И.Д. Костыря,  Г.С. Евтушенко,  В.Ф. Тарасенко,  Д.В. Шиннов

ЛАЗЕР  НА   ПАРАХ   МЕДИ   С  ИНДУКТИВНЫМ   НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ   И   ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ   ПРЕРЫВАТЕЛЕМ   ТОКА

Впервые создан лазер на парах меди, в генераторе накачки которого использован индуктивный накопитель энергии с полупроводниковым прерывателем тока. В стационарном режиме получена генерация медного лазера с саморазогревным активным элементом объемом 36 cm³ при частоте повторения импульсов 10 кГц и средней мощности излучения 3,3 Вт. Применение индуктивного накопителя энергии в таком лазере дам увеличение средней мощности излучения ни 20 % по сравнению с таковой при стандартной схеме накачки.

Введение

В наших работах [1-4] было показано, что индуктивный накопитель энергии (ИНЭ) может успешно использоваться для накачки импульсных газовых лазеров на плотных газах при малых частотах повторения импульсов. Генераторы с ИНЭ позволяют легко изменять режимы накачки и осуществлять возбуждение лазеров различного типа в оптимальных условиях.
Создание специальных полупроводниковых прерывателей тока (SOS-диодов) [5]  позволило существенно расширить возможности использования генераторов с ИНЭ, в частности создать генераторы с высокой частотой повторения импульсов. Так, при работе подобных генераторов на активную нагрузку максимальная частота в стационарном режиме составила 1 кГц, а в режиме коротких (30-40 с) включений - 5 кГц [5]. В [6] было показано, что ИНЭ с полупроводниковым прерывателем тока может работать при f = 12 кГц.
Однако в литературе нет данных, характеризующих различные режимы накачки импульсных газовых лазеров индуктивными накопителями при f > 100 Гц, даже при накачке продольным разрядом. В то же время для целого класса лазеров на парах металлов [7-9], в том числе и для самого эффективного из них - лазера на парах меди, - нужны новые генераторы накачки с f  ≥ 10 кГц.
В данной работе впервые исследуется саморазогревный лазер на парах меди (λ = 510, 5 и 578,2 нм) при накачке от генератора с индуктивным накопителем энергии, перспективным для накачки лазеров на парах металлов с высокой частотой повторения импульсов.

Экспериментальные установки и методики

Электрическая схема установки была подобна используемой в [3,6]. Питание осуществлялось от высоковольтного выпрямителя, который заряжал конденсатор емкостью 20 мкФ до напряжения 1 - 5 кВ. Этот конденсатор через дроссель и диод соединялся с конденсатором емкостью 2 нФ и заряжал его до удвоенного напряжения при f ~ 1 - 12 кГц. После срабатывания тиратрона (ТГИ-2500/50 с водяным охлаждением) конденсатор емкостью 2 нФ через индуктивность 11,3 мГн и тиратрон заряжал конденсатор С₁ = 2 нФ (рис.1).

Рис.1. Принципиальная схема индуктивного генератора накачки лазера на парах меди с полупроводниковым прерывателем тока:
С₁ - накопительные емкости; С₂ - обострительная емкость;  L₁ - магнитный ключ;  R_L - сопротивление нагрузки (лазерной трубки): R₁ — R₄ - делители напряжения и токовые шунты; П - полупроводниковый прерыватель тока.

