一种脉冲激光电源
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) 主电路工作原理 1
收稿 日期 :2009一 02一 10
1 主要工作原理
主 电路原理 框 图见 图l , 主 电路 由工频2 2 0v
应用与实践 # 激光电源
供电, 整流为310V 直流 , 中间设有软启动电路和滤 波环节, 逆变 电路 由谐振电感 ! 谐振 电容和IG B T 逆变开关组成半桥 电路 , 逆变频率为2 2 kH z , 逆变
能 " 在主电路与控制 电路的接 口增加隔离措施 , 以防止主电路对控制 电路的干扰而造成控 制电路 失控现象的发生 " (l ) 充 电控制 主 电路 的充电电路是 由两个工 G B T 逆变开关元 件组成 的半桥 电路 , 两个开关通 断的相 位差要求 为180 " , 所以两路控制信号的相位差也必 须保证 为180 ""在一个逆变周期里 , 每个工 G BT 逆变开 关 要分别完成导通和 关断续流两个过程 , 为防止半
冲宽度的微小变化无特殊要求 , 因此 , 整个放电 精度即为士250n s "经数值比较分频的脉冲信号再 经进一步的分频 ! 整形 ! 脉冲放大和隔离后 , 触
发放 电开关S C R " 同时也得到了充放 电连锁控 制 信号和调Q 延时同步信号 " ) 调Q 电路工作原理 3 (l) 调Q 原理 品质 因数Q 是表征激光谐振腔质量 的参数 ,
摘 要:本文所述的脉冲激光电源适用于泵浦脉冲Y A G激光器 " 由于采用谐振逆变开关和先进的数字控制技
术, 并实施 全面的 电磁 兼容性设计, 使该 电源的总体技 术性能和可靠性 大大提 高 " 文中叙述 了激光 电源 的主 电 路 ! 控制 电路 以及调Q 电路 的工作原理, 并给 出了该电源的主要技术参数 " 关键词 : 脉 冲激光 电源 A P u lse L a ser P ow er s u P P l y
与激光谐振腔的损耗成反比, 口 值越高, 越容易产
生激 光振荡 " 调Q 的 目的在于 : 在激光器开始工 作 时 , 先使激光谐振腔处于 低Q 值状 态 , 此时工 作物资不断积累粒子 " 当粒子数积累到最大值 的 时刻 , 使Q 值突然阶跃性升高 , 激光谐振腔立即雪 崩式地建立起极强的激光振荡 , 在极短 的时间 内
时时间约为10 0 一20 0 娜左右 " 由于不 同的激光物质
的差异 , 在实际应用中, 应当针对不同的激光器进
行具体地调节 , 以输出激光最强为准 "
晶体上所施加的 电场作用改变激光谐振腔 内的偏
振特性来实现调Q 的 , 而这个 电场是通过在K D *P 电光晶体上施加的四分之一 波长电压产生的 , 其 数值一般 为3 000 一4 000V " 在K D *P 电光晶体上 施加四分之一波长 电压作用下 , 激光谐振腔为低Q
斗 l
少 } 飞 处
为时钟脉冲的宽度(即25 0n s ), 频匆 为:
户 ZM H z -预置数的倒数
图4 调Q 电 路 原理框 图
使用这种分频的方法得到的分频误差为士 50 2 s , n
精度很高 " 由于后续电路均为边沿触发方式, 对脉
晶体高压 电路要求能够产生一 个 电压 可调 的 稳定 的直流高压 " 由于 电光 晶体具有 电容特性 , 等效 电容很小(约30p F ) , 负载较轻 , 因此 , 采用
值状态 , 进行粒子数的积累过程 " 当粒子数积累
ZM H z 品振 i} R I )器 数Q B 比 A 较 Q 分 团器 顷Q
到最大值时 , 使用退高压开关 , 去掉所加电压 ,
即可使激光谐振腔的Q 值阶跃性突然升高 , 输出脉 宽极窄的激光巨脉冲 "
B L匕 匕
(2) 调Q 电路原理
Q
调Q 电路主要由晶体高压 电路及退高压电路 组成 "其原理框图如图4所示 "
} 一
将负载氨灯击穿电离 , 预燃电路给负载氨灯提供
厂 J 阮一 认
稳定 的预燃 电流 , 使 负载氨灯处于放 电前的准备
状态 "
刀 后 ,
创 议电连摊
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图2
充电控 制 电路 框图
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图! 主 电路原理框 图
电路工作时 , 由信号源产生两路 脉宽可调 !
