Исходные расчетные данные

№ варианта	Тип лазера	p₁₂	m_p	δ	Е_пор, Дж	Е_вых, Дж	τ_и, мс	к_н	η_н
	рубин	1210^-6*	0.85	0.4	600	18	0.5	0.3	0.33
	рубин	1610^-6*	0.82	0.35	620	21,5	0.3	0.5	0.35
	стекло с неодимом	1010^-6*	0.93	0.65	300	20	0.4	0.7	0.32
	стекло с неодимом	810^-6*	0.9	0.45	250	10	0.9	0.4	0.4
	стекло с неодимом	610^-6*	0.87	0.7	220	13	0.8	0.5	0.36
	рубин	810^-6*	0.95	0.33	500	17	0.6	0.6	0.34
	стекло с неодимом	710^-6*	0.85	0.67	250	22	0.4	0.7	0.39
	рубин	810^-6*	0.8	0.32	450	19,5	0.4	0.6	0.33
	рубин	1110^-6*	0.84	0.48	510	15,5	0.5	0.5	0.4
	стекло с неодимом	1510^-6*	0.91	0.55	340	8	1.0	0.4	0.4
	рубин	1810^-6*	0.81	0.5	600	26,5	0.3	0.5	0.31
	рубин	2010^-6*	0.88	0.6	620	18	0.4	0.2	0.37
	стекло с неодимом	1610^-6*	0.93	0.7	320	6,5	1.1	0.3	0.3
	стекло с неодимом	910^-6*	0.95	0.3	270	16	0.5	0.6	0.38
	стекло с неодимом	610^-6*	0.89	0.35	250	13,5	0.5	0.7	0.32
	стекло с неодимом	1310^-6*	0.9	0.65	300	14	0.7	0.5	0.37
	рубин	1510^-6*	0.93	0.52	500	17	0.5	0.4	0.39
	стекло с неодимом	1910^-6*	0.85	0.48	380	10	0.9	0.3	0.4
	рубин	1610^-6*	0.8	0.39	550	15	0.6	0.4	0.32
	рубин	1410^-6*	0.92	0.44	530	21,5	0.4	0.5	0.36
	стекло с неодимом	510^-6*	0.84	0.5	220	12,5	0.8	0.6	0.33
	рубин	2010^-6*	0.87	0.53	600	24,5	0.3	0.3	0.39
	рубин	1210^-6*	0.91	0.61	500	16	0.6	0.5	0.38
	рубин	810^-6*	0.95	0.57	450	15,5	0.5	0.6	0.34
	стекло с неодимом	410^-6*	0.9	0.49	220	6	1.0	0.4	0.37

Процесс изменения равновесного распределения элементарных частиц в активном веществе по их уровням энергии под действием внешнего электромагнитного излучения, постоянного тока или химических реакций называется накачкой. Наибольше распространение как в импульсном, так и в непрерывном режимах работы твердотельных лазеров получил метод оптической накачки газоразрядными лампами, наполненными инертными газами. Некоторые активные вещества могут генерировать при накачке ртутными лампами сверхвысокого давления и иодными лампами накаливания. К новым методам оптической накачки относят использование энергии взрывающейся проволочки, применение излучения сжимающегося плазменного шнура. Исследуется также возможность использования энергии излучения солнца и применение рентгеновских лучей для возбуждения флуоресценции в твердых телах.

При рассмотрении конструктивных и физических параметров ламп накачки следует выбирать такие, которые определяют газоразрядную лампу как элемент электрической цепи, оказывающий влияние на разработку электрической схемы блока питания лазера (табл.2).