Примерно при максимальном напряжении на C₁ срабатывал водоохлаждаемый магнитный дроссель L₁  собранный из 175 ферритовых колец марки М1000НМ размерами 20 х 10 х 5 мм.
При зарядке конденсатора C₁ ток через SOS-диоды шел в прямом направлении, а при срабатывании дросселя L₁ - в обратном. Это вызывало обрыв тока SOS- диодом и формирование за счет энергии, запасенной в индуктивности, импульса высокого напряжения на активном элементе, включенном параллельно SOS-диодам. Более подробно работа аналогичной схемы описана в [3]. Отметим, что в этих экспериментах мощность, отбираемая от выпрямителя и коммутируемая тиратроном, была существенно меньше максимальной и на порядок превышала мощность выпрямителя из работы [3].
В качестве прерывателя тока использовались специальные кремниевые диоды типа SOS-25-2, SOS-50-2 или SOS-150-2 [5] с максимальным обратным напряжением 25, 50 или 150 кВ соответственно и максимальной амплитудой обрываемого тока 2 кА, которые помещались в трансформаторное масло. Были исследованы три сборки включенных параллельно SOS-диодов: первая состояла из четырех диодов SOS-25-2, вторая - из четырех диодов SOS-50-2 и третья - из двух диодов SOS-150-2. Параллельное включение диодов использовалось нами для уменьшения среднего тока через них при высоких частотах повторения.
В качестве нагрузки применялся отпаянный активный элемент на парах меди с воздушным охлаждением. Диаметр разрядного канала равнялся 1 см, межэлектродное расстояние составляло 46 см. На торцах кварцевой трубки, в которую помещалась керамическая трубка с разрядным каналом, был установлен конфокальный неустойчивый резонатор. Буферным газом служил неон при давлении 30 Тор. При подаче напряжения на холодный активный элемент в керамической трубке происходил пробой неона, а после разогрева трубки - смеси неона с парами меди.
Активный элемент имел воздушное охлаждение и подключался параллельно SOS-диодам. В большинстве экспериментов параллельно активному элементу подсоединялись обострительные конденсаторы С₂ = 22, 100, 200 или 330 пФ. Для накачки данного активного элемента использовалась также обычная схема с емкостными накопителями и коммутацией тиратроном ТГИ1-1000/ 25. Осциллограммы напряжения и тока на установке измерялись омическими делителями, шунтами или поясом Роговского, сигналы с которых направлялись на осциллограф TDS-220.

Результаты и их обсуждение

Как показано в [6], ИНЭ с полупроводниковым прерывателем тока может работать при высоких (до 12 кГц) частотах повторения импульсов. При накачке саморазогревных лазеров на парах металлов генератор возбуждения должен выполнять две функции: во-первых, разогревать активный элемент до рабочей температуры и обеспечивать необходимую концентрацию паров меди, во-вторых. обеспечивать эффективную накачку активной среды.
На рис.2-4 приведены характерные осциллограммы импульсов напряжения на активном элементе, включая индуктивность подводящих шин, тока через активный элемент и излучения.

Рис.2. Осциллограммы импульсов напряжения на активном элементе и индуктивности соединительных шин (1), тока через активный элемент (2) и генерации на желтой и зеленой линиях (3) при частоте следования импульсов 10 кГц и использовании четырех диодов SOS- 50-2, включенных параллельно.
Емкость обострительного конденсатора - 200 пФ.
Напряжение выпрямителя - 5 кВ.
Средняя мощность излучения – 2,1 Вт.
Цена деления по оси ординат 6,5 кВ (1) или 215 А (2).

Излучение регистрировалось одновременно на желтой и зеленых линиях лазера. В экспериментах мы изменяли сборки прерывателя тока, емкость обострительного конденсатора и напряжение выпрямителя. Генератор накачки мог работать при f = 1 - 12 кГц.
Эксперименты проводились при f = 10 кГц.
Варьирование сборок прерывателя тока показало, что наилучшие результаты достигаются при наибольшем соответствии обратного напряжения SOS-диода импульсному напряжению на активном элементе. С увеличением разности этих напряжений увеличиваются потери в SOS-диоде, что затрудняет разогрев активного элемента до рабочей температуры. Так, при емкости обострительного конденсатора 100 пФ с SOS-диодами на 150 кВ порог генерации не достигался из-за низкой температуры активного элемента, с SOS-диодами на 50 кВ мощность генерации составила 1,5 Вт (рис. 2) и с SOS-диодами на 25 кВ она превысила 2 Вт.
Варьирование емкости обострительного конденсатора С₂ показало, что при малых или равных нулю С₂ достигаются максимальные напряжения на активном элементе и уменьшается длительность импульса тока, однако эффективность разогрева активного элемента при этом ухудшается. Так, с SOS-диодами на 50 кВ и С₂ = 22 пФ напряжение на активном элементе достигало 26 кВ, а ток - 590 А (рис. З), но из-за недостаточной температуры активного элемента мощность генерации была очень мала и не измерялась.

