Особливості конструкції імпульсних твердотільних лазерів

У конструкції лазерів із некогерентним оптичним збудженням умовно можна виділити три основні елементи: випромінювач (генератор когерентного випромінювання або лазерна ‘‘головка’’), блок живлення лампи (джерела збуджувального випромінювання) та системний блок керування.

У випромінювачі міститься активне середовище (активний елемент), яке у випадку твердотільного лазера має форму циліндра з діаметром 3 мм¸40 мм і довжиною 50 мм¸1200 мм, та резонатор, утворений дзеркалами заданої форми, встановленими перпендикулярно вісі активного елемента з точністю до декількох кутових секунд. У випромінювач також входить джерело для оптичного збудження, виконане переважно у вигляді прямої трубчатої газорозрядної лампи з довжиною, відповідною розмірам активного середовища. Для підвищення ефективності використання випромінювання лампи застосовуються спеціальні освітлювачі, які у більшості випадків мають еліптичну форму. Конструктивно всі елементи випромінювача між собою жорстко зв'язані. Залежно від режиму роботи у випромінювачі передбачене рідинне або повітряне охолодження активного елемента та джерела збуджувального випромінювання. Типова конструкція випромінювача показана на рис. 2. Освітлювач разом із активним елементом та лампою називають ‘‘квантроном’’.

Блок живлення необхідний для функціонування джерела збуджувального випромінювання. У випадку імпульсних лазерів він складається з ємнісного накопичувача електричної енергії та джерела напруги, що його заряджає.

Блок керування призначений для узгодження процесів заряду й розряду накопичувача, синхронізації модулятора добротності резонатора та інших допоміжних елементів.

Газорозрядні лампи, що використовуються для накачки активних елементів, наповнені інертними газами. На рис. 3. наведено спектр ксенонової лампи. Залежно від типу інертного газу змінюється не тільки спектральний склад випромінювання, але і коефіцієнт перетворення електричної енергії в теплову. Дослідження показали, що в наповнених ксеноном газорозрядних лампах в енергію випромінювання перетворюється до 60% електричної енергії, яка надійшла в розряд, у криптоні - 50%, аргоні - 40% і неоні - .

Спектри ксенону і криптону відрізняються не суттєво. Ксенонові лампи мають велику яскравість у видимій області і досить ефективні для збудження рубінів, неодимових активних елементів та розчинів барвників. Для збудження неодимових активних елементів криптонові лампи ефективніші (порівняно з ксеноновими) і переважно використовуються в лазерах неперервної дії на , .

Усталеною є конструкція лампи, що показана на рис. 4. Корпус лампи прямолінійної форми утворює трубка з кварцу високої якості. В кварц додають люмінофори, що конверсують ультрафіолетове випромінювання до бажаної ділянки спектра. Для введення струму використовується тонка молібденова фольга, вакуумнощільно уварена в товщу кварцових ніжок лампи. Лампи складної конструкції (спіральні, -типу тощо) широкого застосування в лазерній техніці не знайшли, що пов'язано з труднощами ефективного використання всього світлового потоку, який випромінюється лампами, низькою механічною міцністю, неоднорідністю розряду тощо.

Умови роботи ксенонових ламп можна варіювати в широких межах, змінюючи густину струму. При низьких її значеннях випромінювання утворюється переважно внаслідок збудження електронів в атомах і представляє собою сукупність ліній. Збільшення густини струму веде до розширення спектральних ліній. Енергетична світність S зростає і досягає насичення приблизно на рівні енергетичної світності абсолютно чорної поверхні: S»sТ⁴, де s - постійна Стефана-Больцмана, а Т - температура центральної зони розряду (навіть у випадку імпульсних розрядів у центральній зоні встановлюється локальна термодинамічна рівновага, яка характеризується визначеною температурою). В умовах потужнострумових розрядів можливе явище, що називається ‘‘чорніння спектра’’, обумовлене самопоглинанням у плазмі. У такому режимі ККД різко зменшується і підвищуються теплові втрати.

Електрична енергія в лампі частково перетворюється в теплову, що вимагає тепловідведення. Залежно від середньої потужності лампи можуть працювати в умовах природного чи примусового охолодження. При примусовому рідинному охолодженні залежно від величини електропровідності холодоагенту можуть змінюватися деякі електричні параметри ламп, наприклад, напруга самопробою, напруга підпалу тощо.