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P a ra m e ters.
直流高频逆变 电路较为方便 " 电路工作时, 由可
调低压直 流 电源通过高频逆变升压 , 再整流成高 压直流施加到电光 晶体上 " 通过对逆变控制信号 的频率和脉宽 的调节 , 施加在 电光晶体上的直流
高压非常稳定 "
退高压 同步信号(即调Q 同步信号)由放电控制 电路给出 " 以放 电控制信号的上升沿为 同步点 ,
相位差为180 " 的振荡信号 , 两路振荡信号的合成 频率为2 2 k H z " 充 电时 , 充放 电连锁和停止充 电 控制端均为高电平 , 允许充 电控制信号通过与 门 电路 , 再 经过脉冲放大和隔离电路控制主 电路逆 变开关工作 " 当主 电路储能 电容器 充到预定 电压 时 , 通过 反馈 取样 , 使 停止 充 电控制端 为 低 电 平 , 封 锁充 电控 制信号 , 使 充 电过程停 止 " 另 外 , 放 电时 , 充放 电连锁控制端也产生一个宽度 为 1一Zm s的低 电平 , 封锁充 电控制信号 , 使充 电 过程在放 电时停止 " ( ) 放电控制 2
输 出激光 巨脉冲 " 目前 , 脉冲固体激光器都采用 K D *P 电光晶体作为Q 开关 " 它主要是依靠在 电光
经过延时处理 ! 隔离 ! 脉冲升压后 , 触发退高压
开 关 , 使激 光器 输 出激光 巨脉冲 " 在 延 时 时间 内 , 由于晶体高压的作用 , 激光谐 振腔 的Q 值极 低 , 工作物资处在粒子积累过程中, 因此 , 延时时 间即为粒子数积累到最大值 的时间 " 根据经验 , 延
分 " 早期 的脉冲激 光 电源 , 如谐 振 充电型或L C 恒流充 电型激光 电源 , 都是用工频交流变压器进
本文介绍 的脉冲激光 电源性能主要指标为 :
行升压 , 并实现对电网的隔离 " 由于工频交流变
压器体大笨重 , 人们从七十年代开始研制开关型
电源 " 它是将工频交流整 流成直流 , 再 用开关功
第1 2 卷第5 期 20 0 9 年5 月
t 汤 我 才尼阅
P O W E R SU P P L Y T E C H N O L O G IES A N D A P P L IC A T IO N S
V o l.12 N o .5 M ay 20 09
一种脉冲激光电源
郭祥玉 (中国电子科技集团公司第63研 究所 , 辽宁 锦州 !2 ! " " ) 0
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图3 放 电控 制 电路 框图
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较器 的输出端便得到一个系列的脉冲串 , 其 脉宽
个脉冲信号 , 此过程循环往复 " 这样 , 在数值 比
第12卷 第 瑚
20 0 9牛 5 月
t 泽我 未汤阅
P O W E R SU P P L Y T E C H N O L O G IES A N D A P P L IC A T IO N S
V o l.1 2 N o .5 M ay 200 9
G U O X ia n g y U
(N o. 53 R esear ch I nsti ut t e ofChi na Elect r oni es T e chnol ogy G rouP C o印orati on, Ji nzhou 121000, C hi na )
A b straet: T h e Pu lse laser Po w er su PP l y d iscu ssed in th is artiel e 15 aPP lied to Pu m P P ulse Y A G Iasers. O w ing to the ad oPtion o f a eon travari ant resonanee sw i teh , adv an eed n um erical co ntrol teeh nolog y an d a earef u lE M C design , i ts overall teeh nieal Perf o r m an ce and reliabil it y are high l y im P ro ved.A l so , i n this PaPer w e introdu ee the