Таблица 2. Параметры газоразрядных ламп оптической накачки

Типы параметров	Наименование	Обозначение и расчетная формула
Конструктивные	Расстояние между электродами (длина разрядного промежутка), см	L_л≈l
Внутренний диаметр колбы лампы, см	d_л≈1,2d
Площадь поверхности разрядного промежутка, см²	S_л=πd_л²L_л/4
Начальное давление газа-наполнителя, Па	p₀
Материал, толщина колбы лампы, см	Δ_л
Коэффициент нагрузки	К_л=Е_л/(Е_л)_max
Физические	Удельное сопротивление газоразрядной плазмы, Ом/см	ρ_л=0,9 j ^-0^,5
Полное сопротивление разряда, Ом	R_л≈1,14 L_л d_л^-2j^-0,5
Плотность тока разряда (пиковое значение), А/см²	j_m=1,28i_m d_л^-2
Удельная мощность излучения лампы, Вт/см²	R_л≈0,71d_л²j_m^1,5
Длительность импульса излучения лампы накачки, с	τ_л
Спектральный коэффициент поглощения разрядом собственного излучения, см^-1	α_с(λ)
Температура плазмы, К	T _п ≈1,14·10³j^0,3
Спектральный КПД лампы	b(λ)=I(λ)ωP_л^-1
Параметры разрядного контура	Напряжение самопробоя, В	U _сп
Индуктивность разрядного контура*, Г	L_р.к=Z₀²C
Емкость накопителя (конденсаторной батареи), Ф	C= L_р.к Z₀^-2
Рабочее напряжение на электродах лампы, В	U₀=0,9j_m^0,5L_лS_л^-1
Напряжение поджига, В	U _п
Частота следования импульсов (вспышек), Гц	f_л

* Z₀ – волновое сопротивление разрядного контура, Ом.

При выборе лампы исходным параметром является площадь поверхности разрядного промежутка S_л, которая должна быть примерно равной площади поверхности кристалла. Для ламп обычно применяют кварцевые трубки с нормированной толщиной стенки. Наиболее часто применяемая в твердотельных лазерах прямая импульсная лампа имеет электроды на каждом конце заполненной инертным газом цилиндрической кварцевой трубки. Оба конца кварцевой трубки вакуумплотно свариваются с молибденовыми стержнями – электродами. Потери энергии на нагрев лампы и электродов, а также на поглощение кварцевой трубкой в области длин волн 180...3500 нм не превышают 25...30%. Лампы накачки, предназначенные для работы в импульсных лазерах, наполняют ксеноном, так как этот газ обеспечивает более высокую по сравнению с другими инертными газами светоотдачу, что связано с низким потенциалом ионизации его и сравнительно высокой атомной массой (131,3). Оптимальное давление газа при наполнении составляет (4...13)*10⁴ Па. Ксеноновые лампы бывают различной конфигурации: прямые, трубчатые, трапецеидальные, П- и U- образные, коаксиальные, спиральные. Рекомендуемые значения длины межэлектродного промежутка и внутреннего диаметра кварцевой трубки составляют 4...60 и 0,3...3 см соответственно.

Критериями применяемости импульсных ламп в тех или иных режимах работы являются их надежность и долговечность. К недостаткам импульсных ламп следует отнести сравнительно небольшой срок службы даже при эксплуатации в номинальном режиме. Однако срок службы может быть значительно увеличен при снижении предельно допустимых нагрузок и наоборот. Для эксплуатации твердотельных лазеров необходимо знать долговечность и надежность ламп, определяемую коэффициентом нагрузки К_л= E_л/(E_л)_max. Коэффициент нагрузки представляет собой отношение рабочей энергии лампы к предельной энергии (E_л)_max, которую лампа может выдержать при накачке. Одной из причин разрушения ламп, наряду с эрозией электродов, появлением налета и микротрещин на них, является термоудар, возникающий при работе лазера в режиме квазистационарной генерации излучения. Максимальная энергия (E_л)_max лампы накачки зависит от приложенного импульса накачки и конструктивных параметров лампы:

Расчеты по этой формуле с точностью до 5% совпадают с результатами многочисленных экспериментов (рис.4).

Рис. 4. Зависимость предельной энергии коаксиальных ламп от толщины плазменного слоя:

1 – экспериментальная кривая; 2 – расчетная.

