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 Сн до рабочего напряжения (Up~1 кВ) через цепь Rогр и Сн.
| Рис.2.9. Эквивалентная схема разрядного контура. |
2)После подачи пускового импульса на лампу (для ионизации газа в газоразрядной лампе) происходит разряд Сн через цепь L1, L2 и лампу с внутренним сопротивлением Rл. 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 Сн.
Рис.2.10.Режимы работы колебательного контура: а) колебательный; б) апериодический.
Для этого сопротивление лампы должно лежать в пределах, определяемых условием:
(L/Cн)1/2<Rл<2(L/Cн)1/2 (2.1)
Обычно принимают: Rл≈1,8 (L/Cн)1/2 (2.2)
Сопротивление лампы Rл определяется по формуле Rл =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, Rл≈0,5 Ом. Таким образом, при заданных Сн и Rл можно найти расчетное значение индуктивности контура L, которое определяется из формулы:
L=(R2лСн)/3,24 (2.3)
Постоянная времени контура t ≈RлСн=1.8(L/ Сн)1/2Сн=1,8(LCн)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(LCн)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.