Optimized discharge excitation techniques for short pulse gas lasers : TEA CO2 laser
Date
2013-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Transversely excited atmospheric (TEA) CO2 lasers have found numerous established and
potential applications in both industry and research. However, the development of laser
systems which can meet the demands of these applications is usually hampered by two key
issues: the excitation circuit and the method of preionization. For example, the conventional
thyratron-based exciters can no longer meet the requirements in high repetition rate applications.
Therefore, new technologies and improved excitation techniques should be developed. In this
thesis the development of an efficient all solid-state switched exciter for pumping a TEA CO2
laser and the evaluation of a miniature TEA CO2 laser preionized by corona discharge are
presented. The excitation circuit consists of an insulated gate bipolar transistor (IGBT) as the
primary switch, two stages of magnetic pulse compression (MPC) and a fast pulse transformer.
Three magnetic core candidates that can be used in the MPC network and the pulse transformer
were experimentally investigated. Fe-based nanocrystalline ferromagnetic material, FINEMET
was found to have the best properties for the current application and was subsequently used
in the development of the exciter. A surface-wire corona preionized miniature TEA CO2 laser
was evaluated and the results were compared to those of an earlier spark array preionized laser.
The corona preionizer was constructed from a ceramic tube (Al2O3) and a fine wire stretched
along the surface of the tube. When this extremely efficient yet comparatively inexpensive
preionizer was applied to the laser, output pulse energy of 230 mJ with pulse duration of
FWHM ~70 ns was obtained from a small discharge volume of 50 cm3. This energy output was
found to be higher than that obtained from a spark preionized laser with the same discharge
volume. Moreover the discharge stability was also found to improve drastically. These results
can therefore be used as a reference when developing full scale corona preionized laser systems.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Transversaal opgewekte atmosferiese (TOA) CO2 lasers het breë toepassing in industrie ennavorsing en toon baie potensiaal. Die gebruik van hierdie lasers word egter ingeperk deur twee kern probleme: die opwekkingstroombaan en die metode waarmee die lasermedium vooraf geïoniseer word. Byvoorbeeld kan die algemene “thyratron” gebaseerde opwekkers nie byhou wanneer die herhalingstempo te hoog raak nie. Sodoende is daar ’n behoefte vir die ontwikkeling van nuwe tegnologie en beter opwekkingstegnieke. In hierdie tesis word die ontwikkeling van ’n effektiewe opwekker, met slegs vaste toetstand skakelaars, vir ’n TOA CO2, asook die evaluering van ’n miniatuur TOA CO2 laser wat met ‘n vooraf geïoniseer word deur ’n korona ontlading voorgelê. Die opwekkerstroombaan bestaan uit ’n geïnsuleerde hek bipolêre transistor (IHBT) as die primêre skakelaar, twee vlakke van magnetiese puls kompressie (MPK) en ’n vinnige puls transformator. Drie tipes magnetiese kerne wat gebruik kan word in die MPK netwerk en die transformator is eksperimenteel ondersoek. Die yster gebaseerde nanokristalyne ferromagnetiese materiaal, FINEMET het die beste eienskappe getoon vir hierdie toepassing en is gevolglik gebruik in die ontwikkeling van die opwekker. ’n Miniatuur TOA CO2 laser met ’n oppervlak-geleier korona vir vooraf ionisasie is ondersoek en die resultate is vergelyk met die van ’n vorige TOA CO2 sisteem wat werk met ’n reeks vonkgapings vir vooraf ionisasie. Die korona vooraf ionisasie sisteem bestaan uit ’n keramiek buis (Al2O3) en ’n fyn geleier wat gespan is oor die oppervlak van die buis. Wanneer hierdie hoogs effektiewe dog eenvoudige vroeë ioniseerder aangewend word het ons puls energieë gemeet van 230 mJ met ’n pulslengte van ~70 ns uit ’n ontladings volume van 50 cm3. Ons het bevind dat hierdie energie hoër is as die energie verkrygbaar vanaf die laser met dieselfde ontladings volume wat die vonkgapings gebruik vir vooraf ioniseering . Verder is bevind dat die ontladingstabiliteit drasties beter was. Hierdie resultate kan vervolgens gebruik word as ’n verwysing wanner volskaal laser sisteme met korona vooraf ionisasie ontwikkel word.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Transversaal opgewekte atmosferiese (TOA) CO2 lasers het breë toepassing in industrie ennavorsing en toon baie potensiaal. Die gebruik van hierdie lasers word egter ingeperk deur twee kern probleme: die opwekkingstroombaan en die metode waarmee die lasermedium vooraf geïoniseer word. Byvoorbeeld kan die algemene “thyratron” gebaseerde opwekkers nie byhou wanneer die herhalingstempo te hoog raak nie. Sodoende is daar ’n behoefte vir die ontwikkeling van nuwe tegnologie en beter opwekkingstegnieke. In hierdie tesis word die ontwikkeling van ’n effektiewe opwekker, met slegs vaste toetstand skakelaars, vir ’n TOA CO2, asook die evaluering van ’n miniatuur TOA CO2 laser wat met ‘n vooraf geïoniseer word deur ’n korona ontlading voorgelê. Die opwekkerstroombaan bestaan uit ’n geïnsuleerde hek bipolêre transistor (IHBT) as die primêre skakelaar, twee vlakke van magnetiese puls kompressie (MPK) en ’n vinnige puls transformator. Drie tipes magnetiese kerne wat gebruik kan word in die MPK netwerk en die transformator is eksperimenteel ondersoek. Die yster gebaseerde nanokristalyne ferromagnetiese materiaal, FINEMET het die beste eienskappe getoon vir hierdie toepassing en is gevolglik gebruik in die ontwikkeling van die opwekker. ’n Miniatuur TOA CO2 laser met ’n oppervlak-geleier korona vir vooraf ionisasie is ondersoek en die resultate is vergelyk met die van ’n vorige TOA CO2 sisteem wat werk met ’n reeks vonkgapings vir vooraf ionisasie. Die korona vooraf ionisasie sisteem bestaan uit ’n keramiek buis (Al2O3) en ’n fyn geleier wat gespan is oor die oppervlak van die buis. Wanneer hierdie hoogs effektiewe dog eenvoudige vroeë ioniseerder aangewend word het ons puls energieë gemeet van 230 mJ met ’n pulslengte van ~70 ns uit ’n ontladings volume van 50 cm3. Ons het bevind dat hierdie energie hoër is as die energie verkrygbaar vanaf die laser met dieselfde ontladings volume wat die vonkgapings gebruik vir vooraf ioniseering . Verder is bevind dat die ontladingstabiliteit drasties beter was. Hierdie resultate kan vervolgens gebruik word as ’n verwysing wanner volskaal laser sisteme met korona vooraf ionisasie ontwikkel word.
Description
Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2013.
Keywords
TEA CO2 laser, Excitation, Preionization, Pulse compression, Electronic excitation, Ionization, Gas lasers, Carbon dioxide lasers, Laser pulses, Ultrashort, UCTD