Импульсные блоки питания лазеров
Лабораторная работа 6
УСТРОЙСТВО ОПТИЧЕСКИХ КВАНТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Цель работы: Ознакомиться с конструкцией различных лазерных излучателей, компонентами резонатора, системами управления лазерным излучением, изучить отличительные особенности ОКГ различного типа, способы и конструкции блоков накачки и поджига.
Состав установки: Осветители твердотельных лазеров с оптическими затворами, излучатель СО2 – лазера, излучатель лазера на красителе, блок поджига, безконденсаторный блок накачки импульсных ламп.
Наиболее известные и используемые квантовые генераторы можно условно разделить по способу накачки и типу активной среды на четыре группы: твердотельные с ламповой накачкой, газоразрядные, полупроводниковые и лазеры на красителях. В настоящем практикуме представлены (к сожалению не одинаково) все четыре перечисленные группы ОКГ.
Лазерные зеркала
Одной из наиболее важных составляющих практически всех лазеров является резонатор, который чаще всего состоит из двух зеркал, одно из которых, заднее, имеет коэффициент отражения, близкий к единице, а второе, выходное, – коэффициент отражения, зависящий, помимо всего прочего, от величины усиления активной среды Оптимальный коэффициент отражения выходного зеркала может варьироваться от 0,25 (для некоторых твердотельных лазеров) до 0,95 – 0,97 (в случае гелий-неонового лазера).
Зеркала изготавливают, как правило, из оптического стекла с напылением на переднюю поверхность отражающих слоёв, например, алюминия, коэффициент отражения которого практически не зависит от длины волны и равен, приблизительно, 0.9. Такие зеркала сравнительно дешевы и их удобно использовать в качестве задних зеркал. В настоящее время используют высокоэффективные, диэлектрические зеркала, коэффициент отражения которых может варьироваться в широких пределах и достигать значений 0,99 и выше. Принцип их действия основан на интерференционных явлениях, поэтому их ещё называют интерференционными. Такие зеркала получают путём последовательного нанесения на стеклянную или кварцевую подложку тонких диэлектрических слоёв, вначале с низким, а затем с высоким показателем преломления. Такой двойной слой при правильном подборе толщины может обеспечить коэффициент отражения 50%, а при нанесении нескольких двойных слоёв коэффициент отражения приближается к единице. Так при нормальном падении на подложку излучения с длиной волны 
=564нм показатель преломления подложки 
=1,52, коэффициент отражения 
=0,306. Если подложка имеет покрытия в виде одного двойного слоя из сернистого цинка ( 
=2.3) и криолита ( 
=1,35), коэффициент отражения равняется 0,676, при двух слоях = 0,872, а при четырёх слоях он достигает 0,984.
|
|
|
Что касается формы зеркал, то в газоразрядных лазерах чаще используют полу конфокальные резонаторы, а в твердотельных лазерах – конфокальные. Оптимальная конфигурация резонатора выбирается из условия устойчивости:
|
|
|
,
где 
– радиусы кривизны зеркал; 
– длина резонатора.
Степень устойчивости резонатора можно определить по, так называемой G –диаграмме, которая подробно описана в лабораторной работе №1.
В завершение этого раздела отметим, что в полупроводниковых лазерах резонатором служат естественные грани кристалла, и, что в лазерах на красителях непрерывного действия применяются трёхзеркальные резонаторы со сферическими зеркалами для компенсации оптических искажений фронта волны.
Лазеры с ламповой накачкой
На Рис.1 представлена схема твердотельного лазера (ТЛ) с ламповой накачкой. Основные компоненты излучателя ТЛ: резонатор с зеркалами 1 и 5, и лазерный осветитель или квантрон.. Кроме того, в состав излучателя могут вхо-
а) б)
а) б)
|
|
|
Рис.1 Схемы излучателей с одноламповым (а) и двухламповым осветителем (б)
дить модулятор добротности и преобразователь частоты. Последние два устройства включаются в состав специальных лазеров с модуляцией добротности и генераторов гармоник.
2.1. Лазерный осветитель (квантрон) Осветитель является основной частью твердотельного и жидкостных (импульсных) лазеров, в которой имеется отражатель 4, активный элемент 3 и лампы накачки 2 (Рис.1б). Наиболее широко в твердотельных ОКГ применяются осветители, у которых лампа расположена параллельно оси активного тела, а отражатель имеет форму эллиптического цилиндра, в фокальных осях которого находятся лампа и активное тело (Рис.2а ). Одноламповые эллиптические цилиндры имеют высокую эффективность около 75%. Кроме того, они позволяют раздельно охлаждать лампу и активное тело и обеспечивают сравнительно равномерную оптическую накачку активного тела, если его сечение много меньше поперечных размеров отражателя.
