Источник накачки импульсного полупроводникового лазера Российский патент 2024 года по МПК H01S3/09 H03K3/02 

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 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, схемы управления с задатчиком порогового уровня и пороговым устройством и датчиком 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/R1, 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 полупроводникового лазера, выполненном в виде емкостного замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, источника излучения накачки, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока со схемой контроля нарастания тока, связанной с задатчиком опорного уровня, а также из демпфирующего диода, совместно с дросселем и источником излучения накачки образующего при разомкнутом ключе второй индуктивный контур питания источника излучения накачки, точка соединения источника излучения накачки, демпфирующего диода и датчика тока соединена с нулевой шиной питания, и введена схема контроля спада тока индуктивного контура, связанная со схемой контроля опорного напряжения и подключенная по входу к точке соединения дросселя с источником излучения накачки, а по выходу - ко второму входу схемы управления.

Схема контроля спада тока индуктивного контура может быть сопряжена со схемой контроля опорного напряжения, включающей пиковый детектор, связанный с источником излучения накачки, и схему сравнения, входы которой подключены к выходам пикового детектора и схемы контроля спада тока индуктивного контура, а выход подключен к схеме управления, причем, управляющий вход пикового детектора связан с выходом схемы управления.

Источник излучения накачки может быть снабжен автоматом термостатирования, связанным со схемой контроля спада тока.

На фиг.1 показана схема генератора импульсного тока. На фиг.2 - эпюра тока накачки. На фиг.3 - вольт-амперные характеристики источника накачки. На фиг.4 - структура схемы контроля опорного напряжения, на фиг.5 - циклограмма работы устройства; фиг.5а) - синхроимпульсы сброса пикового детектора; фиг.5б) - синхроимпульсы переключения транзисторного ключа; фиг.5в) циклограмма напряжения на пиковом детекторе.

Устройство фиг.1 состоит из последовательно включенных накопительного конденсатора 1, дросселя 2, источника излучения накачки 3, транзисторного ключа 4 со схемой управления 5 и датчика тока - сопротивления 6. Цепь дроссель - источник излучения накачки зашунтирована демпфирующим диодом 8. Точка соединения источника излучения накачки 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 к источнику излучения накачки 3. Схема контроля нарастания тока 9 связана с задатчиком опорного уровня 11. Заряд накопительного конденсатора осуществляется от внешнего источника 12. Источник излучения накачки 3 снабжен автоматом термостатирования 13, связанным со схемой контроля спада тока 10. Схема контроля спада тока 10 связана со схемой контроля опорного напряжения 7 (фиг.4), которая содержит схему сравнения 14 и пиковый детектор 15, через схему контроля спада тока подключенный к источнику излучения накачки 3. Вход и выход пикового детектора подключены ко входам схемы сравнения 14, выходы которой связаны со схемой управления 5 и автоматом термостатирования 13. Сброс пикового детектора осуществляется по управляющему входу с выхода схемы управления 5.

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) схема управления 5 открывает ключ 4 и начинается разряд конденсатора 1 через дроссель 2, источник излучения накачки 3, датчик тока 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. При этом демпфирующий диод 8 оказывается под прямым напряжением и открывается, направляя ток самоиндукции дросселя I₁ по индуктивному контуру через источник излучения накачки 3. Этот ток убывает по мере рассеяния энергии в источнике 3 и диоде 8.

В начале индуктивного цикла ток I₁, протекающий через источник излучения накачки 3 создает на нем падение напряжения U_пд=U₁, запоминаемое схемой контроля опорного напряжения 7 на пиковом детекторе 15 (фиг.4). При снижении напряжения на источнике излучения накачки до уровня U_L=U₂, то есть при увеличении разности ΔU до заданного уровня U₁ - U2=ΔU (фиг.3), срабатывает схема контроля спада тока 10, через схему управления 5 замыкающая транзисторный ключ 4. Технически это осуществляется путем сравнения схемой 14 напряжения U_пд на пиковом детекторе, соответствующем напряжению U₁, и напряжения U_L с выхода схемы контроля спада тока 10. При этом полярность напряжения на демпфирующем диоде 8 меняется на обратную, и диод закрывается, отключая индуктивный контур питания источника излучения накачки, и дальнейший процесс чередования переключений емкостного и индуктивного контуров источника накачки в моменты t_L и t_C (фиг.5) повторяется вплоть до полного разряда конденсатора 1 в момент времени t₂ (фиг.2). Таким образом, формируется импульс тока длительностью t_и=t₂ - t₁ и амплитудой I₁.