此 , 激光 电源 是激 光器 必不 可少 的重要 组成 部
泵浦能量 " 由于高频变压器的体积和重量远小于 同等容量的工频变压器 , 因此 , 整个激光电源的
体积和重量大大减小 " 同时 , 由于频率 的提高 , 每周期给储能 电容器 充电少 , 通过充 电电压的控
制 , 使充电 电压实现稳定可调 , 从而大大提 高了 激光输出的稳定性 "
每次脉冲能量25 ) , 脉冲重复频率可调 , 最大为
0 H z , 额定输出功率为 10 4 0 OW , 输出激光能量稳
定度大于95% , 输出激光延时稳定度为 士l哪 "
率变换方法 , 将直 流逆变成高频交流 , 通过高频 变压 器进行升压 , 与电网隔离之后进行整流 , 给 储 能电容器 充电 , 最后经氛灯放 电给激光器提供
主电路 的放 电电路是 由S C R 作开 关 , 其导通
由放 电控 制信号控制 , 关断是由放 电电流过零时
{ , 一 ,些 一 州
巨 二 州 一- -. 习
充好 电的储能 电容器经放 电开 关和成形 电感 给负载氨灯放电, 从而实现对激光器的泵浦 " ) 控制 电路工作原理 2
脉冲Y A G 激 光 电源 的控制 部分主要 有信号 源 ! 信号 处理 及整 形 ! 延 时调节 ! 脉冲 功率放 大 ! 储能 电压控制 以及 隔离等 电路组成 " 我们研 制的脉冲Y A G 激光 电源采用谐振开关技术的主电 路结构 , 可以实现 电流过零时刻的关断 , 能够有 效地 减少开 关损耗 , 从而提高 了转换效率 " 根据 主 电路的组成 , 控制 电路主要完成充 电控 制 ! 放 电控制 ! 充放 电间的时间连锁 ! 调Q 延时控 制等功
K ey w o rd s :P u lse L ase r P o w er S u P P ly
中图分类号:TN 24 5
文献标识码:B
文章编号:02 19一 2713( 2009)05一 0020一 03
0 引言
激光 电源是激 光器 的 能源 , 它 向激光 器提 供泵浦能量 , 控 制激光输 出强弱和重复频率 " 因
自行关断的 " 我们设定的几种固定放 电频率 为 :
IH z ! SH z ! 10H z ! 20H z ! 4OH z " 另外还具有手
动单次放 电以及外 时钟编码控制功能 " 具有放 电
频率多样 , 调节方便灵活等特点 " 由于采用晶体 振荡器 , 因此 , 频率精度很高 " 放 电控制 电路的
桥 电路的直通现象 , 在两路控制信号的相邻 两个
脉冲周期之间, 设定一个死区时间, 使半桥电路
的两个逆 变开 关同时处于关断状态 " 充电控制 电 路的框图如图2所示 "
后, 通过高频变压器进行升压 , 与电网隔离之后进
行高频整流 , 再给储能电容器充电 "
储能 电容器放 电前 , 由触 发电路产生的高压
框 图如 图3所示 "
wenku.baidu.com
电路 工作时 , 由振荡 器产生ZM H z的时钟脉
冲信 号 , 供计 数器 计 数 " 当计 数器 的Q 端计 数 到与
数值 比较器的预置数相等 时 , 在数值 比较器的Q
端输出一个与时钟脉冲宽度相等的脉冲信号 " 同
时 , 这 个脉冲信号对计数器复位 , 使计数器重新 开始计数 " 当计数器第二次计 数到与数值 比较器 的预置数相等时 , 在数值比较器 的Q 端又输出第二
收稿 日期 :2009一 02一 10
1 主要工作原理
主 电路原理 框 图见 图l , 主 电路 由工频2 2 0v
应用与实践 # 激光电源
供电, 整流为310V 直流 , 中间设有软启动电路和滤 波环节, 逆变 电路 由谐振电感 ! 谐振 电容和IG B T 逆变开关组成半桥 电路 , 逆变频率为2 2 kH z , 逆变
能 " 在主电路与控制 电路的接 口增加隔离措施 , 以防止主电路对控制 电路的干扰而造成控 制电路 失控现象的发生 " (l ) 充 电控制 主 电路 的充电电路是 由两个工 G B T 逆变开关元 件组成 的半桥 电路 , 两个开关通 断的相 位差要求 为180 " , 所以两路控制信号的相位差也必 须保证 为180 ""在一个逆变周期里 , 每个工 G BT 逆变开 关 要分别完成导通和 关断续流两个过程 , 为防止半
