Установки. ККД лазера

Мета роботи: вивчити, склад і пристрій електричної частини лазерної технологічної установки (ЛТУ); ознайомитися з етапами перетворення енергії в лазерних установках і з методами виміру енергетичних параметрів лазерного випромінювання; зняти енергетичну характеристику ЛТУ залежно від параметрів схеми накачування; визначити КПД лазера при різних режимах його роботи.

2.1. Устаткування й прилади

Лазерна технологічна установка "КВАНТ-16"; вимірювач енергії ИКГ-1М; лазер газовий ЛГ-105.

2.2. Загальні положення

Для збудження твердотільних і газових випромінювачів використовуються джерела живлення, що працюють на специфічне навантаження у вигляді газорозрядного проміжку. У газових лазерах джерело живлення безупинно збуджує активний елемент (у газорозрядній трубці), а у твердотільних лазерах - через лампи накачування. Пристрої

електроживлення лазерів здійснюють імпульсне або безперервне збудження газорозрядних ламп оптичного накачування або газових активних середовищ.

Основні функціональні елементи імпульсного джерела живлення (рис. 7.1): індуктивно-ємнісний перетворювач (ИEП) сіткової напруги в джерело струму; високовольтний випрямляч (ВВ); дільник зворотного зв'язку (ДОС); накопичувач енергії (НЭ); блок запалювання газорозрядного проміжку високовольтним імпульсом (БЗ); система керування (СУ); лампи накачування (ЛН).

Рис. 7.1 Схема основних функціональних елементів імпульсного джерела

живлення

ИЕП являє собою особливий клас пристроїв, принцип дії якиx заснований на явищах резонансу в електричних ланцюгах, що містять індуктивності і ємності. Він дозволяє трансформувати електромагнітну енергію таким чином, що змінний синусоїдальний струм на його виході виходить пропорційним вхідній напрузі й незмінним за значенням незалежно від зміни опору навантаження. Паралельна тиристорна комутація дозволяє

раціонально керувати зарядним ланцюгом. Нечутливість ИЕП до коротких

замикань дозволяє включати паралельно виходу, перетворювача

тиристорний комутатор. ВВ призначений для формування напруги постійного струму, що

накопичена в накопичувачі енергії, і складається з набору мостів, з'єднаних

паралельно або послідовно залежно від максимальної напруги й значення

зарядного струму.

Рис. 7.2 Система керування (СК)

ДОС входить до складу системи регулювання й стабілізації вихідної напруги. Енергія електричного поля в НЭ може бути накопичена в конденсаторах, а магнітного - у котушках індуктивності. Застосовуються також електрохімічні методи накопичення електромагнітної енергії в акумуляторних батареях. Залежно від режиму роботи лазера

використовуються одноконтурні накопичувачі й накопичувачі зі штучною довгою лінією (див. рис. 7.7). Число ділянок LC не перевищує п'яти. У ряді випадків, наприклад для лазерних технологічних установок, потрібна складна форма імпульсу випромінювання лазера, що дозволяє оптимизувати процеси зварювання, pозмірної обробки матеріалів й ін. Для цієї мети застосовуються багатоконтурні схеми з різними електричними параметрами, контури в яких комутуються в певній послідовності. В джерелах для накачування твердотільних і газових лазерів, розряду накопичувача передує запалювання газорозрядного проміжку високовольтним імпульсом. БЗ містить генератор імпульсів запалювання, високовольтний трансформатор, підключений до електрода лампи накачування, а також, що блокує конденсатор.

В cxему СК (рис. 7.2) входять генератор тактових імпульсів (ГТИ),тригер зарядки (ТТ), пристрій порівняння (ВУС), реле керування (РУ), вузол блокування (БЛ), формувач імпульсів керування розрядним контуром (ФИ). Схема, що задає цикл роботи джерела живлення. Працює наступним чином. ГТИ своїм імпульсом перекидає ТТ у стан зарядки

накопичувача й видає сигнал на РУ. Енергія мережі через ИЕП і ВВ надходить на НЭ "немає зарядки". Одночасно із цим на виході РУ з'являється сигнал, що переводить ИЕП у виключений стан. Разом із сигналом Цу ТТ виробляє сигнал на вхід ФИ, що запускає БЗ. Повторну зарядку накопичувача можна починати не раніше, ніж деіонізується лампа накачування (12 мс). Із цією метою в СУ уведений БЛ, що спрацьовує одночасно з ФИ й замикає ТТ на час деіонізації лампи. При створенні джерел живлення газових лазерів їхню зовнішню характеристику необхідно погодити з вольт-амперною характеристикою газового розряду й забезпечити початкове запалювання розрядного проміжку. Найпростішими джерелами живлення газових лазерів є випрямні пристрої, що навантажують на газорозрядний проміжок, паралельно якому включено активний баластний опір. Для початкового запалювання газорозрядного проміжку використовується БЗ. Причини невисокого ККД лазера – багатогранність процесу перетворення струму

сіткової напруги в постійний струм високого потенціалу, а також відносно невисока ефективність перетворення енергії накачування в активному середовищі в енергію люмінісценції. Саме більше число етапів перетворення енергії при оптичному накачуванні пояснює істотно низький ККД лазера на твердому тілі в порівнянні з газовими, що використовують накачування прямим електронним збудженням або резонансним переносом енергії: для лазерів на рубіні й гранаті. ККД досягає 1%, на склі з неодимом 5,0...6,0%, тоді як для молекулярних лазерів на СО2 він становить 20...25%.

У лазерних установках енергетичні параметри лазерного випромінювання вимірюють прямим або непрямим методом. Для встановлення абсолютного значення енергії випромінювання застосовується калориметричний вимірник типу ИКТ-1М. Вимірник енергії одиночних імпульсів ИКТ-1М є диференціальним калориметром із твердотільним

поглинаючим навантаженням. Принцип роботи приладу полягає в порівнянні теплової дії лазерного випромінювання, поглиненого приймальним елементом, з тепловою дією постійного струму, що розсіює на тому ж поглинаючому навантаженні. Нагрівання навантаження, поглиненою енергією, реєструється мідним дротовим термометром опору,

включеним у мостову схему. Прилад складається з вимірювальної головки 1, блоку індикації 2 й юстирувального механізму (див. рис. 7.1). У ЛТУ часто використовується відносний метод виміру енергії. Процес виміру при цьому заснований на відхиленні частини лазерної енергії за допомогою світло ділильної пластини 3 на п’єзокерамічний датчик 4. З виходу датчика знімається електричний сигнал, пропорційний рівню

випромінювання, що подає на нього, і подається на вхід вимірника енергії ИЭ-2, що входить до складу ЛТУ.