Импульсный источник накачки лазера Российский патент 2024 года по МПК H01S3/92 

Изобретение относится к технике формирования импульсов тока, в частности, к устройствам питания источников накачки твердотельных лазеров.

Известно [1] устройство накачки твердотельного лазера с помощью импульсной лампы накачки, через которую производится разряд накопительного конденсатора путем пробоя разрядного промежутка лампы и пропускания через лампу разрядного импульса тока заданной длительности Т, определяемой емкостью накопительного конденсатора и индуктивностью дросселя в разрядном контуре. Подобные схемы обладают большими потерями энергии в контуре, поскольку ток через лампу в процессе разряда меняется в широких пределах и значительную часть времени отличается от оптимального значения, при котором полезная светоотдача лампы максимальна. Это особенно заметно при формировании импульсов тока длительностью 1 мс и более, требуемой, например, для накачки лазеров на стекле с эрбием, работающих в безопасном диапазоне длин волн. Кроме того, такие схемы обладают значительными габаритами из-за большой индуктивности дросселя.

Данные недостатки отчасти устранены в генераторе импульсов тока, выполненном в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, транзисторного ключа со схемой управления, дросселя и источника излучения накачки (газонаполненной лампы) [2].

В указанном генераторе управляющий вход ключа и схема управления ключом находятся под высоким напряжением накопительного конденсатора. Это приводит к необходимости использования высоковольтных элементов, а, следовательно, удорожанию устройства и увеличению его габаритов. Кроме того, ухудшаются быстродействие схемы и токопотребление, так как для переключения высоковольтных напряжений затрачивается дополнительная энергия и время на перезаряд емкостей схемы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является генератор импульсов тока, выполненный в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, источника излучения накачки, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпфирующего диода, совместно с дросселем и источником излучения накачки образующего при разомкнутом ключе второй контур питания источника излучения накачки [3]. Кроме того, в указанном устройстве одна из обкладок конденсатора соединена с нулевой шиной.

В такой конфигурации не производится контроль тока в малом контуре дроссель - источник излучения накачки - демпферный диод. Это приводит к отклонению тока накачки от оптимального режима и к грубым ошибкам, нарушающим процесс накачки. При переключении режимов с помощью таймера [3] отклонение времени задержки от заданного периода переключения, определяемого постоянной времени второго контура τ_L=L/R_L, где L - индуктивность дросселя; R_L - суммарное сопротивление источника накачки и демпфирующего диода, приводит к пропорциональному изменению тока накачки, то есть к уходу от оптимального режима. Еще более грубое отклонение задержки таймера может привести к блокировке схемы и ее выходу из строя.

Задачей изобретения является повышение эффективности накачки, а также повышение надежности устройства.

Эта задача решается за счет того, что в известном импульсном источнике накачки лазера, выполненном в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, источника излучения накачки, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпфирующего диода, совместно с дросселем и источником излучения накачки образующего при разомкнутом ключе второй контур питания источника излучения накачки, причем, источник накачки содержит нулевую шину, последовательно с датчиком тока введен второй датчик тока, своим первым выводом соединенный с первым выводом первого датчика тока, первый датчик тока своим вторым выходом через транзисторный ключ соединен с низковольтным выводом накопительного конденсатора, а второй выход второго датчика тока подключен к источнику излучения накачки, точка соединения датчиков тока соединена с нулевой шиной и подключена к выводу демпфирующего диода, второй вывод которого подключен к точке соединения высоковольтного вывода накопительного конденсатора с дросселем, а также введен аналоговый сумматор с прямым и инвертирующим входами, связанный с выходами датчиков тока, причем, в разрыв между вторым входом сумматора и выходом второго датчика тока введен второй транзисторный ключ, связанный со схемой управления, а между выходом сумматора и управляющим входом схемы управления введен триггер Шмитта.

На фиг. 1 показана схема импульсного источника накачки лазера. На фиг. 2 -эпюра тока накачки. На фиг. 3 приведена типовая схема сумматора с прямым и инвертирующим входами на базе операционного усилителя.

