controlled from the maximum value to zero. In this case, at the beginning, the generation energy decreases at a wavelength of 510.6 nm, then at a wavelength of 578.2 nm.
При управлении лазером от ЭВМ можно осуществлять управление выходными параметрами по заданному заранее закону, например, изменять частоту следования импульсов генерации, осуществлять любую последовательность импульсов генерации, осуществлять переключение по линиям генерации, задавать определенное значение энергии генерации в импульсе, управлять средней мощностью генерации и т.д. When controlling a laser from a computer, it is possible to control the output parameters according to a predetermined law, for example, to change the repetition rate of the generation pulses, to carry out any sequence of generation pulses, to switch along the generation lines, to set a certain value of the generation energy per pulse, to control the average generation power, etc. d.
На фиг. 2 приведены полученные при испытаниях зависимости суммарной средней мощности генерации лазера на парах меди, а также в каждой линии генерации (510,6 и 578,2 нм) от величины временного интервала между дополнительным импульсом и импульсом возбуждения. Начало отсчета от момента начала импульса генерации. In FIG. Figure 2 shows the dependences obtained during testing of the total average output power of a copper vapor laser and in each generation line (510.6 and 578.2 nm) on the time interval between the additional pulse and the excitation pulse. The origin from the moment the start of the generation pulse.
Данное техническое решение позволяет значительно расширить функциональные возможности лазеров на самоограниченных переходах. This technical solution allows you to significantly expand the functionality of lasers on self-limited transitions.
Представляет интерес практически во всех областях, где нашли применения данные лазеры. It is of interest in almost all areas where these lasers are used.
Claims (1)
(E1 + E2)f P,
где E1 энергия импульса возбуждения;
E2 энергия дополнительного импульса;
f частота следования импульсов возбуждения;
P мощность, необходимая для разогрева рабочего объема лазера и поддержания его при рабочей температуре,
отличающийся тем, что управление энергетическими характеристиками генерации осуществляется за счет изменения временного расположения дополнительного импульса относительно импульса возбуждения от момента начала импульса генерации в сторону предыдущего импульса возбуждения, при этом амплитуду напряжения дополнительного импульса выбирают постоянной в пределах 15 50% амплитуды напряжения импульса возбуждения.The method of excitation of pulsed lasers at self-limited transitions operating in the self-heating mode, which consists in the formation with each pulse of the excitation of one additional pulse with an adjustable delay between pulses, while observing the condition
(E 1 + E 2 ) f P,
where E 1 the energy of the excitation pulse;
E 2 energy of an additional impulse;
f repetition rate of the excitation pulses;
P the power required to heat the working volume of the laser and maintain it at operating temperature,
characterized in that the energy characteristics of the generation are controlled by changing the temporal location of the additional pulse relative to the excitation pulse from the moment the generation pulse starts to the side of the previous excitation pulse, while the voltage amplitude of the additional pulse is chosen constant within 15-50% of the amplitude of the excitation pulse voltage.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5035482 RU2082263C1 (en) | 1992-04-02 | 1992-04-02 | Method for driving self-limited-junction pulsed lasers |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5035482 RU2082263C1 (en) | 1992-04-02 | 1992-04-02 | Method for driving self-limited-junction pulsed lasers |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2082263C1 true RU2082263C1 (en) | 1997-06-20 |
Family
ID=21600911
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5035482 RU2082263C1 (en) | 1992-04-02 | 1992-04-02 | Method for driving self-limited-junction pulsed lasers |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2082263C1 (en) |
-
1992
- 1992-04-02 RU SU5035482 patent/RU2082263C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1. Исаев А.А. и др. Эффективный импульсный лазер на парах меди с высокой средней мощностью генерации. // Письма в ЖТФ, 1972, т. 16, с. 40. 2. Солдатов А.Н., Федоров В.Ф. Лазер на парах меди со стабилизированными выходными характеристиками. // Квантовая электроника, 1983, т. 10, с. 974 - 976. 3. Исаев А.А. Кинетика возбуждения рабочих уровней лазера на парах меди в режиме сдвоенных импульсов. // Квантовая злектроника, 1988, т. 15, с. 2510. 4. Солдатов А.Н., Соломонов В.И. Газоразрядные лазеры на самоограниченных переходах в парах металлов. - Новосибирск: Наука, 1985, с. 93. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3353253B2 (en) | Gas pulse laser play-on device | |
US5313487A (en) | Discharge excitation gas laser apparatus | |
US5107510A (en) | Apparatus and method for burst-mode operation of a pulsed laser | |
Hubbard et al. | Simulation and design of stable channel-guided laser wakefield accelerators | |
Den Hartog et al. | Pulse-burst operation of standard Nd: YAG lasers | |
EP0075581B1 (en) | A plasma-recombination laser having high power output | |
RU2082263C1 (en) | Method for driving self-limited-junction pulsed lasers | |
Little et al. | Average-power scaling of self-heated Sr/sup+/afterglow recombination lasers | |
US6535540B1 (en) | Discharge device for pulsed laser | |
RU2251179C2 (en) | Method and device for exciting self-restrained and self-heated metal atom junction pulsing lasers | |
US5140602A (en) | Pulsed power modulator circuit for a Q-switched chemical laser | |
Cirkel et al. | Excimer lasers with large discharge cross section | |
El-Osealy et al. | Gain characteristics of longitudinally excited F2 lasers | |
US3757251A (en) | Laser direct current auxiliary ionization of an axially excited flowing gas | |
RU2242828C2 (en) | Method for exciting self-limited-junction pulsed laser | |
US3491309A (en) | Pulsed carbon dioxide laser with high voltage gradient and high gas pressure | |
Bokhan et al. | Investigation of the energy characteristics of a copper vapor laser with a longitudinal discharge | |
JP3771690B2 (en) | Pulse laser discharge circuit | |
Little et al. | Development Of Efficient High-Power Violet Sr [sup]+[/sup] And Ultraviolet Ca [sup]+[/sup] Recombination Lasers | |
JP3432854B2 (en) | Pulse gas laser oscillator | |
SU1101130A1 (en) | Method of exciting pulse laser | |
Jitsuno | A nitrogen ion laser pumped by a rapid discharge | |
RU2230409C2 (en) | Pulsed chemical element vapor laser | |
Antyukhov et al. | Pulse-periodic waveguide CO2 laser excited by an ac capacitative discharge | |
Kodymova et al. | Peak-power enhancement and power conservation in magnetically gained modulated chemical oxygen-iodine laser |