книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров

разрядниках формирует импульсы длительностью от одной до несколько десятков наносекунд с частотой повторения до 10 кГц, при этом мощное^ в нагрузке может достигать нескольких сотен киловатт.

Для пробоя искрового промежутка в разряднике требуются импульсы ампл^ тудой 1000 В и более. Формирование высоковольтных пусковых импульсов связано с использованием высоковольтных ключей (тиратронов, ламп, тирис. торов и др.),которыё, в свою очередь, требуют отдельных устройств для форм*, рования запускающих импульсов. Наличие в генераторах высоковольтный элементов для формирования пусковых импульсов разрядников, а также наличие самих разрядников приводит к тому, что такие генераторы имеют сра& нительно большие габариты и вес, а схемы их весьма сложны. Необходимость разогрева катода тиратронов и ламп, используемых в генераторах, требуй достаточно большой мощности (20 - 60 В) и времени ( 1 - 5 мин). Кроме тоге разрядники работают в среде газа под давлением 5-10 атм и имеют сро службы, ограниченный числом импульсов 107.

Применение описанных генераторов существенно ограничено отмеченные недостатками и полностью зависит от успеха усовершенствования разрядников Например, снижение пусковых напряжений до 200 - 300 В и использовав в устройствах запуска полупроводниковых приборов позволит существенна упростить схему генератора накачки.

Использование генераторов на быстродействующих разрядниках в нас тоящее время может быть оправдано в тех устройствах, где требуются токи дв накачки лазеров порядка 1000 А и более при длительностях импульсов в нескож ко наносекунд и не предъявляется жестких требований по внешним воздействия и .габаритно-весовым характеристикам.

Формирование импульсов тока с помощью электровакуумных ламп

Генератор импульсов тока на электровакуумных лампах, как права состоит из задающего генератора и нескольких каскадов усиления, из котор последний является усилителем мощности [94, 95]. Обычно задающий генера1 работает в автоколебательном режиме и формирует импульсы необходм формы с заданной частотой повторения. В задающем генераторе весьма тру] сформировать импульсы требуемой формы и мощности, которые требуются, "раскачки” усилителя мощности. Поэтому между задающим генератором и )

лителем мощности включается промежуточный усилитель импульсов. Чаще вс промежуточный каскад строится по схеме трансформаторного усилителя имп] сов. Усилитель мощности выполняется по схеме с частичным разрядом нак( тельной емкости. В качестве ключевых Элементов используются мощные ими1 сные электровакуумные триоды или тетроды.

Особенностью генераторов этой группы является возможность получ* импульсов широкого диапазона длительностей и частоты повторения. Они с чаются высокой радиационной стойкостью. Так, генераторы на электровакуу!^ лампах работают без изменения параметров при потоках нейтронов г

10161017 нейтр/см2 и дозе гамма-излучения 105- 1 0 бР.

Для согласования высокого (сотни Ом) выходного сопротивления усил* мощности с низким (несколько десятых долей Ома) сопротивлением л*

162

Используется трансформатор. Его наличие является принципиально необходимым, причем коэффициент передачи при этом, как правило, должен находиться в пределах (1/20 - 1/40). При этом практически невозможно передать импульсы малой длительности без искажения, так как приведенная емкость трансфор­ маторов становится значительной, а постоянная времени, цепи превышает 100 нс. К недостаткам следует отнести также необходимость большого времени и мощ­ ности для разогрева катодов ламп, большие габариты и вес, низкий КПД.

Тиратронные формирователи импульсов тока

Генераторы импульсов тока, в которых в качестве ключевых элементов используются тиратроны, представляют йнтерес для разработчиков прежде всего потому, что могут формировать импульсы наносекундной длительности ампли­ тудой несколько килоампер с частотой повторения до десятков килогерц [96,97].

Формирование импульсов тока осуществляется следующим образом. Нако­ пительный элемент от источника постоянного тока через цепь заряда запасает необходимую энергию. При подаче импульса запуска на сетку тиратрон откры­ вается и накопитель разряжается через него на нагрузку. На последней форми­ руется импульс, форма которого зависит от свойств накопителя и тиратрона,

атакже от величины паразитных индуктивностей и емкостей схемы.