Рис.З. Осциллограммы импульсов напряжения на активном элементе и индуктивности соединительных шин (1) и тока через активный элемент (2) при частоте следования импульсов 10 кГц и использовании четырех диодов SOS-50-2, включенных параллельно.
Емкость обострительного конденсатора 22 пФ.
Напряжение выпрямителя 5 кВ.
Цена деления по оси ординат 6,5 кВ (1) или 215 А (2).

При увеличении С₂ до 100 пФ средняя мощность излучения возросла до 1,5 Вт, а при С₂ = 200 пФ она достигла 2,1 Вт. Наибольшая средняя мощность излучения, равная 3,3 Вт (рис.4), была получена при С₂ = 200 - 300 пФ и SOS-диодах на 25 кВ.

Рис.4. Осциллограммы импульсов напряжения на активном элементе и индуктивности соединительных шин (1), тока через активный элемент (2) и генерации на желтой и зеленой линиях (3) при частоте следования импульсов 10 кГц и использовании четырех диодов SOS- 25-2, включенных параллельно.
Емкость обострительного конденсатора - 330 пФ.
Напряжение выпрямителя 4,85 кВ.
Средняя мощность излучения 3,3 Вт.
Цена деления по оси ординат 6,5 кВ (1) или 215 А (2).

Полная расходимость излучения по измерениям в дальней зоне не превышала 3 мрад. При этом лазер непрерывно работал до 8 ч. (большие времена не исследовались), а температура масла, охлаждающего SOS-диоды, не изменялась после первых 10 мин работы лазера и не превышала 45 °С для диодов SOS-25-2 и 63 °С для диодов SOS-50-2. Напряжение выпрямителя в оптимальных режимах составляло 4,8 - 5 кВ.
Мы также накачивали данный активный элемент обычным генератором с емкостным накопителем и коммутацией тиратроном. При этом была получена средняя мощность излучения 2,7 Вт, что на 20 % меньше мощности нового лазера. В дальнейшем мы планируем провести подробный анализ потерь энергии в различных элементах генератора накачки с ИНЭ и полупроводниковым прерывателем тока, а также исследовать лазеры на нарах металлов, которые требуют более короткого и мощного импульса накачки, что позволит уменьшить рабочую температуру активного элемента.

Заключение

Таким образом, применение ИНЭ и полупроводникового прерывателя тока для накачки лазера на парах меди позволяет увеличить амплитуду напряжения на активном элементе и разрядный ток через него. При f = 10 кГц на активном элементе с объемом разрядной области 36 см³ получена средняя мощность лазерного излучения 3,3 Вт. Сравнение средней мощности излучения на дан­ном активном элементе при использовании стандартной и новой схем накачки показало, что применение индуктивного накопителя энергии дало увеличение средней мощности излучения на 20 %.

1. Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Квантовая электроника. 17. 32  (1990).

2  Ломаев М.И., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Оптика атмосферы и океана. 8. 1606 (1995).

3  Бакшт Е.Х., Визирь В. А., Куни С.Э, Орловский В.М., Панченко А.Н., Рукин С.Н., Тарасенко В.Ф. Оптика атмосферы и океана.13. 243 (2000).

4  Baksht Е.Н, Panchenko A.N, Tarasenko V.F. IEEE J.Quamum Electron.. 35. 261 (1999).

5  Рукин CH. ПТЭ. № 4, 5 (1999).

6  Костыря И.Д, Тарасенко В.Ф. Оптика атмосферы и океана. 14.722 (2001).

7  Солдатов А. П., Соломонов В. И. Газоразрядные лазеры на самоограниченных переходах в парах металлов (Новосибирск. Наука. 1985).

8  Little С.Е. Metal vapour lasers: physics, engineering & applications (Chichester. UK. Wiley. 1998).

9  Батенин B.M., Бучанов B.B., Катарам M.A., Климовский И.И., Молодых И.Э. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов (М.. Научная книга. 1998).