冲宽度的微小变化无特殊要求 , 因此 , 整个放电 精度即为士250n s "经数值比较分频的脉冲信号再 经进一步的分频 ! 整形 ! 脉冲放大和隔离后 , 触
发放 电开关S C R " 同时也得到了充放 电连锁控 制 信号和调Q 延时同步信号 " ) 调Q 电路工作原理 3 (l) 调Q 原理 品质 因数Q 是表征激光谐振腔质量 的参数 ,
摘 要:本文所述的脉冲激光电源适用于泵浦脉冲Y A G激光器 " 由于采用谐振逆变开关和先进的数字控制技
术, 并实施 全面的 电磁 兼容性设计, 使该 电源的总体技 术性能和可靠性 大大提 高 " 文中叙述 了激光 电源 的主 电 路 ! 控制 电路 以及调Q 电路 的工作原理, 并给 出了该电源的主要技术参数 " 关键词 : 脉 冲激光 电源 A P u lse L a ser P ow er s u P P l y
与激光谐振腔的损耗成反比, 口 值越高, 越容易产
生激 光振荡 " 调Q 的 目的在于 : 在激光器开始工 作 时 , 先使激光谐振腔处于 低Q 值状 态 , 此时工 作物资不断积累粒子 " 当粒子数积累到最大值 的 时刻 , 使Q 值突然阶跃性升高 , 激光谐振腔立即雪 崩式地建立起极强的激光振荡 , 在极短 的时间 内
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的差异 , 在实际应用中, 应当针对不同的激光器进
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晶体上所施加的 电场作用改变激光谐振腔 内的偏
振特性来实现调Q 的 , 而这个 电场是通过在K D *P 电光晶体上施加的四分之一 波长电压产生的 , 其 数值一般 为3 000 一4 000V " 在K D *P 电光晶体上 施加四分之一波长 电压作用下 , 激光谐振腔为低Q
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图4 调Q 电 路 原理框 图
使用这种分频的方法得到的分频误差为士 50 2 s , n
精度很高 " 由于后续电路均为边沿触发方式, 对脉
晶体高压 电路要求能够产生一 个 电压 可调 的 稳定 的直流高压 " 由于 电光 晶体具有 电容特性 , 等效 电容很小(约30p F ) , 负载较轻 , 因此 , 采用
值状态 , 进行粒子数的积累过程 " 当粒子数积累
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到最大值时 , 使用退高压开关 , 去掉所加电压 ,
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充电控 制 电路 框图
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图! 主 电路原理框 图
电路工作时 , 由信号源产生两路 脉宽可调 !
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直流高频逆变 电路较为方便 " 电路工作时, 由可
调低压直 流 电源通过高频逆变升压 , 再整流成高 压直流施加到电光 晶体上 " 通过对逆变控制信号 的频率和脉宽 的调节 , 施加在 电光晶体上的直流
高压非常稳定 "
退高压 同步信号(即调Q 同步信号)由放电控制 电路给出 " 以放 电控制信号的上升沿为 同步点 ,
相位差为180 " 的振荡信号 , 两路振荡信号的合成 频率为2 2 k H z " 充 电时 , 充放 电连锁和停止充 电 控制端均为高电平 , 允许充 电控制信号通过与 门 电路 , 再 经过脉冲放大和隔离电路控制主 电路逆 变开关工作 " 当主 电路储能 电容器 充到预定 电压 时 , 通过 反馈 取样 , 使 停止 充 电控制端 为 低 电 平 , 封 锁充 电控 制信号 , 使 充 电过程停 止 " 另 外 , 放 电时 , 充放 电连锁控制端也产生一个宽度 为 1一Zm s的低 电平 , 封锁充 电控制信号 , 使充 电 过程在放 电时停止 " ( ) 放电控制 2
