摘要：本文所述的脈沖激光電源適用于泵浦脈沖YAG激光器。由于采用諧振逆變開關(guān)和先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)，并實(shí)施全面的電磁兼容性設(shè)計(jì)，使該電源的總體技術(shù)性能和可靠性大大提高。文中敘述了激光電源的主電路、控制電路以及調(diào)Q電路的工作原理，并給出了該電源的主要技術(shù)參數(shù)。
關(guān)鍵詞：脈沖激光電源
0 引言
激光電源是激光器的能源，它向激光器提供泵浦能量，控制激光輸出強(qiáng)弱和重復(fù)頻率。因此，激光電源是激光器必不可少的重要組成部分。早期的脈沖激光電源，如諧振充電型或LC恒流充電型激光電源，都是用工頻交流變壓器進(jìn)行升壓，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的隔離。由于工頻交流變壓器體大笨重，人們從七十年代開始研制開關(guān)型電源。它是將工頻交流整流成直流，再用開關(guān)功率變換方法，將直流逆變成高頻交流，通過高頻變壓器進(jìn)行升壓，與電網(wǎng)隔離之后進(jìn)行整流，給儲(chǔ)能電容器充電，最后經(jīng)氙燈放電給激光器提供泵浦能量。由于高頻變壓器的體積和重量遠(yuǎn)小于同等容量的工頻變壓器，因此，整個(gè)激光電源的體積和重量大大減小。同時(shí)，由于頻率的提高，每周期給儲(chǔ)能電容器充電少，通過充電電壓的控制，使充電電壓實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可調(diào)，從而大大提高了激光輸出的穩(wěn)定性。
本文介紹的脈沖激光電源性能主要指標(biāo)為：每次脈沖能量25J，脈沖重復(fù)頻率可調(diào)，最大為40Hz，額定輸出功率為l000W，輸出激光能量穩(wěn)定度大于95％，輸出激光延時(shí)穩(wěn)定度為±1μs。
1 主要工作原理
1)主電路工作原理
主電路原理框圖見圖1，主電路由工頻220V供電，整流為310V直流，中間設(shè)有軟啟動(dòng)電路和濾波環(huán)節(jié)，逆變電路由諧振電感、諧振電容和IGBT逆變開關(guān)組成半橋電路，逆變頻率為22kHz，逆變后，通過高頻變壓器進(jìn)行升壓，與電網(wǎng)隔離之后進(jìn)行高頻整流，再給儲(chǔ)能電容器充電。儲(chǔ)能電容器放電前，由觸發(fā)電路產(chǎn)生的高壓將負(fù)載氙燈擊穿電離，預(yù)燃電路給負(fù)載氙燈提供穩(wěn)定的預(yù)燃電流，使負(fù)載氙燈處于放電前的準(zhǔn)備狀態(tài)。
充好電的儲(chǔ)能電容器經(jīng)放電開關(guān)和成形電感給負(fù)載氙燈放電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的泵浦。
2)控制電路工作原理
脈沖YAG激光電源的控制部分主要有信號(hào)源、信號(hào)處理及整形、延時(shí)調(diào)節(jié)、脈沖功率放大、儲(chǔ)能電壓控制以及隔離等電路組成。我們研制的脈沖YAG激光電源采用諧振開關(guān)技術(shù)的主電路結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)電流過零時(shí)刻的關(guān)斷，能夠有效地減少開關(guān)損耗，從而提高了轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)主電路的組成，控制電路主要完成充電控制、放電控制、充放電間的時(shí)間連鎖、調(diào)Q延時(shí)控制等功能。在主電路與控制電路的接口增加隔離措施，以防止主電路對(duì)控制電路的干擾而造成控制電路失控現(xiàn)象的發(fā)生。[!--empirenews.page--]
(1)充電控制
主電路的充電電路是由兩個(gè)IGBT逆變開關(guān)元件組成的半橋電路，兩個(gè)開關(guān)通斷的相位差要求為180°，所以兩路控制信號(hào)的相位差也必須保證為180°。在一個(gè)逆變周期里，每個(gè)IGBT逆變開關(guān)要分別完成導(dǎo)通和關(guān)斷續(xù)流兩個(gè)過程，為防止半橋電路的直通現(xiàn)象，在兩路控制信號(hào)的相鄰兩個(gè)脈沖周期之間，設(shè)定一個(gè)死區(qū)時(shí)間，使半橋電路的兩個(gè)逆變開關(guān)同時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)。充電控制電路的框圖如圖2所示。
電路工作時(shí)，由信號(hào)源產(chǎn)生兩路脈寬可調(diào)、相位差為180°的振蕩信號(hào)，兩路振蕩信號(hào)的合成頻率為22kHz。充電時(shí)，充放電連鎖和停止充電控制端均為高電平，允許充電控制信號(hào)通過與門電路，再經(jīng)過脈沖放大和隔離電路控制主電路逆變開關(guān)工作。當(dāng)主電路儲(chǔ)能電容器充到預(yù)定電壓時(shí)，通過反饋取樣，使停止充電控制端為低電平，封鎖充電控制信號(hào)，使充電過程停止。另外，放電時(shí)，充放電連鎖控制端也產(chǎn)生一個(gè)寬度為l～2ms的低電平，封鎖充電控制信號(hào)，使充電過程在放電時(shí)停止。
(2)放電控制
主電路的放電電路是由SCR作開關(guān)，其導(dǎo)通由放電控制信號(hào)控制，關(guān)斷是由放電電流過零時(shí)自行關(guān)斷的。我們?cè)O(shè)定的幾種固定放電頻率為：lHz、5Hz、10Hz、20Hz、40Hz。另外還具有手動(dòng)單次放電以及外時(shí)鐘編碼控制功能。具有放電頻率多樣，調(diào)節(jié)方便靈活等特點(diǎn)。由于采用晶體振蕩器，因此，頻率精度很高。放電控制電路的框圖如圖3所示。
