RU2204875C2 - Method for exciting gas laser with pulse-periodic high-frequency voltage - Google Patents

Method for exciting gas laser with pulse-periodic high-frequency voltage Download PDF

Info

Publication number
RU2204875C2
RU2204875C2 RU2001122611/28A RU2001122611A RU2204875C2 RU 2204875 C2 RU2204875 C2 RU 2204875C2 RU 2001122611/28 A RU2001122611/28 A RU 2001122611/28A RU 2001122611 A RU2001122611 A RU 2001122611A RU 2204875 C2 RU2204875 C2 RU 2204875C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
pulse
generator
discharge
frequency
Prior art date
Application number
RU2001122611/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.Ф. Лазукин
С.И. Морозов
С.Л. Погорельский
А.В. Сбродов
А.Г. Шипунов
Original Assignee
Государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро приборостроения"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро приборостроения" filed Critical Государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро приборостроения"
Priority to RU2001122611/28A priority Critical patent/RU2204875C2/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2204875C2 publication Critical patent/RU2204875C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: quantum electronics; electrically excited gas-discharge laser systems. SUBSTANCE: method used in developing high-frequency excited CO2 laser involves laser pumping with incompletely matched active element impedance of laser and output resistance of high-frequency oscillator operating at fixed frequency in pulse-periodic mode with controlled radio-pulse on-off time ratio Q. Reliable firing of high-frequency gas discharge is ensured by building up high peak power at output of high-frequency oscillator, safe thermal conditions for output transistors being provided due to adequate choice of radio-pulse on-off time ratio Q. In addition radio pulse repetition rate is set at level not to exceed deionization time. Upon firing discharge in radiator discharge gap on-off time ratio Q is controlled to set desired mode of laser radiation. Method provides for simple and effective control of laser radiation modes and simplified matching mode. EFFECT: enhanced efficiency and operating reliability of high-frequency oscillator. 1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к газоразрядным лазерным системам с электрическим возбуждением, и может быть использовано при разработке и эксплуатации СО2-лазера с ВЧ-возбуждением.The invention relates to quantum electronics, in particular to gas-discharge laser systems with electric excitation, and can be used in the development and operation of a CO 2 laser with RF excitation.

Известны способы возбуждения СО2-лазера при помощи системы, содержащей ВЧ-генератор, кабель питания, схему согласования и газоразрядную трубку. При этом для ввода мощности накачки в газовый промежуток используют режим полного согласования импеданса активного элемента лазера с выходным сопротивлением ВЧ-генератора, который вырабатывает напряжение на рабочей частоте. Кроме того, высокий уровень электрического поля, необходимый для инициирования разряда, создают за счет резонансного увеличения ВЧ-напряжения в резонансном контуре схемы согласования.Known methods for exciting a CO 2 laser using a system comprising an RF generator, a power cable, a matching circuit, and a gas discharge tube. In this case, to enter the pump power into the gas gap, the mode of completely matching the impedance of the active element of the laser with the output impedance of the RF generator, which generates voltage at the operating frequency, is used. In addition, the high level of the electric field necessary to initiate the discharge is created due to the resonant increase in the RF voltage in the resonance circuit of the matching circuit.

Переход от режима инициирования разряда к режиму полного согласования осуществляют при помощи изменения импеданса схемы согласования при неизменной величине частоты накачки, как описано в патенте на систему ВЧ-накачки лазера [1]. Такой переход осуществляют также с помощью изменения частоты напряжения ВЧ-генератора при неизменных параметрах схемы согласования, как приведено в патенте на систему накачки газовых приборов с ВЧ-возбуждением [2] и в патенте на источник накачки волноводного СO2-лазера с разверткой частоты [3].The transition from the mode of initiation of the discharge to the mode of full matching is carried out by changing the impedance of the matching circuit at a constant pump frequency, as described in the patent for the RF RF pump system [1]. Such a transition is also carried out by changing the frequency of the RF generator voltage at constant parameters of the matching circuit, as shown in the patent for a pump system for gas devices with RF excitation [2] and in the patent for a pump source of a waveguide CO 2 laser with a frequency sweep [3 ].

Недостатки таких способов возбуждения заключаются в низком кпд ВЧ-генератора, сложности обеспечения режима полного согласования и недостаточной надежности работы лазера в связи с трудностью обеспечения тепловой безопасности транзисторов ВЧ-генератора. The disadvantages of such methods of excitation are the low efficiency of the RF generator, the difficulty of ensuring full matching and the lack of reliability of the laser due to the difficulty of ensuring the thermal safety of the transistors of the RF generator.

