На рис.6.3 представлен внешний вид двухканального излучателя ИЛГИ-201 с закрытыми (а) и открытыми (б) крышками в рабочем режиме, а на рис.6.4 — его конструкция. Конструкция излучателя ИЛГИ-201 соответствует лазерной системе З Г - П Ф К - У М — самой эффективной для получения мощных пучков с высоким качеством излучения [126-132] (см. гл. 5). Состав ЗГ и УМ Активными элементами в ЗГ и УМ (/ и 2 на рис.6.4) служат отпаянные саморазогревные АЭ ГЛ-201. АЭ установлены в цилиндри ческие двухстенные водоохлаждаемые стальные теплосъемники 3 и 4, внутренний диаметр которых равен 200 мм. К теплосъемникам АЭ прикреплены через водоохлаждаемые стальные полукольца 5, установ ленные непосредственно на электродных узлах АЭ, и фторопластовыекольца-изоляторы 6, располагающиеся между полукольцами и тепло- съемником. Теплосъемники не только являются несущей конструкцией для АЭ, но выполняют также функцию обратного токопровода. В ЗГ для формирования качественного пучка используется телескопический НР или одно выпуклое зеркало. Оптические схемы излучателя, конструкция резонатора ЗГ и ПФК В конструкции излучателя предусмотрены две возможности исполнения резонатора ЗГ и соответственно два варианта исполнения ПФК. На рис. 6.5, а представлена оптическая схема излучателя в режиме работы ЗГ с телескопическим НР, на рис. 6.5, б — с одним выпуклым зеркалом. Геометрические размеры зеркал (радиус кривизны Я и диаметр зеркала И3) указаны в подписи к рис.6.5. Увеличение телескопического НР составляет М = 180. При использовании такого НР формируются два узконаправленных пучка — с вгеом = = 0,15 мрад и #диф = 0,07 мрад. Выпуклое зеркало при однозеркальном исполнении имеет радиус кривизны Я = 3 или 5 см. При этом формируется пучок с расходимостью 0 р е а л = 0,3 или 0,5 мрад, но с более равномерным распределением интенсивности в дальней зоне и с высокой стабильностью положения оси диаграммы направленности и величины импульсной энергии [126-132]. ПФК предназначен для подавления некогерентных фоновых ком понент излучения ЗГ и пространственного согласования выделенного качественного пучка с апертурой УМ [126, 127, 130, 131]. Диафрагма ПФК, отсекающая фоновые компоненты излучения ЗГ, установлена в перетяжке качественного пучка. Применение зеркального коллима тора, а не линзового исключает возникновение паразитных обратных связей между оптическими элементами ПФК и ЗГ и ахроматических аберраций. Для уменьшения астигматизма коллиматор был расположен параллельно ЗГ и УМ с таким расчетом, чтобы углы входа и выхода пучка были минимальными. Каждой схеме исполнения резонатора ЗГ соответствуют свои опти ческие элементы ПФК, имеющие определенные геометрические разме ры и радиусы кривизны (см. подпись под рис. 6.5). Все элементы оптической системы излучателя (зеркала резонатора ЗГ и коллиматора, поворотные зеркала) конструктивно объединены в один узел, который можно собрать отдельно, предварительно настро ить и затем установить в излучатель. Несущей конструкцией этого узла является трехстержневой каркас из сплава алюминия, на котором закреплены поперечные планки с механизмами юстировки зеркал резо натора, коллиматора и поворотных зеркал. АЭ ЗГ и УМ конструктивно с ПФК не связаны, и при их замене не требуется дополнительная настройка оптической системы. Оптические элементы Для того чтобы предотвратить возникновение ахроматических абер раций в двухволновом пучке и снизить трудоемкость оптико-меха нической обработки, все оптические элементы представляют собой зеркала (см. рис. 6.5). Исключение составляют плоскопараллельная светоделительная пластина (33 на рис.6.4) и стеклянная подложка с наклеенным на нее выходным выпуклым зеркалом (2 на рис. 6.5, а) в телескопическом НР. Пластина и подложка изготовлены из оптиче ского стекла марки К8 и просветлены (коэффициент отражения мень ше 1% в желто-зеленой области спектра). Подложки зеркал выполнены также из стекла К8. Традиционный технологический процесс оптико-механической обработки позволяет изготавливать оптические детали необходимой формы с высоким каче ством поверхности. Отражающее покрытие зеркал представляет собой многослойную диэлектрическую пленку на основе сернистого цинка и фтористого магния. Не все оптические элементы лазера работают в одинаковых усло виях, поэтому их гарантированная наработка разная. Это относится в первую очередь к зеркалам, расположенным со стороны высоко вольтных катодных узлов АЭ. В высоковольтном электрическом по ле взвешенные в воздухе частицы приобретают электрический заряд и осаждаются, большей частью на рядом расположенные зеркала. Уже после 500-ч наработки излучателя в обычных лабораторных условиях на поверхности зеркал образуется диффузно отражающий слой пы ли, заметно снижающий выходную мощность и качество излучения. Для уменьшения влияния пыли необходимо герметизировать простран ство