Электрическая схема питания лазера

На рис.2.8 представлена типовая схема электропитания твердотельного лазера, работающего в импульсном режиме.

Рис.2.8.Электрическая схема: ИП- в/в источник питания,

ГПИ - генератор пусковых импульсов, ИТ - импульсный трансформатор.

Работа схемы происходит в следующем порядке:

1)Заряд накопительной емкости С_н до рабочего напряжения (U_p~1 кВ) через цепь R_огр и С_н.

Рис.2.9. Эквивалентная схема разрядного контура.

2)После подачи пускового импульса на лампу (для ионизации газа в газоразрядной лампе) происходит разряд С_н через цепь L₁, L₂ и лампу с внутренним сопротивлением R_л. Эквивалентная электрическая схема разрядной цепи показанана рис.2.9.

Колебательный контур может работать в двух режимах - колебательном и апериодическом. Для работы твердотельного лазера требуется апериодический режим, который реализуется соответствующим подбором параметров контура разряд С_н.

Рис.2.10.Режимы работы колебательного контура: а) колебательный; б) апериодический.

Для этого сопротивление лампы должно лежать в пределах, определяемых условием:

(L/C_н)^1/2<R_л<2(L/C_н)^1/2 (2.1)

Обычно принимают: R_л≈1,8 (L/C_н)^1/2 (2.2)

Сопротивление лампы R_л определяется по формуле R_л =r(l/S), где l - длина, S -поперечное сечение, r ≈ 0,02 Ом·см - удельное внутреннее сопротивление проводящей ксеноновой лампы. При l=5 см, S=0,2 см², R_л≈0,5 Ом. Таким образом, при заданных С_н и R_л можно найти расчетное значение индуктивности контура L, которое определяется из формулы:
L=(R²_лС_н)/3,24 (2.3)

Постоянная времени контура t ≈R_лС_н=1.8(L/ Сн)^1/2Сн=1,8(LC_н)^1/2. (2.4)

На рис. 2.11 и 2.12 показаны форма импульса разрядного тока и световой мощности импульса накачки.

Рис.2.11.Форма тока разряда Рис.2.12.Форма импульса накачки.

в контуре.

Если необходимо получить импульсы накачки с формой, близкой к прямоугольной, используют многозвенные контуры.

Рис.2.13.Многозвенный колебательный контур.

При этом t ≈ 1,8N(LC_н)^1/2 , где N- количество звеньев.

Режимы работы твердотельных лазеров

Режимы работы лазеров: непрерывный, квазинепрерывный и импульсный. В непрерывном и квазинепрерывном режимах работы скорость накачки не зависит от времени.

Рис.2.14.Режимы работы лазера: а) непрерывный, б) квазинепрерывный, в) импульсный.

Импульсный режим генерации, который будет здесь рассмотрен, позволяет получать импульсы лазерного излучения длительностью от единиц миллисекунд до десятков пикосекунд, как при генерации одиночных импульсов, таки их последовательности.

Импульсный режим, в свою очередь, подразделяетсяна три: свободной генерации, модулированной добротности и синхронизации мод.

Режим свободной генерации

На рис.2.14 показана схема такого лазера, а на рис.2.15 представлены временные диаграммы, поясняющие процесс генерации.

Рис.2.15. Оптическая схема лазера в режиме свободной генерации

Общая продолжительность импульса излучения лазера определяется, как это видно из рис. 2.16, длительностью импульса накачки и пороговыми условиями, а сам импульс состоитизпоследовательности нерегулярных по амплитуде и временному положению импульсов - так называемых "пичков". Длительность пичков составляет несколько десятых долей мкс, а временной интервал между ними - единицы мкс.

Рис.2.16. Временные диаграммы в лазере в режиме свободной генерации: Pн - форма импульса накачки, ∆-инверсная населенность, Рвых - форма импульса генерации, Р*вых - реальная форма импульса генерации (меняется от случая к случаю).

Пичковая структура лазерного импульса в рассматриваемом режиме обусловлена балансными условиями в резонаторе в процессе генерации, когда накачка и индуцированные излучательные переходы выступают как конкурирующие процессы. Хаотичность пульсаций объясняется многомодовостью генерации, пространственной неоднородностью накачки, техническими причинами и т. п.