Известен способ возбуждения на разных частотах, приведенный в авт.свид. на способ возбуждения газового лазера и устройстве для его осуществления [4] , в котором надежность работы лазера увеличивают за счет введения в устройство возбуждения средств слежения за изменением величины рассогласования и средств управления частотой ВЧ-генератора. Недостатки такого способа возбуждения заключаются в низком кпд ВЧ-генератора и повышенной сложности устройства возбуждения. A known method of excitation at different frequencies, given in autosvid. on a method for exciting a gas laser and a device for its implementation [4], in which the reliability of the laser is increased by introducing into the excitation device means for monitoring the change in the mismatch and means for controlling the frequency of the RF generator. The disadvantages of this method of excitation are the low efficiency of the RF generator and the increased complexity of the excitation device.

Наиболее близким техническим решением является способ возбуждения газового лазера непрерывным ВЧ-напряжением фиксированной частоты, приведенный в патенте на волноводный газовый лазер с ВЧ-накачкой [5]. Напряжение ВЧ-генератора подается по кабелю питания длиной λ/4 на первичную обмотку повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого входит в резонансный контур согласования. Дополнительное увеличение уровня ВЧ-напряжения получают за счет применения кабеля питания длиной λ/4, величина волнового сопротивления которого выше величины выходного сопротивления ВЧ-генератора. До зажигания разряда величину ВЧ-мощности устанавливают на уровне, достаточном для зажигания газовой среды лазера и обеспечивающем тепловую безопасность выходных транзисторов ВЧ-генератора. После возникновения разряда уровень выходной мощности ВЧ-генератора плавно увеличивают до максимального значения за время не менее 1 мс. The closest technical solution is the method of excitation of a gas laser by continuous RF voltage of a fixed frequency, described in the patent for a waveguide gas laser with RF pump [5]. The voltage of the RF generator is supplied through a power cable of length λ / 4 to the primary winding of the step-up transformer, the secondary winding of which is included in the resonance matching circuit. An additional increase in the level of RF voltage is obtained through the use of a power cable with a length of λ / 4, the value of the wave impedance of which is higher than the output resistance of the RF generator. Prior to ignition of the discharge, the value of the RF power is set at a level sufficient to ignite the gas medium of the laser and ensuring the thermal safety of the output transistors of the RF generator. After the discharge occurs, the output power level of the RF generator smoothly increases to a maximum value in a time of at least 1 ms.

Недостаток такого способа возбуждения заключается в невысоком кпд ВЧ-генератора и невысокой надежности работы лазера в связи с трудностью обеспечения тепловой безопасности выходных транзисторов ВЧ-генератора. The disadvantage of this method of excitation is the low efficiency of the RF generator and the low reliability of the laser due to the difficulty of ensuring the thermal safety of the output transistors of the RF generator.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение кпд ВЧ-генератора, повышение надежности его работы за счет обеспечения тепловой безопасности выходных транзисторов, упрощение режима согласования, а также введение возможности простого и эффективного управления режимами излучения лазера. The objective of the invention is to increase the efficiency of the RF generator, increasing the reliability of its operation by ensuring the thermal safety of the output transistors, simplifying the matching mode, as well as introducing the possibility of simple and effective control of laser radiation modes.

Поставленная задача достигается, во-первых, за счет введения режима неполного согласования, а именно за счет введения расссогласования между активной составляющей импеданса лазерной головки и выходного сопротивления ВЧ-генератора, что приводит и к увеличению кпд ВЧ-генератора, и к упрощению режима согласования. И, во-вторых, за счет того, что для возбуждения лазера применяют импульсно-периодическое ВЧ-напряжение фиксированной частоты с управляемой скважностью Q (радиоимпульсы). Это позволяет установить величину пиковой выходной мощности ВЧ-генератора на уровне, достаточном для надежного зажигания газового высокочастотного разряда, и обеспечить тепловую безопасность выходных транзисторов, а также дает возможность ввести управление режимами излучения лазера после установления газового разряда. The problem is achieved, firstly, by introducing an incomplete matching mode, namely by introducing a mismatch between the active component of the impedance of the laser head and the output impedance of the RF generator, which leads to an increase in the efficiency of the RF generator and to simplification of the matching mode. And, secondly, due to the fact that a pulse-periodic RF voltage of a fixed frequency with a controlled duty cycle Q (radio pulses) is used to excite the laser. This allows you to set the peak output power of the RF generator to a level sufficient for reliable ignition of the gas high-frequency discharge, and to ensure the thermal safety of the output transistors, and also makes it possible to enter control of the laser radiation modes after the gas discharge is established.

