Источник накачки импульсного лазера Российский патент 2024 года по МПК H01S3/09 H01S5/04 

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 двух замкнутых контуров, один из которых состоит из последовательно включенных накопительного конденсатора, транзисторного ключа со схемой управления, дросселя и источника излучения накачки (газонаполненной лампы), а второй -из дросселя, источника излучения накачки и демпфирующего диода [2].

В указанном генераторе управляющий вход ключа со схемой управления 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 источник накачки импульсного 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 [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 серьезное 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 источнике накачки импульсного 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, введен второй датчик тока, последовательно соединенный с первым датчиком тока, первый датчик тока своим вторым выходом соединен с ключом, связанным 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 введены задатчик опорного уровня, схема контроля нарастания тока, связанная с выходом первого датчика тока, и схема контроля спада тока, связанная с выходом второго датчика тока, причем выходы схем контроля нарастания и спада связаны со входами схемы управления, а входы схем нарастания и спада связаны с выходами задатчика опорного уровня.

На фиг. 1 показана схема генератора импульсного тока.

На фиг. 2 - эпюра тока накачки.

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). Выход схемы управления 5 подключен к управляющему входу транзисторного ключа 4. Ко входам схемы управления подключены выходы схемы контроля нарастания тока 9, связанной с первым датчиком тока 6, и схемы контроля спада тока 10, подключенной ко второму датчику тока 7. Схемы контроля нарастания и спада тока 9 и 10 связаны с задатчиком опорного уровня 11. Заряд накопительного конденсатора осуществляется от внешнего источника 12.

Генератор 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 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. Схема контроля нарастания тока 9 сравнивает это напряжение с опорным уровнем задатчика 11, и по достижении уровня I₁ (фиг. 2) через схему управления 5 размыкает ключ 4. В результате разряд конденсатора 1 прекращается, но за счет накопленной в дросселе 2 энергии ток самоиндукции дросселя продолжает течь через источник излучения накачки 3, убывая по мере рассеяния энергии в источнике 3, датчике 7 и диоде 8. По достижении уровня I₂, установленного задатчиком 11, схема контроля спада 10 через схему управления 5 открывает ключ 4, замыкая тем самым контур разряда конденсатора 1, и ток через источник 3 снова нарастает, пока не достигнет уровня I₁ При этом демпферный диод 8 оказывается под обратным напряжением и закрывается, направляя ток разряда конденсатора 1 через дроссель 2. Описанный процесс повторяется периодически (фиг. 2) до тех пор, пока не будет исчерпана энергия, накопленная в накопительном конденсаторе, который при этом разряжается до нуля к моменту Т₂. Таким образом, формируется импульс тока длительностью Т_И=T₂ - T₁ и амплитудой I₁.

Следует отметить, что нарастание тока от момента T₁ до уровня I₁ и разряд от уровня I₁ до момента Т₂ происходит за очень короткое время с постоянной времени, определяемой малой индуктивностью дросселя 2. Это означает, что энергетические потери за счет переходных процессов минимальны.

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. Пример.

Необходимая для накачки активного элемента энергия импульса тока через лампу накачки Е=10 Дж. При емкости накопительного конденсатора С=10 мкФ необходимое напряжение U на нем определяется по известной формуле E=CU²/2 и составляет U=1414 В.

Если по режиму возбуждения лазерного активного элемента длительность импульса тока накачки должна быть 2 мс, что соответствует одному полупериоду тока в LC-контуре Т₀/2=π, то величина индуктивности при известном построении генератора тока [1] должна составлять L=Т₀²/4π²С=10 мГн.

Согласно предлагаемому решению, частота переключения транзисторного ключа должна быть как можно выше, при этом необходимая индуктивность дросселя уменьшается. Предельная частота переключений ограничена быстродействием существующих элементов. Экспериментально установлено, что оптимальная по коэффициенту полезного действия схемы частота должна быть около 100 кГц. При этом предполагается, что периоды нарастания и убывания тока через лампу составляют примерно 5 мкс. I₁ ~ 50 A. I₂=0,9I₁=45 А. Таким образом, скорость нарастания-убывания тока через лампу равна (50-45)/5=1 А/мкс.

Экспериментально установлено, что необходимая величина индуктивности L=145 мкГн. Эта величина почти на два порядка меньше, чем у аналога [1] и обеспечивает при этом заданную стабильность поддержания тока в лампе при открытом и закрытом ключе 4.

Введение во втором контуре датчика тока и схемы контроля спада 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 в схемах контроля нарастания и спада тока накачки низковольтную элементную базу, обеспечивающую высокую точность контроля и обладающую в таком режиме высокой надежностью, быстродействием и минимальным энергопотреблением.

Введение в состав устройства задатчика опорного уровня не только обеспечивает высокую точность режима накачки при простоте регулировки, но и позволяет использовать источник накачки с лазерами разных типов, а также реализовать нестационарные режимы накачки [4].

В соответствии с предлагаемым изобретением был разработан макетный образец генератора импульсов тока, испытанный в составе лазерного дальномера. Транзисторный ключ построен на базе транзистора APT 8024, а схема управления - на микросхеме МАХ 4420. По сравнению с аналогом [2] (транзистор IRG4SPC71UD и микросхема IR2125) указанные элементы и их схемная обвязка обеспечивают более компактное построение генератора тока, 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.

3. Генератор импульсов тока. Патент РФ на изобретение №2494532 - прототип.

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

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 надежности и коэффициента полезного действия накачки, а также в сокращении массогабаритных параметров генератора импульсов тока. Для этого источник накачки импульсного 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. При этом устройство дополнительно содержит второй датчик тока, последовательно соединенный с первым датчиком тока, который своим вторым выходом соединен с ключом, связанным с низковольтным выводом накопительного конденсатора, а второй выход второго датчика тока подключен к источнику излучения накачки. Кроме того, 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. В устройство также введены задатчик опорного уровня, схема контроля нарастания тока, связанная с выходом первого датчика тока, и схема контроля спада тока, связанная с выходом второго датчика тока. Причем выходы схем контроля нарастания и спада связаны со входами схемы управления, а входы схем нарастания и спада связаны с выходами задатчика опорного уровня. 2 ил.

Источник накачки импульсного 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, отличающийся тем, что введен второй датчик тока, последовательно соединенный с первым датчиком тока, первый датчик тока своим вторым выходом соединен с ключом, связанным 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 введены задатчик опорного уровня, схема контроля нарастания тока, связанная с выходом первого датчика тока, и схема контроля спада тока, связанная с выходом второго датчика тока, причем выходы схем контроля нарастания и спада связаны со входами схемы управления, а входы схем нарастания и спада связаны с выходами задатчика опорного уровня.