В зависимости от режима питания лампы изменяется спектральное распределение энергии ее излучения (рис. 5).

Рис. 5. Спектральное распределение энергии излучения импульсных ксеоновых ламп.

На этом рисунке 1 - d_л =0,7 см, l =8 см; U₀ =4,6 кВ, С= 2285 мкФ, L =50 мкГн; 2 - d_л =1,1 см, l =13 см; U₀ =4,3 кВ, С =2285 мкФ, L =80 мкГн; 3 - d_л =1,6 см, l =25 см; U₀ =4,2 кВ, С =3500 мкФ, L= 50 мкГн.

С увеличением тока, протекающего через лампу, спектр излучения смещается в область коротких длин волн, отдельные линии становятся менее выраженными и излучение лампы существенно приближается к излучению абсолютно черного тела (АЧТ). Сравнение излучения импульсных ламп (d_л =0,7 см, l =8 см) с излучением АЧТ показало, что и в интервале частот (0,4...20,3) ·10³ см^-1 наблюдается хорошее совпадение. В интервале частот (0,4...26)·10³ см^-1 модель АЧТ дает значения завышенные на 5%. Для получения более выраженной селективности излучения целесообразен переход к работе с малыми плотностями тока.

Удельное сопротивление газоразрядной плазмы связано с плотностью тока ρ_л = 0,9 j ^-0,5. Эмпирическая зависимость величины от начального давления наполняющего газа ρ₀ такова: ρ_л ρ₀^0,25.

Полное сопротивление разряда импульсной лампы R_л= 1,14 L_лd_л^-2j^-0,5, а пиковое значение плотности тока . При условии полного заполнения объема межэлектродного промежутка разрядом плазмы разрядный импульс тока , где - КПД разрядного контура. Удельная мощность излучения лампы, выделяющаяся с единицы длины разрядного промежутка, .

Длительность вспышки и энергия лампы увеличиваются с увеличением емкости конденсаторов блока питания. Например, при изменении емкости в пределах 100...800 мкФ длительность вспышки увеличивается от 1·10^-4 примерно до 7·10^-4 с. Также благоприятно сказывается на возрастании величины предельной энергии лампы уменьшение крутизны нарастания импульса разрядного тока.

Рис. 6. Спектральное распределение энергии излучения лампы в различные моменты времени при

Это достигается введением индуктивности в разрядный контур лампы. Спектральный коэффициент поглощения разрядом собственного излучения α_с(λ) пропорционален на пряжению питания лампы, и при оптимальном значении напряжения на электродах он достигает 1,1 – 2 см^-1. Например, для лампы типа ИФП-800 при U₀ =500 В α_с(λ)= 1,5 1/см, а при U₀ =1000 В α_с(λ)= 2,6 1/см.

Коэффициент поглощения α(λ) зависит от длины волны (рис.7,а) и от плотности тока j_м (рис.7,б).

Рис. 7,а. Зависимость коэффициента поглощения α(λ) от длины волны λ.

Рис. 7,б. Зависимость коэффициента поглощения α(λ) от плотности тока j_м.

На этих рисунках: 1 - d_л =0,7 см, U₀ =5 кВ, С=1115 мкФ, L =30 мкГн, j_m= 2,7 кА/см²; 2 - d_л =0,7 см, U₀ =4,3 кВ, С =2285 мкФ, L =80 мкГн, j_m= 2,7 кА/см²; 3 - d_л =1,1 см, U₀ =4,9 кВ, С =1408 мкФ, L= 30 мкГн, j_m= 2,1 кА/см²; 4 - d_л =1,6 см, U₀ =4,2 кВ, С =3500 мкФ, L= 50 мкГн, j_m= 1,4 кА/см²; 5 - d_л =1,6 см, U₀ =4 кВ, С =2450 мкФ, L= 80 мкГн, j_m= 1 кА/см².