Известно, что при работе лазера в режиме полного согласования, ВЧ-генератор нагружен на сопряженную нагрузку, т.е. активные составляющие импеданса лазерного излучателя и выходного сопротивления ВЧ-генератора равны, а реактивные составляющие равны и противоположны по знаку. It is known that when the laser is in full matching, the RF generator is loaded on the conjugate load, i.e. the active components of the impedance of the laser emitter and the output impedance of the RF generator are equal, and the reactive components are equal and opposite in sign.

Известно также, что кпд ВЧ-генератора в режиме полного согласования определяется отношением активной составляющей сопротивления нагрузки (импеданса активного элемента лазера) к сумме активных составляющих сопротивления нагрузки и выходного сопротивления ВЧ-генератора, и величина кпд в этом случае составляет 50%. It is also known that the efficiency of the RF generator in full matching is determined by the ratio of the active component of the load resistance (impedance of the active element of the laser) to the sum of the active components of the load resistance and output resistance of the RF generator, and the efficiency in this case is 50%.

При неизменной величине сопротивления нагрузки можно получить величину кпд выше 50% за счет уменьшения величины выходного сопротивления ВЧ-генератора. With a constant value of the load resistance, it is possible to obtain an efficiency value above 50% by reducing the output resistance of the RF generator.

Применение режима неполного согласования приводит к упрощению схемы согласования, поскольку с ее помощью осуществляется теперь согласование только реактивных составляющих импеданса активного элемента лазера и выходного сопротивления ВЧ-генератора. Как известно, цель неполного согласования минимизировать возможное возрастание коэффициента стоячей волны, чтобы избежать превышения допустимого уровня коллекторного напряжения на выходных транзисторах ВЧ-генератора и не допустить выхода их из строя. The use of the regime of incomplete matching leads to a simplification of the matching circuit, since now it only matches the reactive components of the impedance of the active element of the laser and the output impedance of the RF generator. As you know, the goal of incomplete coordination is to minimize the possible increase in the standing wave coefficient in order to avoid exceeding the permissible collector voltage level at the output transistors of the RF generator and to prevent their failure.

Кроме того, известно что, если до зажигания газового разряда ВЧ-генератор будет работать в непрерывном режиме на фиксированной частоте, то в условиях отсутствия согласования величина мощности рассеяния на выходных транзисторах Ppacc1 практически в два раза превысит номинальный уровень. Это вызовет температурный перегрев. Иначе говоря, температура структуры транзисторов превысит критическое значение, а это значит, что величина пробивного напряжения на коллекторном переходе опустится ниже уровня питающего напряжения, что как следствие приведет к выходу из строя выходных транзисторов.In addition, it is known that if, before ignition of a gas discharge, the RF generator will operate continuously at a fixed frequency, then in the absence of coordination, the magnitude of the dissipation power at the output transistors P pacc1 will almost double the nominal level. This will cause temperature overheating. In other words, the temperature of the structure of the transistors will exceed a critical value, which means that the breakdown voltage at the collector junction will drop below the supply voltage, which will lead to failure of the output transistors.

Для того чтобы избежать температурного перегрева, используют импульсно-периодический режим работы ВЧ-генератора с изменяемой скважностью радиоимпульсов Q. В этом режиме величина температуры выходных транзисторов Ттр связана с величиной скважности Q обратно пропорциональной зависимостью:
Tтр≅To+Pрасс/CQ, (1)
где То - величина температуры окружающей среды; Ррасс - величина пиковой мощности, рассеиваемой на выходных транзисторах ВЧ-генератора; С - средняя теплоемкость выходных транзисторов (по определению равная отношению количества полученного тепла к разности конечной и начальной температур).
In order to avoid temperature overheating, use is made of a pulse-periodic mode of operation of an RF generator with a variable duty cycle of radio pulses Q. In this mode, the value of the temperature of the output transistors T tr is related to the duty cycle Q inversely proportional to:
T tr ≅T o + P ras / CQ, (1)
where T about - the value of the ambient temperature; R rac - the magnitude of the peak power dissipated at the output transistors of the RF generator; C is the average heat capacity of the output transistors (by definition, equal to the ratio of the amount of heat received to the difference between the final and initial temperatures).

