АННОТАЦИЯ 3
Введение 5
1 Литературный обзор 7
1.1 Накачка и инверсия в период ионизации плазмы 7
1.2 Коэффициент полезного действия 9
1.3 Импульсная мощность 10
1.4 Удельная энергия импульса 11
1.5 Частота следования импульсов 11
1.6 Средняя мощность лазерного излучения 13
1.7 Газоразрядная трубка лазера на парах металлов (ГРТ) 14
1.8 Роль тиратрона ТГИ1 в коммутации разрядного контура лазера 15
1.9 Особенности работы тиратрона ТГИ1 в импульсно-периодических лазерах 17
1.10 Энергетические ограничения лазеров на самоограниченных переходах атомов
металлов 18
1.11 Активный элемент лазера на парах меди серии «Кулон» 19
2 Г енератор Маркса 22
2.1 Принцип действия генератора Маркса 22
2.2 Применение генератора Маркса в накачке активной среды ЛИМ 23
3 Экспериментальная часть 26
3.1 Описание экспериментальной установки 26
3.2 Методика и результаты экспериментального исследования 28
4 Патентное исследование 33
4.1 Динамика патентования 33
4.2 Анализ патентовладельцев 35
4.3 Анализ технического уровня и тенденций развития 38
4.4 Выводы по патентному исследованию 44
5 Экономическое обоснование 46
5.1 Основная идея 46
5.2 Анализ рынка 46
5.2.1 Потребители 46
5.2.2 Конкуренты 47
5.2.3 SWOT - анализ 47
5.2.4 Динамика рынка лазерных установок 49
5.3 Затраты на техническое решение 50
5.4 Выводы по экономическому обоснованию 52
6 Устойчивое развитие 54
7 Информационная карта 56
8 Инженерная этика 62
Заключение 65
Список использованной литературы 66
Приложение А
Современные лазерные технологии занимают ключевое место в развитии многих научных и технических направлений. Лазеры находят широкое применение в атмосферном зондировании, обработке материалов, оптической связи, спектроскопии и других сферах, где требуется точное управление световыми импульсами с высокими энергетическими характеристиками. Особое внимание среди разнообразия лазерных систем уделяется лазерам на парах меди (ЛПМ), которые благодаря своей способности излучать в видимом спектре с короткой длиной волны и высокой мощностью импульсов продолжают оставаться востребованными и эффективными источниками лазерного излучения. ЛПМ способны работать с высокой частотой генерации импульсов, что расширяет возможности их применения в задачах, где необходимы мощные и стабильные лазерные импульсы.
Несмотря на свои преимущества, лазеры на парах меди обладают рядом технологических ограничений. Одним из существенных факторов, снижающих их эффективность, является процесс накачки активной среды. При работе лазера часть энергии теряется из-за сложных ступенчатых ионизационных процессов в газоразрядной трубке, что приводит к ухудшению основных параметров лазерного излучения — снижению энергии в каждом импульсе и уменьшению средней мощности генерации. Дополнительные трудности возникают из -за ограничений традиционных схем накачки, которые не всегда способны обеспечить стабильную работу при высоких напряжениях и частотах следования импульсов.
Для повышения эффективности накачки в ЛПМ предлагается использование генератора Маркса — высоковольтного устройства, предназначенного для получения импульсов высокого напряжения за счёт последовательного соединения нескольких предварительно заряженных конденсаторов. Такая схема позволяет значительно увеличить напряжение, подаваемое на газоразрядную трубку, что способствует более полному и эффективному возбуждению активной среды. Применение генератора Маркса расширяет возможности управления процессом накачки, обеспечивая более гибкую и надёжную работу системы, а также снижая нагрузку на чувствительные элементы схемы, например, тиратроны, которые в классических схемах подвержены повышенным нагрузкам при высоком напряжении.
Особенностью рассматриваемой системы накачки является двухэтапный процесс: на первом этапе происходит зарядка накопительного конденсатора, а затем на втором — его разрядка через газоразрядную трубку, что позволяет формировать импульсы с оптимальными параметрами. Такой подход обеспечивает снижение энергетических потерь, связанных с формированием лазерного импульса, уменьшает нежелательные процессы и повышает стабильность работы лазера на высоких частотах следования импульсов. В результате существенно улучшаются энергетические характеристики ЛПМ, что открывает новые перспективы для их применения в современных лазерных технологиях. Целью данной работы является оценка эффективности накачки активной среды лазера на парах меди генератором Маркса. В соответствии с поставленной целью будут решаться следующие задачи:
1. Изучить современное состояние исследований по
данной научной проблеме (аналитический обзор литературы).
2. Выполнить экспериментальное исследование энергетических
характеристик лазера с использованием генератора Маркса.
3. Определить оптимальные параметры элементов схемы.
4. Провести экспериментальное тестирование предлагаемых технических решений.
5. Сравнить параметры накачки активной среды ЛПМ при использовании классической схемы и генератора Маркса.
На сегодняшний день лазеры на парах меди остаются востребованными в научных и прикладных областях благодаря своей способности генерировать мощные импульсы в видимом спектре с высокой частотой следования. Однако их эффективность ограничена процессами накачки активной среды, которые сопровождаются значительными энергетическими потерями. В данной работе исследована возможность применения генератора Маркса для повышения эффективности накачки, что позволило преодолеть ряд ограничений, характерных для традиционных схем.
Проведённые исследования показали, что применение генератора Маркса обеспечивает значительное улучшение энергетических характеристик лазерной системы. В ходе экспериментов удалось добиться увеличения напряжения накачки до 10 кВ на газоразрядной трубке УЛ-102, что почти вдвое превышает возможности стандартных схем. Это привело к росту средней мощности генерации с 4,9 Вт до 7 Вт при оптимальной частоте следования импульсов 9 кГц. Важно отметить, что работоспособность системы сохранялась в расширенном диапазоне частот от 8 до 15 кГц без потери стабильности работы, что существенно повышает её практическую ценность для различных применений.
Особого внимания заслуживает снижение энергетических потерь в предлагаемой схеме. Благодаря особенностям работы генератора Маркса удалось минимизировать паразитные процессы, такие как фантомные токи, которые в традиционных системах могут достигать 50% от общей энергии накачки. Экономический анализ продемонстрировал значительную выгоду от внедрения генератора Маркса: затраты на реализацию и обслуживание схемы сокращаются более чем в 4 раза по сравнению с системами генератор-усилитель. Это делает предложенное решение не только технологически перспективным, но и экономически целесообразным.
Несмотря на достигнутые результаты, работа также выявила направления для дальнейших исследований, такие как оптимизация параметров разрядного контура и разработка методов снижения шума при работе установки. Учитывая устойчивый рост рынка лазерных технологий, совершенствование систем накачки Л11М остаётся актуальной задачей, способствующей развитию отечественных высокотехнологичных решений.
Таким образом, применение генератора Маркса для накачки активной среды лазера на парах меди является эффективным и перспективным направлением, сочетающим в себе высокие энергетические показатели, надёжность и экономическую выгоду.