Однако эллиптический осветитель является системой с пере -менным увеличением, а лампа и ак-
Рис.2
тивное тело имеют конечные размеры, поэтому далеко не вся энергия лампы используется в нем. Кроме того, значительная часть не поглощенного света, прошедшая через стержень в результате многократных отражений от стенок, снова на стержень не попадает из-за того, что поперечные размеры отражателя значительно превосходят сечение активного тела. Многократные отражения повышают эффективность при «плотном» расположении лампы и активного тела, когда поперечные размеры осветителя и активного тела близки (Рис. 2г). При этом конфигурация отражателя существенного значения не имеет и может быть круглой или овальной, а внутренняя поверхность может быть зеркальной или диффузно отражающей.
|
|
|
В генераторах с большой выходной энергией применяются активные тела в виде стержней, диаметр которых превосходит диаметр лампы накачки. В этом случае для повышения плотности накачки применяются многоламповые осветители (Рис.2б,в), отражающие поверхности которых имеют форму эллиптических цилиндров. На общей фокальной оси размещают активное тело, а в сопряженных фокусах располагаются лампы. Относительная величина энергии, попадающей в этом случае на активное тело, возрастает по мере увеличения количества ламп, однако общая эффективность системы снижается. Оптимальное число ламп при этом можно оценить по формуле:
где 
–радиус активного тела; 
– радиус лампы; n — показатель преломления среды, окружающей активное тело. Как правило, окружающей средой является либо охлаждающая жидкость (чаще дистилированная вода), либо стекло (или кварц), когда применяются моноблоки из соответствующих материалов.
Осветители малогабаритных (порядка 10-15 см)излучателей, как правило, называются квантронами (Рис.3)
Рис.3
Импульсные блоки питания лазеров
3.1 Типовой блок питания. Практически все твердотельные лазеры работают в импульсном режиме, и в них для накачки используются импульс-
ные блоки питания.
Рис.4
На Рис.4 показана блок - схема типовогоблока питания импульсного ТЛ. Основные части импульсного блока питания: схема управления зарядом, выпрямитель, емкостной накопитель, блок поджига и лампы накачки. Для удобства управления накачкой и безопасности подключаются дополнительные блоки, которые показаны на Рис.4. Лазеры, генерирующие гармоники, имеют, кроме того, оптический затвор, блок преобразователя и более сложный резонатор.
Рис.5
Упрощённая схема резонансного заряда накопительной батареи конденсаторов Сн показана на Рис.5. При питании от сети 220 В с целью повышения напряжения конденсаторы буферной батареи и выпрямители Д1 и Д2 соединяются по схеме удвоения напряжения. При включении тиристора УД в контуре, образованном буферной ёмкостью Сб, ёмкостью накопителя СН, индуктивностью и активным сопротивлением катушки L, происходит колебательный процесс, который заканчивается в конце первого полупериода при изменении направления тока и запирания тиристора.
Общим для всех промышленных блоков накачки импульсных лазеров является наличие емкостного накопителя СН. Такие блоки позволяют получать импульсы накачки длительностью не более 1мс.
Рис.6. Блок-схема трёхфазного блока питания неодимового лазера без ёмкостного накопителя. 1 – генератор пускового импульса; 2 – блок задержки импульса; 3 – формирователь высоковольтного импульса поджига; 4 – формирователь длительности импульса накачки; 5 – генератор высокочастотных импульсов; 6 – силовой блок; 7 – лампа-вспышка.
На Рис.6 показана блок - схема безконденсаторного блока накачки,
Схема, представленная на Рис.6, работает следующим образом. Генератор пускового импульса 1 в ручном или автоматическом режиме вырабатывает одиночный импульс, который инициирует рабочий цикл всей схемы. Этим импульсом запускается формирователь длительности импульса накачки 4, который вырабатывает пакет импульсов высокой частоты.
Длительность пакета определяет длительность импульса накачки и может меняться ступенчато и плавно от 3 до 100 мс с помощью регулировок, выведенных на лицевую панель прибора. Высокочастотные импульсы через импульсный трансформатор поступают на выпрямитель, на выходе которого формируется пакет импульсов положительной полярности с заданной длительностью, который подаётся на управляющие электроды тиристоров силового блока 6, схема которого показана на рис.7, представляющей трёхфазный управляемый выпрямитель. Собственно выпрямитель (Рис.7) состоит из трёх мощных диодов и трёх тиристоров.
Рис.7 Безконденсаторный блок накачки для получения импульсов генерации большой длительности.
Такой блок, в принципе, может вырабатывать импульсы, длительность которых ограничивается лишь параметрами ламп накачки и активного элемента и составляет для неодимового стеклянного лазера величину порядка 30 мс.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 272; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!