То - постоянная величина; С - тоже постоянная величина для конкретного транзистора; Ррасс может принимать два разных значения: Ррасс1- до зажигания газового разряда и Ррасс2 - после возникновения разряда, при этом Ррасс2 меньше Ррасс1.T about - a constant value; C is also a constant value for a particular transistor; P ras can take two different values: P ras1 - before the ignition of the gas discharge and P ras2 - after the occurrence of the discharge, while P ras2 is less than R ras1 .

До момента возникновения разряда в газовой среде лазера существуют два критических значения скважности Qкр1 и Qкр2. Во-первых, из формулы (1) видно, что существует значение скважности Qкр1 такое, что при Q≥Qкр1 температура выходных транзисторов Ттр не будет превышать критического уровня. И, во-вторых, для ВЧ-генератора существует значение Qкр2 такое, что при Q≥Qкр2 величина выходной пиковой мощности недостаточна для зажигания разряда.Until a discharge occurs in the gas medium of the laser, there are two critical values of duty cycle Q cr1 and Q cr2 . Firstly, it can be seen from formula (1) that there is a duty cycle Q cr1 such that at Q≥Q cr1 the temperature of the output transistors T Tr will not exceed a critical level. And secondly, for the RF generator there is a value of Q kr2 such that at Q≥Q kr2 the magnitude of the output peak power is insufficient to ignite the discharge.

Ясно, что для работы лазера выбирают ВЧ-генератор с высоким уровнем выходной пиковой мощности, обеспечивающим выполнение условия Qкp2>Qкp1. Тогда зажигание разряда происходит при значении скважности Qз, удовлетворяющем условию Qкр1< Qз<Qкр2.It is clear that for the operation of the laser, an RF generator with a high level of output peak power is selected that ensures the fulfillment of the condition Q kp2 > Q kp1 . Then the discharge ignition occurs when the duty cycle Q z satisfying the condition Q kr1 <Q s <Q kr2 .

После зажигания разряда величина мощности рассеяния на выходных транзисторах уменьшается до уровня Ррасс2 и соответственно уменьшается критическое значение скважности Qкp1 до минимального уровня Qmin. Ясно, что существует и максимальное (пороговое) значение скважности Qпop, при котором величина выходной пиковой мощности ВЧ-генератора становится недостаточной для генерации излучения. Таким образом, генерация излучения лазера происходит при величине скважности Qг, лежащей в области значений Qmin<Qг<Qпop.After ignition of the discharge, the magnitude of the power dissipation at the output transistors decreases to the level P rac2 and, accordingly, the critical value of the duty cycle Q kp1 decreases to the minimum level Q min . It is clear that there is also a maximum (threshold) value of the duty cycle Q pop at which the value of the output peak power of the RF generator becomes insufficient to generate radiation. Thus, the generation of laser radiation occurs when the duty cycle Q g lying in the range of Q min <Q g <Q pop .

Кроме того, если величину скважности устанавливают выше порогового уровня Qпop, но ниже Qкр2, то разряд горит, а на выходе лазера излучения нет. Следовательно, можно сказать, что лазер работает в ждущем режиме при значении скважности Qж, удовлетворяющем условию Qпор<Qж<Qкр2.In addition, if the duty cycle is set above the threshold level Q pop , but below Q cr2 , then the discharge is on, but there is no radiation at the laser output. Therefore, it can be said that the laser is in standby mode with a duty cycle value Q w satisfying the condition Q pore <Q w <Q cr2 .

Применение импульсно-периодического ВЧ-сигнала для возбуждения лазера обусловлено тем, что в активной газовой среде лазерного излучателя существуют эффект остаточной ионизации и эффект послесвечения. Необходимое условие возникновения разряда заключается в том, что период следования радиоимпульсов не должен превышать времени деионизации. Излучение лазера может быть квазинепрерывным, импульсным или импульсно-периодическим. В частности, квазинепрерывный режим излучения лазера получают в случае, когда период следования радиоимпульсов возбуждения не превышает времени послесвечения. The use of a repetitively pulsed RF signal to excite a laser is due to the fact that there is a residual ionization effect and an afterglow effect in the active gas medium of the laser emitter. A necessary condition for the occurrence of a discharge is that the period of the radio pulses should not exceed the deionization time. Laser radiation can be quasicontinuous, pulsed, or pulsed-periodic. In particular, a quasi-continuous regime of laser radiation is obtained in the case when the repetition period of the excitation radio pulses does not exceed the afterglow time.

