Конструкция лазерного усилителя
Полезная модель относится к лазерной технике, в частности, к лазерной технике с частично когерентным излучением Техническим результатом является создание конструкции лазерного усилителя, с помощью которого при предварительном испытании на установке с частично когерентным излучением с выхода усилителя получена плотность потока лазерного излучения 3ГВт/см2 .
В усилителе несущий каркас изготовлен из его основных оптических составляющих: узла активного элемента, импульсных ламп и отражателей, связующим звеном которых являются вертикальные фланцы. Это позволило уменьшить трудоемкость изготовления усилителя и повысить освещенность активного элемента.
Изобретение может быть использована в лазерных усилителях при разработке импульсных лазерных установок и, в частности, установок с частично когерентным излучением.
Конструкции твердотельных оптических квантовых генераторов и усилителей с оптической накачкой активного тела с помощью газоразрядных ламп подробно рассмотрены в литературе (Основы лазерной техники, Б.Р. Белостоцкий, Ю.В. Любавский, В.М. Овчинников, «Советское радио», Москва 1972 г), Техническое осуществление оптического усиления сводится к получению инверсной среды и формированию потока излучения через эту инверсную среду.
Известны промышленные оптические квантовые усилители ГОС- 1001, которые являлись основой для построения мощной лазерной установки «Дельфин» (Установка «Дельфин», Басов Н.Г. и др. «Труды ФИАН», 1978, 103, 3-51). В установке использовалась система последовательно-параллельного размещения усилителей ГОС-1001 с активными элементами из силикатного Nd-стекла марки ГЛС-1 диаметром 45 мм и длиной накачиваемой части 580 мм. В усилителе можно выделить три основные части: основание, защитный кожух и несущий каркас с расположенными на нем оптическими элементами. На основании закреплен несущий каркас и установлен защитный кожух с двумя отверстиями для входа и выхода лазерного излучения. Назначение кожуха - защита от высокого напряжения и от излучения импульсных ламп. Несущий каркас, выполненный из литого силумина, является базой для
размещения и крепления оптических элементов. В центре его установлен активный элемент с рубашкой охлаждения. Активный элемент окружен осветителем, состоящим из 4-х импульсных ламп и 4-х отражателей. Отражатели выполнены из стеклянного полуцилиндра, рабочая поверхность которого покрыта серебром и защищена снаружи медью. Лампы крепятся на изоляционном фланце с помощью резиновых шайб и пружин, а отражатели пружинами закреплены по краям каркаса. Всего в одном усилителе 24 пружины.
Недостатками усилителя являются неудобство в эксплуатации, сложность и низкая надежность конструкции, которые определены тем, что оптические элементы крепятся независимо друг от друга, а применение стеклянных отражателей и ламп с креплением их пружинами являлось причиной поломок отдельных усилителей на установке.
Известны оптические квантовые усилители на фосфатном неодимовом стекле (Стержневые усилители на фосфатном неодимовом стекле диаметром 60 мм с высоким коэффициентом усиления В.И.Баянов и др. «Квантовая электроника», 11, №2, 1984 310-315). В работе исследовались четыре типа осветителей с зеркальными или диффузными отражателями. В качестве диффузного отражателя использовалось ДОП-покрытие на кварце или диффузно-отражающая краска, наносимая на внешнюю поверхность стеклянного цилиндра. Коэффициент отражения покрытий составлял R=95-97%. Для накачки применялись импульсные лампы типа ИФП-8000. В качестве активного элемента использовался стержень размером 60×300 мм из промышленного фосфатного стекла ГЛС21. Усилитель состоит из двух основных частей: из основания и несущего каркаса, который одновременно
выполняет функцию защитного кожуха. Несущий каркас, с закрепленными оптическими элементами, имеет ряд преимуществ по сравнению с каркасом ГОС-1001. Конструкция каркаса состоит из отдельных узлов: узла активного элемента с рубашкой охлаждения и осветителя на основе импульсных ламп и отражателей. Усилитель разделен на две части, которые обеспечивают установку и крепление узла активного элемента, и одновременно создают удобство при сборке и эксплуатации. Проведены испытания усилителя с 6-ю и 12 -ю импульсными лампами, которые обеспечивали равномерную накачку активного элемента.
Недостатками усилителя является большое количество составляющих деталей, а отсюда и сложность конструкции, которая связана с использованием стеклянных или кварцевых отражателей и с креплением импульсных ламп на их контактах.
Задачей, решаемой полезной моделью, является создание конструкции лазерного усилителя, обеспечивающей плотную упаковку импульсных ламп и отражателей и надежную работу лазера при упрощении конструкции и снижении стоимости изготовления.
Для решения этой задачи предлагается несущий каркас в усилителе изготовить из его основных оптических составляющих:
узла активного элемента, импульсных ламп и отражателей, связующим звеном которых является вертикальные фланцы. Причем отражателей два и они имеют форму полуцилиндра, а в качестве материала отражателя использован металл с отражающей поверхностью, изготовленной электрополировкой. Выбор количества и материала отражателя определен тем, что с увеличением числа импульсных ламп эффективность освещенности активного элемента от отражателя падает за счет уменьшения зоны
видимости от него к круглой поверхности активного элемента. Потери освещенности активного элемента компенсируются увеличением количества импульсных ламп. За счет этого улучшается равномерность прокачки активного элемента как по количеству ламп, так и за счет того, что часть света от одной лампы попадает на соседние, тем самым стабилизируются оптические параметры всех импульсных ламп в усилителе.