Устройство фиг. 1 состоит из последовательно включенных накопительного конденсатора 1, дросселя 2, источника излучения накачки 3, транзисторного ключа 4 со схемой управления 5 и двух датчиков тока - сопротивлений 6 и 7. Цепь дроссель - лампа -второй датчик тока зашунтирована демпфирующим диодом 8. Точка соединения датчиков тока и демпфирующегого диода подключена к нулевой шине (корпусу). Параллельно датчикам тока 6 и 7 включен инвертирующий сумматор 9, своим выходом подключенный ко входу триггера Шмитта 10, связанного с управляющим входом схемы управления. Первый вход инвертирующего сумматора подключен к первому датчику тока 6 непосредственно, а второй вход соединен со вторым датчиком тока 7 через второй транзисторный ключ 11. Выходы схемы управления 5 связаны с управляющими входами транзисторных ключей 4 и 11. Заряд накопительного конденсатора осуществляется от внешнего источника 12.

Импульсный источник накачки работает следующим образом.

В исходном состоянии накопительный конденсатор 1 заряжен до номинального напряжения. Транзисторный ключ 4 закрыт (разомкнут).

По команде «Пуск» в момент времени T₁ (фиг. 1, 2) открывается ключ 4 и при запертом обратным напряжением демпфирующем диоде 8 начинается разряд конденсатора 1 через дроссель 2, источник излучения накачки 3, датчики тока 7 и 6, замкнутый ключ 4. Ток разряда нарастает со скоростью, определяемой емкостью накопительного конденсатора 1 и индуктивностью дросселя 2. Падение напряжения на датчике тока 6 пропорционально протекающему через него току. Это текущее падение напряжения обратно направлению разрядного тока. При подаче его на инвертирующий вход сумматора 9 на входе триггера Шмитта 10 появляется нарастающий сигнал положительной полярности. После достижения сигналом порога срабатывания триггера, соответствующего току I₁ (фиг. 2), триггер срабатывает и через схему управления 5 закрывает (размыкает) ключ 4. Одновременно со схемы управления поступает сигнал на ключ 11, открывая (замыкая) его.

После этого ток через источник излучения накачки 3 поддерживается за счет энергии запасенной в дросселе 2. Этот ток течет по контуру дроссель - источник излучения накачки - второй датчик тока - демпфирующий диод. На датчике тока 7 возникает падение напряжения полярностью, совпадающей с направлением тока разряда. Это напряжение поступает на прямой вход сумматора 9, выходной сигнал которого поддерживает триггер Шмитта в рабочем состоянии. Тем самым триггер через схему управления 5 поддерживает разомкнутое состояние ключа 4 и замкнутое состояние ключа 11 до тех пор, пока напряжение на его входе не упадет до уровня, соответствующего току I₂ (фиг. 2). Триггер 10 переключается в нулевое состояние, и через схему управления 5 отпирает ключ 4, возобновляя поддержание тока в контуре за счет энергии, запасенной в конденсаторе 1. При этом схема управления размыкает ключ 11, отключая второй датчик тока 7 от сумматора 9.

Далее описанный процесс периодически повторяется по описанной схеме до тех пор, пока не израсходуется энергия, запасенная в конденсаторе 1, который при этом разряжается до нуля к моменту Т₂. Таким образом формируется импульс тока длительностью Т=Т₂ - T₁ (фиг. 2) с плоской вершиной амплитудой I₁ и с пилообразными пульсациями ΔI=I₁ - I₂. Уменьшение ΔI позволяет минимизировать массу и габариты дросселя [3], однако при этом растет частота пульсаций и энергетические потери, связанные с перезарядом емкостей при переключении контуров питания источника излучения накачки. Экспериментально установлено, что оптимальная по коэффициенту полезного действия схемы частота переключений должна быть около 100 кГц [3].

Управление частотой переключений (амплитудой пульсаций) возможно различными путями:

- величиной гистерезиса триггера Шмитта 10;

- соотношением сопротивлений датчиков тока 6 и 7;

- соотношением усилений в прямом и инвертирующем каналах сумматора 9.

При построении сумматора на операционном усилителе по типовой схеме фиг. 3 коэффициенты усиления в прямом К₊ и инвертирующем К_- каналах при равенстве сопротивлений R₁=R₂=R определяются формулами [5]

К₊=1+R_OC/R;

К_-=R_OC/R.

При таком построении генератора тока в контуре постоянно поддерживается ток оптимальной интенсивности, а к величине индуктивности дросселя не предъявляются требования формирования длительности импульса тока накачки и времен его нарастания и спада, как в других аналогах [1]. В предлагаемой схеме дроссель служит лишь для поддержания скоростей нарастания и спада тока в источнике накачки при замыкании и размыкании ключа. Это позволяет значительно уменьшить индуктивность и, соответственно, массу и габариты дросселя и всего генератора тока в целом.