Кроме того, величина средней мощности излучения Ризл в квазинепрерывном режиме пропорциональна средней мощности возбуждения, которая, в свою очередь, равна величине отношения пиковой мощности возбуждения Рнак к скважности Q, т. е. можно записать, что:
Ризлнак/Q. (2)
Известно, что когда лазер находится в рабочем режиме, уровень Рнак остается практически неизменным. Тогда из формулы (2) следует, что, устанавливая величину скважности радиоимпульсов в пределах от пороговой Qпop до минимальной Qmin, получают среднюю величину выходной мощности излучения лазера Ризл в диапазоне от пороговой до максимальной Рmax.
In addition, the value of the average radiation power P rad in quasi-continuous mode is proportional to the average excitation power, which, in turn, is equal to the ratio of the peak excitation power P n to duty cycle Q, i.e., it can be written that:
P ~ P nak rad / Q. (2)
It is known that when the laser is in the operating mode, the level of P nak remains almost unchanged. Then it follows from formula (2) that, by setting the duty cycle of radio pulses ranging from a threshold Q pop to a minimum Q min, an average value of the laser output power P rad in the range from threshold to maximum P max is obtained.

Таким образом, введение управления величиной Q позволяет устанавливать разные режимы излучения лазера: ждущий, импульсный, импульсно-периодический и квазинепрерывный с требуемой величиной мощности излучения Ризл.Thus, the introduction of control of the value of Q allows you to set different modes of laser radiation: standby, pulsed, pulse-periodic and quasi-continuous with the desired value of the radiation power P rad .

Сущность изобретения заключается в том, что возбуждение лазера осуществляют в условиях неполного согласования между импедансом активного элемента лазера и выходным сопротивлением ВЧ-генератора, работающего на фиксированной частоте в импульсно-периодическом режиме с управляемой скважностью радиоимпульсов Q. Надежное зажигание газового высокочастотного разряда обеспечивают при помощи создания высокой величины пиковой мощности на выходе ВЧ-генератора, при этом безопасность теплового режима работы выходных транзисторов осуществляют за счет выбора величины скважности радиоимпульсов Qз. Кроме того, величину периода следования радиоимпульсов устанавливают на уровне, не превышающем время деионизации. После зажигания разряда в газовом промежутке излучателя управление величиной скважности Q используют для установления требуемого режима излучения лазера.The essence of the invention lies in the fact that the excitation of the laser is carried out under conditions of incomplete coordination between the impedance of the active element of the laser and the output impedance of an RF generator operating at a fixed frequency in a pulse-periodic mode with a controlled duty cycle of radio pulses Q. Reliable ignition of a gas high-frequency discharge is achieved by creating high values of peak power at the output of the RF generator, while the safety of the thermal operation of the output transistors is carried out due to the choice of the duty cycle of the radio pulses Q s . In addition, the magnitude of the repetition period of radio pulses is set at a level not exceeding the deionization time. After ignition of the discharge in the gas gap of the emitter, the control of the duty cycle Q is used to establish the desired laser radiation mode.

На фиг.1 изображена схема устройства возбуждения лазера. Figure 1 shows a diagram of a laser excitation device.

На фиг. 2 показана схема параллельного соединения мощных транзисторов в выходной цепи ВЧ-генератора с помощью LC-филътров. In FIG. Figure 2 shows the parallel connection of high-power transistors in the output circuit of an RF generator using LC filters.

На фиг. 3 приведены эпюры, поясняющие работу устройства в квазинепрерывном режиме:
а) амплитуда напряжения на электродах лазерного излучателя Uэл в зависимости от времени t, где Uз, Up - амплитуды радиоимпульсов на электродах до зажигания и после зажигания соответственно; τз, τ - длительность радиоимпульсов до зажигания и после зажигания соответственно; tп - период следования радиоимпульсов;
б) скважность радиоимпульсов Q в зависимости от времени t, где Qз - скважность до зажигания разряда, Qт - скважность, соответствующая требуемой мощности излучения лазера, Qmin - минимальная скважность; tз - момент зажигания газовой среды лазерного излучателя; tт - момент установки требуемой величины мощности излучения лазера;
в) мощность излучения лазера Ризл в зависимости от времени t, где Рнач - начальный уровень мощности излучения лазера (Q=Qз); Рт - требуемая мощность излучения (Q=Qт); Pmах - максимальный уровень мощности излучения (Q=Qmin);
г) температура на выходных транзисторах Ттр в зависимости от времени t, где T1, Т2, Тт - температура транзисторов до зажигания разряда, после его установления и при требуемом уровне мощности излучения лазера Рт соответственно; Тном - номинальная температура транзисторов (при Pизл=Pmах); То - температура окружающей среды.
In FIG. Figure 3 shows diagrams explaining the operation of the device in quasi-continuous mode:
a) the amplitude of the voltage at the electrodes of the laser emitter U el depending on the time t, where U s , U p are the amplitudes of the radio pulses on the electrodes before ignition and after ignition, respectively; τ s , τ - the duration of the radio pulses before ignition and after ignition, respectively; t p - the period of the following radio pulses;
b) the duty cycle of radio pulses Q depending on time t, where Q s is the duty cycle before ignition of the discharge, Q t is the duty cycle corresponding to the required laser radiation power, Q min is the minimum duty cycle; t s - the moment of ignition of the gas medium of the laser emitter; t t - the moment of installation of the required value of the laser radiation power;
c) the radiation power of the laser P rad depending on the time t, where P beg - the initial level of laser radiation power (Q = Q s ); P t - the required radiation power (Q = Q t ); P max - the maximum level of radiation power (Q = Q min );
d) the temperature at the output transistors T Tr , depending on the time t, where T 1 , T 2 , T t is the temperature of the transistors before the discharge is ignited, after it is established and at the required laser radiation power level R t, respectively; T nom - nominal temperature transistors (rad at P = P max); T about - the ambient temperature.