Вмалогабаритных тиратронных генераторах импульсов тока для накачки полупроводниковый инжекционных лазеров в качестве токового ключа исполь­ зуются сверхминиатюрные импульсные тиратроны типа ТГИ1-8/1. С целью сокращения габаритов в этих генераторах блок запуска выполнен на полупро­ водниковых приборах, а в качестве накопительной линии используется малогаба­ ритная симметричная полосковая линия. Генератор обеспечивает на нагрузке 0,1 - 0,3 Ом импульсы тока амплитудой 100 - 150 А, длительностью 50 нс, час­

тотой повторения 5 кГц, длительность фронта и спада при этом составляет 2 - 5 нс, КПД генератора равен 11%. Габариты генератора 115x70x50 мм3, вес 500 г, время готовности 1 мин.

Существенным недостатком генераторов тиратронного типа является их низкий (6 - 15)% КПД,который обусловлен дополнительной потерей мощности для подогрева катода тиратрона. В качестве ключевых элементов генераторов накачки могут использоваться тиратроны с холодным катодом, не требующие мощности и времени для разогрева катода [139].

Эти приборы в сверхминиатюрном оформлении способны коммутировать ток 50 - 100 А при анодном напряжении 5 - 8 кВ за 1 нс. КПД этих генераторов составляет (30 - 35)%. В работе [139] приведены результаты исследования тиратрона дугового разряда с холодным катодом ТХИ1-1000/2,5 в режиме Формирования высоковольтных наносекундных импульсов. Показана возможность ^пульсов на нагрузке 50 Ом амплитудой 3 - 6 кВ с временем нарастания 20 нс. Однако неудовлетворительная устойчивость тиратронов к воздействию радиации, а также небольшая (несколько сот герц) частота повторения импульсов, сравни­ тельно небольшой срок службы тиратронов с холодным катодом (10б - 107 ^пульсов) несколько сужает область использования этих генераторов. Кроме ого, тиратронные генераторы имеют те жё недостатки, что и генераторы, вы- ^лненные на быстродействующих разрядниках и электровакуумных лампах.

Мощные тиратронные генераторы с амплитудой импульсов до 10 кА при

:1*

163

длительности 50 - 250 нс описаны в работах [96, 97]. Однако указанные генб2 раторы имеют большие габариты и вес до 20 кг и используются, как правиле; в лабораторных условиях.

Формирователи импульсов с помощью таситронов

Таситроны - это приборы, специально приспособленные для работы в им­ пульсно-периодических режимах [134,135]. Таситроны способны коммутировать импульсные токи амплитудой 100 - 500 А при частоте повторения 120 - 200 кГц в наносекундном диапазоне длительностей. Генераторы, в которых в качестве ключевых элементов используются импульсные таситроны, строятся по схеме мо­ дуляторов с частичным или полным разрядом накопителя энергии. Вариант схемы модулятора определяется целевым назначением генератора и его выходными параметрами.

В работе [134] описан генератор, выполненный на таситроне ТГУ1-5/12, который формирует импульсы напряжения амплитудой 20 кВ, длительностью 70 нс и частотой повторения 120 кГц. Длительность фронта составляла 35 нс.

В работе [135] описан генератор импульсов, выполненный на таситроне ТГУ1-5/12 по схеме модулятора с полным разрядом накопителя энергии. Гене­ ратор формирует импульсы тока амплитудой 135 А, длительностью 65 нс и час­ тотой повторения 24 кГц. Длительность фронта импульса составляла 20 нс, а длительность спада не превышала 35 нс. Однако таситронные генераторы имеют те же недостатки, что и генераторы, выполненные на тиратронах и электро­ вакуумных лампах.

Формирователи импульсов с электромеханическим коммутатором

Вработах [136 - 138] описаны генераторы, в которых в качестве ключевых| элементов используются электромеханические коммутаторы - герконы. Они| обладают малой индуктивностью, что позволяет формировать импульсы напря­ жения амплитудой 3 - 10 кВ, а также коммутировать токи десятки ампер за время около 1 нс.