Следует отметить, что нарастание тока от момента t₁ до уровня I₁ и разряд от уровня I₁ до момента t₂ 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 1

Необходимая для накачки активного элемента энергия импульса тока через лампу накачки Е=1 Дж. При емкости накопительного конденсатора С=100 мкФ необходимое напряжение U на нем определяется по известной формуле E=CU²/2 и составляет U=141 В.

Если по режиму возбуждения лазерного активного элемента длительность импульса тока накачки должна быть 2 мс, что соответствует одному полупериоду тока в LC-контуре 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. Оптимальная по коэффициенту полезного действия схемы частота должна быть около 100 кГц. При этом предполагается, что периоды нарастания и убывания тока через источник излучения накачки составляют примерно 5 мкс.

Пример 2

I₁ ~ 5 A. I₂=0,9I₁=4,5 А. Таким образом, скорость нарастания-убывания тока через источник излучения накачки равна (5-4,5)/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 при открытом и закрытом ключе 4.

Вольт-амперная характеристика источника излучения накачки на основе матрицы лазерных диодов зависит от температуры [5, 6]. На фиг.3 приведены две таких характеристики при температурах T₁ и Т₂.

Запоминание напряжения U_L при включении индуктивного контура позволяет контролировать спад напряжения ΔU, с высокой точностью соответствующий спаду тока ΔI и уровня тока I₂=I₁-ΔI (фиг.3). Тем самым устройство обеспечивает постоянство тока через источник излучения накачки при всех температурах окружающей среды.

Накачка излучением лазерных диодов обладает более высоким КПД по сравнению с газоразрядными источниками, но узкополосное излучение инжекционных лазеров требует его температурного согласования с узкой полосой поглощения активного элемента [5, 6]. Создание оптимальных температурных условий источника излучения накачки в широком температурном диапазоне обеспечивают введением системы термостабилизации, например, на основе термоэлектрической батареи Пельтье. В качестве датчика температуры для такой системы может служить сам источник излучения накачки, падение напряжения на котором зависит от температуры и позволяет термостатировать источник в необходимых пределах с точностью не хуже 0,2-0,5 К [6].

Введение во втором контуре схемы контроля спада напряжения на источнике излучения накачки 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].

Термостабилизация источника излучения накачки в широком температурном диапазоне может осуществляться по падению напряжения на нем, что, во-первых, позволяет отказаться от специальных средств измерения температуры, а, во-вторых, более точно отражает температурный режим источника, чем удаленные от него датчики.

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.

5. М.А. Ладугин. Полупроводниковые гетероструктуры А³В⁵ для многоэлементных лазерных излучателей ближнего ИК-диапазона. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Москва, 2020 г. - 327 с.

6. А.Н. Апарников и др. Модель температурной зависимости вольт-амперной характеристики линейки лазерных диодов. «Автометрия». Т. 55, №6, с. 48-54.

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 полупроводникового лазера выполнен в виде емкостного замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, источника излучения накачки, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока со схемой контроля нарастания тока, связанной с задатчиком опорного уровня, а также из демпфирующего диода, совместно с дросселем и источником излучения накачки образующего при разомкнутом ключе второй индуктивный контур питания источника излучения накачки. При этом точка соединения источника излучения накачки демпфирующего диода и датчика тока соединена с нулевой шиной питания, и введена схема контроля спада тока индуктивного контура, связанная со схемой контроля опорного напряжения и подключенная по входу к точке соединения дросселя с источником излучения накачки, а по выходу - ко второму входу схемы управления. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Источник накачки импульсного полупроводникового лазера, выполненный в виде емкостного замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, источника излучения накачки, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока со схемой контроля нарастания тока, связанной с задатчиком опорного уровня, а также из демпфирующего диода, совместно с дросселем и источником излучения накачки образующего при разомкнутом ключе второй индуктивный контур питания источника излучения накачки, отличающийся тем, что точка соединения источника излучения накачки, демпфирующего диода и датчика тока соединена с нулевой шиной питания, и введена схема контроля спада тока индуктивного контура, связанная со схемой контроля опорного напряжения и подключенная по входу к точке соединения дросселя с источником излучения накачки, а по выходу - ко второму входу схемы управления.

2. Источник накачки импульсного полупроводникового лазера по п. 1, отличающийся тем, что схема контроля спада тока индуктивного контура сопряжена со схемой контроля опорного напряжения, включающей пиковый детектор, связанный с источником излучения накачки, и схему сравнения, входы которой подключены к выходам пикового детектора и схемы контроля спада тока индуктивного контура, а выход подключен к схеме управления, причем управляющий вход пикового детектора связан с выходом схемы управления.

3. Источник накачки импульсного полупроводникового лазера по п. 1, отличающийся тем, что источник излучения накачки снабжен автоматом термостатирования, связанным со схемой контроля спада тока.