между выходными окнами АЭ и зеркалами. Отметим, что основ ной мерой безопасности при работе с зеркалами является изоляция их поверхностей от прямого физического контакта с любыми твердыми и жидкими телами. Чистку поверхности можно производить с помощью медицинской ваты, смоченной в чистом ацетоне или спирте, и беличьей художественной кисти. Индикатор мощности излучения В качестве приемника индикатора мощности лазерного излуче ния применен преобразователь мощности ТИ-3, отличающийся вы сокими эксплуатационными параметрами. Рабочий диапазон ТИ-3 — 0,1-100 Вт, время установления стационарного режима 50 с. Излуче ние на вход приемника ТИ-3 (34 на рис. 6.4) подается от светодели- тельной пластины 33, установленной на выходе УМ. Термическая ЭДС, возникающая в преобразователе мощности ТИ-3 и пропорциональ ная мощности падающего излучения, либо поступает непосредственно на индикаторный прибор (например, милливольтметр М-135), либо служит в качестве сигнала для введения обратной связи в источник пи тания с целью поддержания мощности излучения на заданном уровне. Устройство управления мощностью излучения Электромеханический затвор с тяговым электромагнитом. Для перекрытия пучка излучения на выходе излучателя уста новлен электромеханический затвор с тяговым электромагнитом ЭУ 2201УЧ.248 (35 на рис.6.4), имеющий следующие параметры: рабочее напряжение 24 В, ток 0,5 А, средняя скорость перекрытия луча 0,25 м/с, разброс времени срабатывания 5 мс. Перекрытие луча в затворе производится с помощью закрепленного в нем «глухого» плоского зеркала с коэффициентом отражения ~ 99% (диаметр зеркала 35 мм). Электронная схема управления мощностью излучения. Элек тромеханический затвор является инерционным и во многих случаях применений ЛПМ, например в технологии, где требуется оперативное управление характеристиками, использоваться не может. С целью по вышения быстродействия была создана электронная схема управления мощностью излучения. Принцип работы этой схемы основан на ча стичном или полном поглощении излучения ЗГ в активной среде УМ, что достигается путем изменения времени задержки сигнала ЗГ отно сительно сигнала УМ (см. гл. 5) [130, 131]. Время задержки зависит от условий возбуждения активных сред ЗГ и УМ и обычно при полном поглощении составляет более 25-30 не. Так, при накачке излучателя от тиратронных источников питания ИП-18 время задержки сигнала ЗГ по отношению к сигналу УМ составляет не менее чем 40 не, с лампо вым источником типа «Плаз» или ИПЛ-10-001 — не менее чем 25 не. Механический затвор. Для полного перекрытия пучка излучения служит механический затвор — заслонка (36 на рис. 6.4), расположен ная на передней панели излучателя. Несущая конструкция и крышки излучателя Основой несущей конструкции излучателя является сварной каркас из стальных труб прямоугольного сечения с размерами 6 0 x 3 0 x 3 мм. На основании этого каркаса закреплены три длинных двутавра сече нием 105x240 мм из сплава алюминия Д16Т. На них размещены все основные элементы излучателя: ЗГ, УМ, ПФК, выходная светодели- тельная пластина, изоляторы для крепления высоковольтных кабелей питания, входной и выходной штуцера системы охлаждения, приемник индикатора мощности, электромеханический и механический затворы, узлы электрической блокировки и крышки. Крышки излучателя не только определяют его форму и эстетиче ский вид, но и выполняют функцию защиты эфира от радиопомех. Крышки изготовлены из стали толщиной 1,2 мм и в местах соединений перекрываются на 15 мм. Излучатель установлен на четырех опорах, позволяющих регули ровать высоту выходного луча в пределах ±10 мм и ориентацию его направления в пространстве с точностью не хуже 0,5 мрад. Механизмы юстировки ЗГ, УМ и ПФК ЗГ и УМ с цилиндрическими теплосъемниками крепятся к несущей конструкции с помощью юстируемых в горизонтальном и вертикальном направлениях опор. При установке и замене АЭ в ЗГ и УМ юстируемые опоры позволяют, при необходимости, совмещать геометрические оси АЭ с осью оптической системы излучателя. Зеркала ЗГ и коллиматора, а также поворотные зеркала закреплены в унифицированных механизмах юстировки, позволяющих производить настройку оптических элементов с достаточно высокой точностью: 0,01 рад на один оборот юстировочного винта (19-26 на рис. 6.4). Система охлаждения излучателя Мощность, выделяемая в излучателе, в зависимости от условий накачки АЭ составляет 3,6-4 кВт — по 1,8-2 кВт от каждого АЭ. Для исключения перегрева АЭ и узлов излучателя и связан ных с этим отрицательных последствий (снижение долговечности, ухудшение стабильности энергетических параметров и положения оси диаграммы направленности, повышение температуры обшивки) при меняется принудительная система водяного охлаждения. Вода уносит тепло от теплосъемников АЭ, его концевых секций и электромехани ческого затвора. Расход воды составляет