При використанні рідинного охолодження необхідно запобігати зниженню прозорості поверхні лампи, зумовленого відкладанням на її стінках органічних і неорганічних речовин. У якості рідкого холодоагенту часто використовується дистильована вода, в яку іноді додаються хімічні сполуки, що поглинають ультрафіолетове випромінювання, руйнівне, наприклад, для .

Залежно від режиму роботи лампи поділяються на три групи: імпульсні, працюючі в режимі одиночних імпульсів; частотно-імпульсні, для яких характерна порівняно мала енергія розряду при великій середній потужності розряду; неперервні, з постійним дуговим розрядом.

Основні складові частини блока електроживлення лампи для оптичного збудження в імпульсному режимі подані на рис. 5: 1 - високовольтний випрямляч із напругою на виході U_с=1¸5кВ; 2 - опір, що обмежує струм для запобігання перевантажень випрямляча; 3 - накопичувач енергії з ємністю С=100¸1000 мкФ; 4 - індуктивність; 6 - електрод підпалу для ініціювання спалахів; 7 - опір, що забезпечує розряд накопичувача після вимкнення блоку живлення. Ємнісний накопичувач 3 на рис. 5 заряджається до визначеної напруги протягом часу »0,1¸100 с, а потім розряджається через лампу 5 за час »0,1¸10 мс, який залежить від величини робочої ємності 3, індуктивності 4 у ланцюзі розряду й опору лампи. Електрична енергія , підведена до лампи протягом імпульсу, становить »СU_с²/2.

Імпульс підпалу, що прямує до електрода 6, має амплітуду декількох кіловольт іпризначений для утворення слабкострумової плазми, яка ініціює основний потужний розряд. Зовнішнім електродом підпалу може бути корпус освітлювача чи спеціальний провідник, розташований поблизу лампи. Схема для формування імпульсу підпалу наведена на рис. 6. Основним елементом схеми є імпульсний трансформатор Т із коефіцієнтом трансформації близьким до 100.

Залежно від режиму роботи використовується три види підпалу: зовнішній (принцип якого пояснено вище), внутрішній і режим ‘‘чергової’’ дуги.

При внутрішньому підпалі напруга прикладається безпосередньо до електродів лампи. Довговічність ламп при цьому зростає в 1,5¸2 рази порівняно з лампами, що працюють із зовнішнім підпалом.

Режим ‘‘чергової‘‘ дуги застосовується при частотно-імпульсному режимі роботи лазера. За допомогою спеціального джерела підпалу в лампі збуджується постійний розряд із струмом 3¸4 А, на який ‘‘накладаються’’ імпульси основного розряду. Використання режиму ‘‘чергової’’ дуги підвищує стабільність і ККД системи оптичного збудження. Окрім цього, довговічність ламп зростає в 5¸10 разів порівняно з лампами при застосуванні зовнішнього підпалу.

Основними електричними параметрами імпульсних та імпульсно-періодичних ламп є допустима робоча напруга, напруга самопробою (за якої розряд у лампі виникає без імпульсу підпалу), напруга підпалу і максимальна енергія спалахів.

Довговічність ламп суттєво залежить від величини енергії спалахів. Максимальне значення енергії E_мак, за якої лампа руйнується, залежить від її розмірів, тривалості Dt імпульсу розряду і визначається емпіричною формулою:

E_мак= . (1)

Якщо у формулу (1) діаметр d та довжину лампи підставити в [см], а тривалість Dt імпульсу - в [c], то обчислене значення E_мак отримаємо в [Дж].

У табл. 1 наведені дані щодо мінімальної і максимальної кількості імпульсів розряду, які може витримати лампа залежно від співвідношення /E_мак. Зі зростанням кількості спалахів поверхня лампи покривається мікротріщинами і плівкою розпиленого металу від електродів, що знижує прозорість її стінок, а отже й ефективність лампи. Аналізуючи дані табл. 1, можна зробити висновок, що досить тривалий термін лампа може працювати, якщо енергія імпульсу не перевищує 0,3E_мак.

У потужних лазерах збудження здійснюється декількома лампами. Експериментальні дослідження доводять, що у випадку послідовного з'єднання ламп ККД перетворення електричної енергії у світлову підвищується порівняно з паралельним з'єднанням.

Табл. 1. Кількість імпульсів розряду, що може витримати лампа залежно від співвідношення /E_мак.

/Eмак	1,0	0,7	0,5	0,4	0,3
			102	103	104
		102	103	104	105