Предложенный способ поясняется схемой устройства возбуждения лазера, изображенной на фиг. 1. Устройство состоит из последовательно соединенных схемы управления скважностью импульсов 1, генератора импульсов 2, ВЧ-генератора 3, кабеля 4 питания длиной λ/4, схемы согласования 5 и лазерного излучателя 6. The proposed method is illustrated by a diagram of a laser excitation device shown in FIG. 1. The device consists of series-connected circuits for controlling the duty cycle of pulses 1, a pulse generator 2, an RF generator 3, a power cable 4 of length λ / 4, a matching circuit 5, and a laser emitter 6.

Устройство для осуществления способа работает следующим образом. При включении устройства генератор импульсов 2 со схемой управления скважностью 1 производит амплитудную модуляцию высокочастотного сигнала ВЧ-генератора 3 импульсами прямоугольной формы с величиной скважности Qз. Полученное импульсно-периодическое высокочастотное напряжение с выхода ВЧ-генератора 3 (радиоимпульсы) по кабелю питания 4 с величиной волнового сопротивления 50 Ом и длиной λ/4 через схему согласования 5 поступает на электроды лазерного излучателя 6. Величина пиковой мощности ВЧ-генератора 3 достаточна для зажигания разряда в газовой среде лазера. В то же время, установленная величина скважности радиоимпульсов Qз обеспечивает безопасный тепловой режим работы выходных транзисторов ВЧ-генератора 3. Кроме того, установленный период следования радиоимпульсов tп не превышает времени деионизации. После возникновения высокочастотного разряда изменение режимов излучения и управление величиной выходной мощности лазера Ризл осуществляют с помощью схемы управления скважностью 1.A device for implementing the method works as follows. When you turn on the device, the pulse generator 2 with the duty cycle control circuit 1 performs amplitude modulation of the high-frequency signal of the RF generator 3 by rectangular pulses with a duty cycle Q s . The resulting pulse-periodic high-frequency voltage from the output of the RF generator 3 (radio pulses) through the power cable 4 with a wave impedance of 50 Ohms and a length λ / 4 through the matching circuit 5 is supplied to the electrodes of the laser emitter 6. The peak power of the RF generator 3 is sufficient for ignition discharge in a laser gas environment. At the same time, the set value of the duty cycle of the radio pulses Q s provides a safe thermal mode of operation of the output transistors of the RF generator 3. In addition, the established period of the following radio pulses t p does not exceed the deionization time. After the occurrence of a high-frequency discharge, the change in the radiation regimes and the control of the output power of the laser P rad are performed using the duty cycle control circuit 1.

Достаточную для зажигания разряда мощность ВЧ-генератора получают за счет параллельного включения идентичных, мощных выходных транзисторов. На фиг.2 показан пример такого включения. Работа ВЧ-генератора на фиксированной частоте упрощает сложение мощностей транзисторов. Объединяя коллекторы транзисторов с помощью цепей согласования, реализуемых, например, в виде LC-фильтров с подобранными параметрами, получают необходимую величину выходного сопротивления ВЧ-генератора. The RF generator power sufficient to ignite the discharge is obtained by parallel connection of identical, powerful output transistors. Figure 2 shows an example of such an inclusion. The operation of an RF generator at a fixed frequency simplifies the addition of transistor powers. Combining transistor collectors using matching circuits, implemented, for example, in the form of LC filters with selected parameters, the required output resistance of the RF generator is obtained.