Вработе [136] описан генератор на герконе КРМ-6, формирующий прямо­ угольные импульсы на емкостной (примерно 50 нФ) или резистивной (примерно 50 Ом) нагрузках с амплитудой до 3 кВ, длительностью фронта 1 нс и частотой повторения 100 Гц. При меньших значениях напряжения питания генератор

В работе [137] описан генератор наносекундных импульсов с использованием геркона КЭМ-1. Генератор формирует импульсы с амплитудой 10 кВ на резистие нЗй нагрузке (50 - 75 Ом) фронтом длительностью 1 нс. Длительность импульй составляла 100 нс. Важным достоинством такого генератора является возмоН ность регулирования в широких пределах амплитуды импульсов при их нет менных форме и длительности фронта

Герконы, как и большинство электромеханических коммутаторов, име£ серьезные недостатки, одними из которых являются собственные колебан»] ("дребезг” ) контактов. Колебания контактов могут привести к их подгоранию (пй нулевом напряжении на герконе), а также к искажению импульса Кроме то^ генераторы на герконах неустойчивы к воздействию радиации и магнитного nof] имеют низкую частоту повторения импульсов.

164

i> Импульсные характеристики приборов с биполярной проводимостью

К поликристаллическим или аморфным материалам относятся керамические или стеклообразные полупроводники [108]. Тонкая пленка такого неупорядочен­ ного полупроводника служит рабочим элементом приборов с биполярной прово­ димостью. В настоящее время основным компонентом варисторов и разрядников является оксид цинка. Для получения заданной нелинейности вольт-амперной характеристики в качестве добавки применяются A l,G ay!n. Пороговое напряже­

амплитуде импульса тока 2 кА. Оксид цинка применяется для защиты радиоэлект­ ронной и электротехнической аппаратуры от перенапряжений, а также для стаби­ лизации и формирования напряжений.

Быстродействие варисторов и твердотельных разрядников на их основе позволяет использовать их в генераторах мощных импульсов. Так, керамические варисторы имеют время включения 1 нс и время выключения не более 100 нс при максимальном токе до 1000 А [108].

165

Г Л А В А 3

СТАБИЛИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

Наличие дестабилизирующих факторов - отклонения температуры окру, жающей среды, величины питающих напряжений, разброса параметров активных и пассивных элементов излучателя - приводит к значительному изменению излучаемой' мощности и потенциала системы. В свою очередь, отклонение температуры окружающей среды изменяет порог генерации, что приводит при заданном токе накачки к нарушению условия необходимого превышения тока накачки над его пороговым значением. Оптимальным будет такой режим накачки полупроводникового лазера, когда изменение его тока при наличии дестаби­ лизирующих факторов обеспечивало бы определенный независимый уровень интенсивности излучения при допустимых режимах работы элементов схемы.

Наиболее часто применяемые варианты стабилизации уровня излучаемой мощности сводится к двум методам - независимой регулировке тока накачки по априорной информации изменения порога генерации полупроводникового лазера, автоматической стабилизации уровня выходной мощности за счет введения оптической обратной связи.

Стабильность длины волны излучения полупроводниковых лазеров дости­ гается при постоянстве тока накачки. Для дальнейшего снижения относительной нестабильности длины волны кроме этого требуется регулировать температуру кристалла ПКГ с помощью микрохолодильника

3.1. ОПТИЧЕСКАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ

Функциональная схема излучателя с оптической обратной связью пред­ ставлена на рис. 3.1. Рассмотрим некоторые особенности работы данного варианта стабилизации излучаемой энергии. С задающего генератора (ЗГ) импульсный сигнал с амплитудой x(t), изменяющейся во времени, поступает на

формирователь импульсов тока накачки (ФИ) и полупроводниковый лазер (ЛПИ), мощность излучения которого равна

P0(t) = K (t)x (t); P jt) - P0(t)- (1 - 1/ш д) ,

где K(t) = К 0[1 - zft)]; K(t) - коэффициент преобразования сигнала с задающего генератора в энергию излучения для разомкнутой цепи обратной связи; z(t) -

нестабильность коэффициента преобразования, обусловленная дестабилизи­ рующими факторами; К 0 - среднее значение коэффициента преобразования; тд- коэффициент, учитывающий долю мощности излучения лазера, отводимую в

цепь оптической обратной связи.