電路工作時(shí)，由振蕩器產(chǎn)生2MHz的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，供計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器的Q端計(jì)數(shù)到與數(shù)值比較器的預(yù)置數(shù)相等時(shí)，在數(shù)值比較器的Q端輸出一個(gè)與時(shí)鐘脈沖寬度相等的脈沖信號(hào)。同時(shí)，這個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)計(jì)數(shù)器復(fù)位，使計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器第二次計(jì)數(shù)到與數(shù)值比較器的預(yù)置數(shù)相等時(shí)，在數(shù)值比較器的Q端又輸出第二個(gè)脈沖信號(hào)，此過程循環(huán)往復(fù)。這樣，在數(shù)值比較器的輸出端便得到一個(gè)系列的脈沖串，其脈寬為時(shí)鐘脈沖的寬度(即250ns)，頻率f為：
f=2MHz×預(yù)置數(shù)的倒數(shù)
使用這種分頻的方法得到的分頻誤差為±250ns，精度很高。由于后續(xù)電路均為邊沿觸發(fā)方式，對(duì)脈沖寬度的微小變化無特殊要求，因此，整個(gè)放電精度即為±250ns。經(jīng)數(shù)值比較分頻的脈沖信號(hào)再經(jīng)進(jìn)一步的分頻、整形、脈沖放大和隔離后，觸發(fā)放電開關(guān)SCR。同時(shí)也得到了充放電連鎖控制信號(hào)和調(diào)Q延時(shí)同步信號(hào)。
3)調(diào)Q電路工作原理[!--empirenews.page--]
(1)調(diào)Q原理
品質(zhì)因數(shù)Q是表征激光諧振腔質(zhì)量的參數(shù)，與激光諧振腔的損耗成反比，Q值越高，越容易產(chǎn)生激光振蕩。調(diào)Q的目的在于：在激光器開始工作時(shí)，先使激光諧振腔處于低Q值狀態(tài)，此時(shí)工作物資不斷積累粒子。當(dāng)粒子數(shù)積累到最大值的時(shí)刻，使Q值突然階躍性升高，激光諧振腔立即雪崩式地建立起極強(qiáng)的激光振蕩，在極短的時(shí)間內(nèi)輸出激光巨脈沖。目前，脈沖固體激光器都采用KD*P電光晶體作為Q開關(guān)。它主要是依靠在電光晶體上所施加的電場作用改變激光諧振腔內(nèi)的偏振特性來實(shí)現(xiàn)調(diào)Q的，而這個(gè)電場是通過在KD*P電光晶體上施加的四分之一波長電壓產(chǎn)生的，其數(shù)值一般為3 000～4 000V。在KD*P電光晶體上施加四分之一波長電壓作用下，激光諧振腔為低Q值狀態(tài)，進(jìn)行粒子數(shù)的積累過程。當(dāng)粒子數(shù)積累到最大值時(shí)，使用退高壓開關(guān)，去掉所加電壓，即可使激光諧振腔的Q值階躍性突然升高，輸出脈寬極窄的激光巨脈沖。
(2)調(diào)Q電路原理
調(diào)Q電路主要由晶體高壓電路及退高壓電路組成。其原理框圖如圖4所示。
晶體高壓電路要求能夠產(chǎn)生一個(gè)電壓可調(diào)的穩(wěn)定的直流高壓。由于電光晶體具有電容特性，等效電容很小(約30pF)，負(fù)載較輕，因此，采用直流高頻逆變電路較為方便。電路工作時(shí)，由可調(diào)低壓直流電源通過高頻逆變升壓，再整流成高壓直流施加到電光晶體上。通過對(duì)逆變控制信號(hào)的頻率和脈寬的調(diào)節(jié)，施加在電光晶體上的直流高壓非常穩(wěn)定。
退高壓同步信號(hào)(即調(diào)Q同步信號(hào))由放電控制電路給出。以放電控制信號(hào)的上升沿為同步點(diǎn)，經(jīng)過延時(shí)處理、隔離、脈沖升壓后，觸發(fā)退高壓開關(guān)，使激光器輸出激光巨脈沖。在延時(shí)時(shí)間內(nèi)，由于晶體高壓的作用，激光諧振腔的Q值極低，工作物資處在粒子積累過程中，因此，延時(shí)時(shí)間即為粒子數(shù)積累到最大值的時(shí)間。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，延時(shí)時(shí)間約為100～200μs左右。由于不同的激光物質(zhì)的差異，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)針對(duì)不同的激光器進(jìn)行具體地調(diào)節(jié)，以輸出激光最強(qiáng)為準(zhǔn)。
2 電源性能
1)實(shí)際應(yīng)用
用該電源給一臺(tái)脈沖YAG激光器泵浦。實(shí)現(xiàn)了激光器氙燈內(nèi)觸發(fā)、氙燈預(yù)燃、儲(chǔ)能電容器放電、晶體高壓閉鎖和退高壓輸出額定激光。該電源多次參與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外工作，圓滿完成任務(wù)。
2)電源性能
用校驗(yàn)后的儀表，對(duì)該脈沖激光電源進(jìn)行測(cè)試，主要技術(shù)參數(shù)如下表。
3 結(jié)束語
該脈沖激光電源的研制，達(dá)到了預(yù)期的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。由于采用諧振逆變開關(guān)和先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)，并實(shí)施全面的電磁兼容性設(shè)計(jì)，使該電源的總體技術(shù)性能和可靠性大大提高。為YAG脈沖激光器的實(shí)際應(yīng)用提供了可靠保障。
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