На фиг.3 приведены эпюры, поясняющие работу устройства при работе лазера в квазинепрерывном режиме излучения. Figure 3 shows diagrams explaining the operation of the device when the laser is in quasi-continuous radiation mode.

После включения устройства на электроды лазерного излучателя 6 подаются радиоимпульсы с амплитудой Uз, достаточной для зажигания разряда и со скважностью Qз, обеспечивающей тепловую безопасность выходных транзисторов ВЧ-генератора 3. Период следования радиоимпульсов tп не превышает времени деионизации. Температура выходных транзисторов принимает значение T1, не превышающее номинальный уровень Тном. На выходе лазера излучение отсутствует.After the device is turned on, radio pulses with an amplitude U z sufficient to ignite the discharge and with a duty cycle Q z providing thermal safety of the output transistors of the RF generator 3 are supplied to the electrodes of the laser emitter 6. The period of the radio pulses t p does not exceed the deionization time. The temperature of the output transistors takes a value of T 1 not exceeding the nominal level T nom . There is no radiation at the laser output.

В момент времени tз зажигается разряд в газовой среде лазера и амплитуда напряжения радиоимпульсов на электродах скачком уменьшается до рабочего уровня Up, который в дальнейшем имеет практически постоянное значение. На выходе лазера появляется излучение с начальной мощностью Рнач, соответствующее скважности радиоимпульсов Qз. Температура выходных транзисторов ВЧ-генератора 3 через некоторое время уменьшается до значения Т2.At time t of the gas discharge is ignited in the laser medium and the amplitude of the radio pulses at the electrodes abruptly decreases to the operating voltage level U p, which further has a substantially constant value. At the laser output, radiation appears with an initial power P beg , corresponding to the duty cycle of the radio pulses Q s . The temperature of the output transistors of the RF generator 3 after a while decreases to the value of T 2 .

С момента времени tт устанавливают требуемый уровень мощности излучения лазера Рт. Уменьшением скважности радиоимпульсов Q до уровня Qт вызывают повышение мощности излучения до требуемого значения Рт. Температура выходных транзисторов ВЧ-генератора 3 в этом режиме работы лазера во всех условиях не превышает номинального значения Тном.From the time t t establish the required level of laser radiation power P t A decrease in the duty cycle of radio pulses Q to the level of Q t cause an increase in the radiation power to the required value of R t . The temperature of the output transistors of the RF generator 3 in this operating mode of the laser in all conditions does not exceed the nominal value of T nom .

В реализованной конструкции лазера после инициирования высокочастотного разряда величина выходного сопротивления ВЧ-генератора составляет ~20 Ом, величина сопротивления нагрузки при максимальной величине мощности накачки составляет ~ 50 Ом. Таким образом, в условиях режима неполного согласования получают значение величины кпд ВЧ-генератора 50 Ом/(50+20) Ом≈70%. In the implemented laser design, after the initiation of a high-frequency discharge, the output resistance of the RF generator is ~ 20 Ohms, the load resistance at the maximum pump power is ~ 50 Ohms. Thus, under the conditions of incomplete matching, the value of the efficiency of the RF generator 50 Ohm / (50 + 20) Ohm ≈ 70% is obtained.

Техническая эффективность способа возбуждения газового лазера, в котором применяют импульсно-периодический режим работы ВЧ-генератора с управляемой скважностью импульсов Q в условиях неполного согласования, заключается в высоком кпд ВЧ-генератора, простоте согласования, высокой надежности работы, в простоте и эффективности управления режимами излучения лазера. The technical efficiency of the method of excitation of a gas laser, in which a pulse-periodic mode of operation of an RF generator with a controlled duty cycle of pulses Q is used under conditions of incomplete matching, consists in high efficiency of the RF generator, ease of matching, high reliability of operation, simplicity and efficiency of control of radiation modes laser.

Источники информации
1. Патент США 4451766, кл. H 01 J 61/56, 1984.
Sources of information
1. US patent 4451766, cl. H 01 J 61/56, 1984.

2. Патент США 4748634, кл. Н 01 S 3/097, 1988. 2. US patent 4748634, CL. H 01 S 3/097, 1988.

3. Патент США 5150372, кл. Н 01 S 53/00, 1992. 3. US patent 5150372, cl. H 01 S 53/00, 1992.

4. Авт. свид. СССР 1785058 A1, кл. Н 01 S 3/097, 1993. 4. Auth. testimonial. USSR 1785058 A1, cl. H 01 S 3/097, 1993.