При замыкании цепи обратной связи в выражение (3.1) автоматически добавится слагаемое, компенсирующее функциональные изменения усиления QAft). Предполагая процесс регулировки линейным, имеем

K(t) = K 0[1 + z (t)-Q A (t)],

166

где е0 =А0 mA/0 (QS^) .

Рассмотрим наиболее часто встречающийся на практике случай, когда амплитуда с задающего генератора во времени не изменяется, а фильтром

где 6 к = 5ф/С0х 0/п1д.

Принимая во внимание, что процесс x(t) является медленным по сравнению с

В большинстве случаев z(t) есть нарастающая функция

167

4W'e ~ el.

Условие выхода излучателя на стабильный режим найдем как z(t) = Q A(t).

Тогда после несложных преобразований можно получить

Уравнение (3.6) является трансцендентным относительно переменной t

достигается увеличением значений х0,5 фи К 0и уменьшением коэффициента т д.

Практическая реализация генератора накачки с оптической обратной связью показана на рис. 3.2.

Отличительной особенностью схемы является наличие грубой и точной настройки уровня излучаемого сигнала, которая осуществляется за счет термо­ резисторов и оптической обратной связи соответственно. При этом диапазон регулирования по цепи обратной связи уменьшается, что позволяет повысить точность подстройки амплитуды выходного сигнала

На транзисторах VTX - VT5 собран регулируемый стабилизатор напряжения.

Генератор на транзисторе УТ7 определяет частоту повторения импульсов, которые подаются на усилитель с регулируемым коэффициентом передачи (VT8, VT9).

Усиленный импульс заряжает накопительную емкость а его срез с помощью дифференциальной цепи С9Яя преобразуется в импульс запуска тиристорного модулятора, который формирует импульсы накачки длительностью 300, с фронтом 130 и срезом 250 нс. Сокращение фронта и среза примерно до 40 нс при длительности импульса 100 нс достигается за счет ДНЗ VD^ и дросселя с

насыщающимся сердечником-12 [103].

168

Часть излучаемой мощности поступает на фотоприемное устройство (V D ^ j Ш 2), выходные импульсы которого преобразуются пиковым детектором (VD3) в/

управяющее напряжение. Управляемый аттенюатор (VT6), шунтируя стабилитрон VDlf изменяет напряжение питания импульсного усилителя. В результате этого

поддерживается неизменная мощность излучаемых импульсов (рис. 3.3). Импульсное питание тиристорного ключа обеспечивает высокую частоту пов­ торения (до 10 кГц). В генераторе используются терморезисторы ММТ-1-6,8 кОм (Яб-Я 9). Параметры намоточных узлов даны в табл. 3.1. Потребляемая мощность не превышает 20 Вт. Особенностью генератора является постоянство формы и длительности импульса при изменении амплитуды тока накачки от 35 до 100 А (на эквиваленте нагрузки 0,5 Ом).

Таблица 3.1

Параметры намоточных узлов генератора накачки с обратной связью

Для введения оптической обратной свзяи в генераторах накачки полупро водниковых лазеров непрерывного режима работы используют фотодиод встроенные в корпусе ПКГ (табл. 1.5). На рис. 3.4 приведена схема генератор накачки лазера ИЛПН-108. Устройство состоит из усилителя мощности (тран зисторы (V7V-VT3) и цепи автоматической регулировки тока накачки (фотодио; операционный усилитель DA2, транзистор VTJ. Встроенный фотодиод работает*

отрицательным смещением (в фотогальваническом режиме). Регулируют* напряжение усиливается УПТ, охваченным глубокой отрицательной обратно связью (Я8> С3), и поступает на второй затвор транзистора VTlt определяя кр'

тизну его проходной характеристики. На первый затвор ПТ подается моду^ рующее колебание (меандр) с частотой до 30 МГц. Цепь Я4Сб обеспечивав плавное увеличение тока накачки при включении генератора, объем которой 30 см3, потребляемая мощность составляет 0,7 Вт.

170