Введение во втором контуре датчика тока, а также введение сумматора и триггера Шмитта позволяет точно контролировать уровень I₂ и, тем самым, поддерживать оптимальную величину тока накачки, обеспечивая максимальный коэффициент полезного действия устройства.

Подключение точки соединения датчиков тока и вывода демпфирующего диода на нулевую шину позволяет использовать низковольтную элементную базу, обеспечивающую высокую точность контроля и обладающую в таком режиме высокой надежностью и быстродействием, и минимальным энергопотреблением.

В соответствии с предлагаемым изобретением был разработан макетный образец генератора импульсов тока, испытанный в составе лазерного дальномера. Использованные элементы и их схемная обвязка обеспечивают более компактное построение источника накачки, они обладают на порядок более высокой надежностью и значительно меньшей стоимостью.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает решение поставленной задачи, а именно, повышение эффективности накачки, а также повышение надежности устройства.

Источники информации

1. Лазерный прибор разведки ЛПР-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

2. В.В. Тогатов, П.А. Гнатюк. Высокочастотный разрядный модуль для питания ламп накачки твердотельных лазеров. «Приборы и техника эксперимента». №5, 2003 г. - С. 89-95.

3. Генератор импульсов тока. Патент РФ на изобретение № 2494532 по заявке №2012147412 от 08.11.2012 г. - прототип.

4. Способ оптической накачки лазера. Патент РФ на изобретение № 2494533.

5. Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Перевод с французского. Ленинград, Издательство «Энергия», 1974 г., - 216 С.

Изобретение относится к области техники формирования импульсов тока, в частности к устройствам питания источников накачки импульсных твердотельных лазеров с разрядом накопительного конденсатора. Технический результат заключается в повышении эффективности накачки, а также в повышении надежности устройства за счет использования низковольтной элементной базы, обеспечивающей высокую точность контроля и обладающей высокой надежностью, быстродействием и минимальным энергопотреблением. Для этого импульсный источник накачки лазера выполнен в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, источника излучения накачки, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпфирующего диода, совместно с дросселем и источником излучения накачки образующего при разомкнутом ключе второй контур питания источника излучения накачки, причем источник накачки содержит нулевую шину. При этом последовательно с датчиком тока введен второй датчик тока, своим первым выводом соединенный с первым выводом первого датчика тока, первый датчик тока своим вторым выходом через транзисторный ключ соединен с низковольтным выводом накопительного конденсатора, а второй выход второго датчика тока подключен к источнику излучения накачки. Точка соединения датчиков тока соединена с нулевой шиной и подключена к выводу демпфирующего диода, второй вывод которого подключен к точке соединения высоковольтного вывода накопительного конденсатора с дросселем, а также введен аналоговый сумматор с прямым и инвертирующим входами, связанный с выходами датчиков тока. При этом в разрыв между вторым входом сумматора и выходом второго датчика тока введен второй транзисторный ключ, связанный со схемой управления, а между выходом сумматора и управляющим входом схемы управления введен триггер Шмитта. 3 ил.

Импульсный источник накачки лазера, выполненный в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, источника излучения накачки, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпфирующего диода, совместно с дросселем и источником излучения накачки образующего при разомкнутом ключе второй контур питания источника излучения накачки, причем источник накачки содержит нулевую шину, отличающийся тем, что последовательно с датчиком тока введен второй датчик тока, своим первым выводом соединенный с первым выводом первого датчика тока, первый датчик тока своим вторым выходом через транзисторный ключ соединен с низковольтным выводом накопительного конденсатора, а второй выход второго датчика тока подключен к источнику излучения накачки, точка соединения датчиков тока соединена с нулевой шиной и подключена к выводу демпфирующего диода, второй вывод которого подключен к точке соединения высоковольтного вывода накопительного конденсатора с дросселем, а также введен аналоговый сумматор с прямым и инвертирующим входами, связанный с выходами датчиков тока, причем в разрыв между вторым входом сумматора и выходом второго датчика тока введен второй транзисторный ключ, связанный со схемой управления, а между выходом сумматора и управляющим входом схемы управления введен триггер Шмитта.