около 5 л/мин при давлении на входе системы до 2 атм. При этом перепад температуры между входом и выходом системы охлаждения составляет примерно 12 °С. Блокирующие устройства, предупредительные знаки и надписи, поглощающие покрытия Эти меры предусмотрены для защиты обслуживающего персонала от поражения электрическим током и лазерным излучением. Электрические блокирующие устройства (37 на рис.6.4) установ лены для каждой из трех съемных крышек излучателя. На этих же крышках наклеены знаки электрической опасности. На лицевой па нели излучателя, над его выходной апертурой, наклеен знак лазерной опасности, а сама апертура (выходное отверстие) при необходимости может перекрываться механическим затвором (36). В излучателе имеется болт для защитного заземления со знаком «земля» (38 на рис. 6.4), штуцера для подачи («вода») и слива воды («слив»). Все отдельные детали и узлы излучателя под обшивками покраше ны в черный цвет — для снижения уровня рассеянного и переотражен ного излучения. 6.3. Двухканальные источники питания Энергетические параметры излучателя в существенной мере опре деляются типом источника питания. Высокая долговечность и вос производимость параметров АЭ ГЛ-201 и созданного на их основе надежного излучателя ИЛГИ-201 позволили достаточно объективно сопоставить параметры двухканальных тиратронных и ламповых ис точников питания. Тиратронный источник питания Были изготовлены и испытаны два образца ЛПМ «Карелия» с ти- ратронными источниками питания ИП-18. В первом образце модулятор накачки каждого источника питания был выполнен по прямой схеме, во втором — для повышения эффективности возбуждения АЭ — по схе ме удвоения напряжения и магнитного сжатия импульсов тока. Запуск тиратронов ТГИ1-2000/35 модуляторов источников питания осуществ лялся от общего генератора задающих импульсов (ГЗИ), находящегося в одном из источников питания. В другом источнике питания вместо ГЗИ размещался блок синхронизации каналов ЗГ-УМ и стабилизации напряжения накала водородных тиратронов. Блок синхронизации кон структивно представлял собой цилиндрический проволочный (медный) реостат, к средней подвижной клемме которого подключен выход от ГЗИ, а к крайним клеммам — сетки тиратронов. Блок синхрони зации работает как линия задержки, позволяющая сдвигать импульсы тока каналов ЗГ и УМ относительно друг друга в пределах 50 не. Вначале в двухканальном тиратронном источнике питания со схемой удвоения напряжения использовались импульсные повышающие ав тотрансформаторы, которые были объединены вместе с магнитными звеньями сжатия импульсов в отдельный блок. Затем была применена более удобная схема с емкостным удвоением напряжения. В последнем случае элементы повышения напряжения и магнитного сжатия импуль сов тока были компактно установлены непосредственно в модуляторах источников питания. Принципиальная электрическая схема двухканального тиратронно- го источника питания ИП-18 с прямой схемой исполнения модуля торов накачки представлена на рис. 6.6, а. Внешний его вид показан на рис. 6.1. Блок синхронизации и стабилизации напряжения накала тиратронов установлен в левом источнике питания (в блоке с белой па нелью) вместо ГЗИ. Общий генератор задающих импульсов находится в правом источнике питания, над которым установлен блок с авто трансформатором удвоения напряжения и магнитным звеном сжатия импульсов. Оба источника питания ИП-18 подключаются к сети через стабилизатор напряжения СТС2М10, что позволяет повысить стабиль ность выходных характеристик лазера. Ламповые источники питания Исследовано два типа двухканального лампового источника пи тания — «Плаз» и ИПЛ-10-001. Их внешний вид показан соответ ственно на рис. 6.1 и 6.2. Под излучателем «Карелия» (см. рис. 6.2) расположен блок модуляторов, под измерительной камерой — источник тока для питания модуляторов, слева — стойка управления. Прин ципиальные схемы этих источников питания практически одинаковы (рис. 6.6, б). В системах стабилизации мощности лазерного излучения имеются отличия. В ИПЛ-10-001 часть лазерного излучения, преобра зованная датчиком ТИ-3 в электрический сигнал, подается на систему сопоставления, и при наличии отклонения опорного сигнала посылает ся соответствующий сигнал на управляющие сетки ламп ГМИ-29А-1 по обоим каналам — для поддержания заданного уровня средней мощ ности излучения. В «Плазе» поддерживается на заданном уровне сред ний ток в модуляторе каждого канала. Выходные параметры излучате ля «Карелия» с этими ламповыми источниками примерно одинаковы. У «Плаза» более высокое анодное напряжение и как следствие меньше потери мощности на лампах и меньший расход воды. При исполь зовании ламповых источников питания потребляемая мощность АЭ выше, и поэтому условия работы его катода и разрядного канала более тяжелые, чем при использовании тиратронных источников питания. |