В новой конструкции изменено крепление как импульсных ламп так и отражателей. Лампы имеют для амортизации, как в Гос-1001, резиновые шайбы, но крепятся к фланцам металлическим полукольцом с помощью винтов, которыми можно регулировать усилие крепления. Отражатели крепятся к фланцам винтами. Такое жесткое крепление ламп и отражателей позволяет минимизировать расстояние между лампами и активным элементом, уменьшить общее количество деталей, упростить конструкцию, а главное повысить ее надежность
Эта полезная модель реализована в разработке лазерного усилителя с активным элементом из силикатного Nd-стекла марки ГЛС-1 диаметром 60 мм и длиной накачиваемой части 580 мм. Количество импульсных ламп типа ИНП -16/580 выбрано по двум показателям:
1) Освещенность активного элемента, равная Е=I cos
/r2,
где I -сила света, - угол падения света на поверхность активного элемента, а г - расстояние от поверхности лампы до поверхности активного элемента.
2) Равномерное освечивание активного элемента.
По первому показателю, при выбранном типе импульсной лампы и их количестве существенное значение имеют параметры r и , которые конструктивно закладываются минимальными.
По второму показателю выбирается тип и количество ламп, во первых, по плотности энергии накачки на единицу объема активного элемента, а, во вторых, исходя из условия, что каждая лампа освечивает свою часть поверхности активного элемента прямым потоком света. В соответствии с вышеизложенным выбрано 8 ламп, что составляет плотность энергии накачки 34 Дж/см3 при заряде накопителя 5 кВ и при этом прямым потоком света от ламп диаметром 20 мм освечивается 96% поверхности активного элемента.
На Фиг.приведена фотография усилителя с развернутой верхней частью. Усилитель состоит из основания -7, защитного кожуха -5 и несущего каркаса в качестве которого используется узел активного элемента -9, импульсные лампы -3 и отражатели -11. Все оптические элементы и узлы закреплены на вертикальных фланцах. Каждый фланец разделен по горизонтали на две равные части:
верхнюю -4 и нижнюю -8. Нижние части крепятся болтами к основанию. Импульсные лампы и отражатели в равных количествах закрепляются в нижней и в верхней частях фланцев, образуя осветитель усилителя -10, разделенный на две равные части. Отражатели изготовлены из алюминия марки АДО, рабочая поверхность которого обработана электрополировкой с коэффициентом отражения - 85%. Оба отражателя крепятся к каждому полу фланцу винтами. С учетом формы и материала отражателя, образуется жесткая конструкция. Крепление импульсных ламп осуществляется винтами к нижним и верхним частям фланцев осветителя с помощью металлических полуколец-1, через резиновые шайбы-2, с регулировкой усилия крепления, обеспечивающее лампе в направлении длины, с одной стороны, свободный ход. Активный элемент и рубашка охлаждения собраны с
помощью своих двух фланцев, уплотнительных прокладок, винтов и стягивающих шпилек. Все это составляет узел активного элемента -9. Сборка узла активного элемента происходит на специальном стенде, где активный элемент юстируется в соответствии с оптической схемой. К фланцам узла подводится охлаждающая жидкость. Узел активного элемента устанавливается на нижней части фланцев осветителя в специальных посадочных местах с фиксатором установки. Верхняя часть осветителя имеет специальные направляющие для посадки на нижнюю часть. Крепление обоих частей осветителя осуществляется двумя кольцами -6.
Питание каждой импульсной лампы формируется разрядным контуром с LC-цепью (L=120 мкГн, С=560 мкФ) с двумя колебательными контурами для поджига лампы в момент включения. Напряжение питания регулируется от 4,3 до 5 кВ.
Усилитель прошел предварительное испытание на установке с частично когерентным излучением. Усилитель замыкал последовательную цепь стержневых усилителей диаметрами 20, 30, 45, 45. На выходе усилителя плотность потока лазерного излучения при длительности импульса 2 не составляла 3 ГВт/см2. Предложенное изобретение обеспечивает следующие технические преимущества:
1. Освещенность активного элемента в 1,4 раза выше, чем в таких же лазерных усилителях с отдельным каркасом для крепления оптических элементов, например 8-ми ламповом лазерном усилителе типа Т31-346.001 СБ.
2. Уменьшено общее количество составляющих деталей в усилителе, т.е. уменьшена трудоемкость изготовления и эксплуатации.
3. Крепление импульсных ламп осуществлено с регулировкой усилия крепления.
4. Стеклянные отражатели заменены металлическими, как более надежные с точки зрения эксплуатации, без ухудшения оптических свойств усилителя.
1. Конструкция лазерного усилителя, включающая защитный кожух, основание и несущий каркас, на котором в центре размещен узел активного элемента, а вокруг него на равном расстоянии друг от друга закреплены импульсные лампы накачки и отражатели, отличающийся тем, что несущий каркас образован узлом активного элемента, импульсными лампами и отражателями, которые механически скреплены между собой с помощью двух вертикальных фланцев.
2. Конструкция лазерного усилителя по п.1, отличающаяся тем, что крепление импульсных ламп осуществляется металлическими полукольцами через резиновые шайбы к вертикальным фланцам с регулировкой усилия крепления винтами.
3. Конструкция лазерного усилителя по п.1, отличающаяся тем, что отражатели выполнены из металла с рабочей поверхностью, обработанной электрополировкой.