Зависимость коэффициента поглощения от плотности тока близка к прямой: α_с(λ)=φ(p)j_м, где φ(p) – функция давления наполнения, определяемая графически.

Напряжение на электродах лампы:

U₀=jR_л=0,9j^0,5L_лS_л^-1.

Изменение величин U₀, i_m, P_л, R_л, E_л во времени показано на рис.8.

Рис. 8. Изменение во времени параметров разряда:

1 – активное сопротивление; 2 – мощность; 3 – энергия;

4 - напряжение; 5 – ток.

Температуру плазмы можно оценить с помощью эмпирической формулы:

T_п=1,14·10³j^0,3.

Спектральный КПД лампы можно определить, если известны спектральная плотность потока излучения F(λ)=I(λ)ω и телесный угол, в котором излучается энергия:

b(λ)≈ 1,4 I(λ)ω/(d_л²j_м^1,5).

Перечисленные особенности импульсных ламп оптической накачки обуславливают определенные требования к системам питания. Эти требования в той или иной мере влияют на выбор принципиальных электрических схем блоков питания и на расчет отдельных элементов конструкции.

Одной из характерных особенностей лампы является возможность использования ее в качестве коммутирующего устройства для импульсных лазеров. В этом случае лампа обеспечивает непроводящее состояние разрядного контура при н6аличии на ней напряжения питания. Для каждой лампы существует своя предельная частота вспышек, при превышении которой импульсная лампа переходит в стационарный режим горения. При определенной величине энергии накачки одной микросекунды недостаточно для восстановления электрической прочности газоразрядного промежутка, если скорость нарастания напряжения на электродах лампы составляет около 35 В/мс. Для обеспечения условий коммутации импульсной лампы требуется введение деионизационного промежутка времени между окончанием разряда накопителя и началом его повторной зарядки. Время деионизации зависит от многих причин, а для конкретного типа лампы в основном определяется мощностью накачки и параметрами блока питания. Время деионизации большинства используемых для накачки импульсных ламп составляет не более 15...20 мс.

Рис. 9. Характеристики импульсных газоразрядных ламп:

вольт-амперные – для ксеоновых (1) и криптоновых (2) ламп; мощност

Максимальное напряжение источника питания не должно превышать напряжения самопробоя (напряжение на электродах, при котором возникает самопроизвольный разряд). Управление лампой осуществляется иниицированием разряда высоковольтным кратковременным импульсом поджига. Напряжение самопробоя и зажигания определяют границы изменения напряжения на выходе источника питания. После поджига импульсной лампы сопротивление ее резко меняется.

Параметры разрядного контура, в который включена импульсная лампа, определяют, решая дифференциальное уравнение:

В табл.3 представлены характеристики некоторых ламп накачки применительно к конструкциям импульсных твердотельных лазеров.

Таблица 3. Характеристики импульсных ламп оптической накачки

Тип	Энергия вспышки, Дж	Рабочее напряжение, кВ	Мощность, Вт	Частота следования вспышек, Гц	Длительность вспышек, мкс	Срок службы, тыс. вспышек	Напряжение зажигания, кВ, не более	Напряжение самопробоя, кВ, не менее	Емкость накопительного конденсатора, мкФ	Индуктивность разрядного контура, мкГн
ИФП-600		1,756		0,1	600±50		0,7	3,7
ИФП-800		1,6 1,4 1,5		0,1	600±50 600±50		0,7 0,7 0,6	2,5 2,5
ИФП-1200		1,45 1,1					0,6 0,6
ИФП-2000		1,5		0,066			0,6
ИФП-5000		2,25		0,033			1,2			-
ИФП-5000-2		2,6		0,1 0,033			1,5 1,8	3,5 3,5
ИФП-8000		2,6 4,65		0,066 0,033			1,8	3,5
ИФП-20000		4,65		0,033			2,0
ИФПП-7000		2,6		0,033		0,5	1,5
ИСП-250*						-	0,5			-
ИСПТ-6000		1,45					0,6