5. Патент США 4493087 кл. Н 01 S 3/03, 1992. 5. US patent 4493087 C. H 01 S 3/03, 1992.

Claims (1)

Способ возбуждения газового лазера, заключающийся в подаче на активный элемент излучателя через согласующее устройство высокочастотного сигнала от работающего на фиксированной частоте ВЧ-генератора, величина выходного сопротивления которого меньше волнового сопротивления кабеля питания преимущественно четвертьволновой длины, отличающийся тем, что возбуждение осуществляют в режиме неполного согласования между импедансом активного элемента лазера и выходным сопротивлением ВЧ-генератора, работающего в импульсно-периодическом режиме с управляемой величиной скважности радиоимпульсов Q, при этом до зажигания газового высокочастотного разряда лазера устанавливают период следования радиоимпульсов, не превышающий время деионизации, и величину скважности Q3, обеспечивающую безопасный тепловой режим работы выходных транзисторов ВЧ-генератора, а после зажигания разряда управление величиной скважности радиоимпульсов Q используют для управления режимами излучения лазера.The method of excitation of a gas laser, which consists in applying to the active element of the emitter through a matching device a high-frequency signal from an RF generator operating at a fixed frequency, the output impedance of which is less than the wave impedance of the power cable, mainly a quarter-wavelength, characterized in that the excitation is carried out in an incomplete matching mode the impedance of the active element of the laser and the output impedance of an RF generator operating in a pulse-periodic mode IU with controllable magnitude duty cycle RF pulse Q, wherein prior to ignition of the gas frequency discharge laser set repetition period of radio pulses not exceeding the time deionization, and the value of the duty ratio Q 3, which provides a secure heat mode output transistors HF generator, and after ignition of the discharge control value of the duty ratio Q radio pulses are used to control laser radiation modes.
RU2001122611/28A 2001-08-09 2001-08-09 Method for exciting gas laser with pulse-periodic high-frequency voltage RU2204875C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001122611/28A RU2204875C2 (en) 2001-08-09 2001-08-09 Method for exciting gas laser with pulse-periodic high-frequency voltage

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001122611/28A RU2204875C2 (en) 2001-08-09 2001-08-09 Method for exciting gas laser with pulse-periodic high-frequency voltage

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2204875C2 true RU2204875C2 (en) 2003-05-20

Family

ID=20252559

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001122611/28A RU2204875C2 (en) 2001-08-09 2001-08-09 Method for exciting gas laser with pulse-periodic high-frequency voltage

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2204875C2 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7313155B1 (en) High power Q-switched laser for soft tissue ablation
US6181719B1 (en) Gas laser RF power source apparatus and method
US7787506B1 (en) Gain-switched fiber laser system
EP0579367B1 (en) A laser system
US8391329B2 (en) Gas laser discharge pre-ionization using a simmer-discharge
RU2204875C2 (en) Method for exciting gas laser with pulse-periodic high-frequency voltage
JPH06208894A (en) Circuit and method for actuating high voltage sodium vapor lamp
JP3927387B2 (en) Electrodeless lamp system
US7538882B2 (en) Systems and methods for assisting start of electrodeless RF discharge in a ring laser gyro
JPH0513185A (en) Discharge lamp lighting device
JPS6057676B2 (en) Power supply device for microwave discharge light source
US20060261755A1 (en) Circuit and method for the operation of miniature high pressure short-arc lamps using alternating current
Arya et al. Effects of simmer current on flashlamp impedance and their combined influence on the output of a quasi-CW Nd: YAG laser
US20230178956A1 (en) Method for operating diode-pumped pulsed lasers
US3708758A (en) Laser pumping apparatus
TWI389710B (en) Device for sterilisation by gaseous plasma
JPH01223789A (en) Power source device for solid laser pumping lamp
JP2604051Y2 (en) Excimer lamp discharger
RU2082263C1 (en) Method for driving self-limited-junction pulsed lasers
RU2242828C2 (en) Method for exciting self-limited-junction pulsed laser
JP3720744B2 (en) Lighting control device and control method for high-frequency lighting type high-intensity discharge lamp that can be easily relighted instantly
JPH09199286A (en) Starting method for electrodeless high intensity discharge lamp
JPH08204262A (en) Method of generating high-peak output pulse by electric current synthesis in continuous oscillation laser of flash light stimulation type
JPH11112093A (en) Optical pulse generation method
Hua et al. CO 2 laser output power control during warm-up

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20190628