输 出激光 巨脉冲 " 目前 , 脉冲固体激光器都采用 K D *P 电光晶体作为Q 开关 " 它主要是依靠在 电光
经过延时处理 ! 隔离 ! 脉冲升压后 , 触发退高压
开 关 , 使激 光器 输 出激光 巨脉冲 " 在 延 时 时间 内 , 由于晶体高压的作用 , 激光谐 振腔 的Q 值极 低 , 工作物资处在粒子积累过程中, 因此 , 延时时 间即为粒子数积累到最大值 的时间 " 根据经验 , 延
分 " 早期 的脉冲激 光 电源 , 如谐 振 充电型或L C 恒流充 电型激光 电源 , 都是用工频交流变压器进
本文介绍 的脉冲激光 电源性能主要指标为 :
行升压 , 并实现对电网的隔离 " 由于工频交流变
压器体大笨重 , 人们从七十年代开始研制开关型
电源 " 它是将工频交流整 流成直流 , 再 用开关功
第1 2 卷第5 期 20 0 9 年5 月
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此 , 激光 电源 是激 光器 必不 可少 的重要 组成 部
泵浦能量 " 由于高频变压器的体积和重量远小于 同等容量的工频变压器 , 因此 , 整个激光电源的
体积和重量大大减小 " 同时 , 由于频率 的提高 , 每周期给储能 电容器 充电少 , 通过充 电电压的控
制 , 使充电 电压实现稳定可调 , 从而大大提 高了 激光输出的稳定性 "
每次脉冲能量25 ) , 脉冲重复频率可调 , 最大为
0 H z , 额定输出功率为 10 4 0 OW , 输出激光能量稳
定度大于95% , 输出激光延时稳定度为 士l哪 "
率变换方法 , 将直 流逆变成高频交流 , 通过高频 变压 器进行升压 , 与电网隔离之后进行整流 , 给 储 能电容器 充电 , 最后经氛灯放 电给激光器提供
主电路 的放 电电路是 由S C R 作开 关 , 其导通
由放 电控 制信号控制 , 关断是由放 电电流过零时
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巨 二 州 一- -. 习
充好 电的储能 电容器经放 电开 关和成形 电感 给负载氨灯放电, 从而实现对激光器的泵浦 " ) 控制 电路工作原理 2
脉冲Y A G 激 光 电源 的控制 部分主要 有信号 源 ! 信号 处理 及整 形 ! 延 时调节 ! 脉冲 功率放 大 ! 储能 电压控制 以及 隔离等 电路组成 " 我们研 制的脉冲Y A G 激光 电源采用谐振开关技术的主电 路结构 , 可以实现 电流过零时刻的关断 , 能够有 效地 减少开 关损耗 , 从而提高 了转换效率 " 根据 主 电路的组成 , 控制 电路主要完成充 电控 制 ! 放 电控制 ! 充放 电间的时间连锁 ! 调Q 延时控 制等功
K ey w o rd s :P u lse L ase r P o w er S u P P ly
中图分类号:TN 24 5
文献标识码:B
文章编号:02 19一 2713( 2009)05一 0020一 03
0 引言
激光 电源是激 光器 的 能源 , 它 向激光 器提 供泵浦能量 , 控 制激光输 出强弱和重复频率 " 因
自行关断的 " 我们设定的几种固定放 电频率 为 :
IH z ! SH z ! 10H z ! 20H z ! 4OH z " 另外还具有手
动单次放 电以及外 时钟编码控制功能 " 具有放 电
频率多样 , 调节方便灵活等特点 " 由于采用晶体 振荡器 , 因此 , 频率精度很高 " 放 电控制 电路的
桥 电路的直通现象 , 在两路控制信号的相邻 两个
脉冲周期之间, 设定一个死区时间, 使半桥电路
的两个逆 变开 关同时处于关断状态 " 充电控制 电 路的框图如图2所示 "
后, 通过高频变压器进行升压 , 与电网隔离之后进
行高频整流 , 再给储能电容器充电 "
储能 电容器放 电前 , 由触 发电路产生的高压
框 图如 图3所示 "
wenku.baidu.com
电路 工作时 , 由振荡 器产生ZM H z的时钟脉
冲信 号 , 供计 数器 计 数 " 当计 数器 的Q 端计 数 到与
数值 比较器的预置数相等 时 , 在数值 比较器的Q
端输出一个与时钟脉冲宽度相等的脉冲信号 " 同
时 , 这 个脉冲信号对计数器复位 , 使计数器重新 开始计数 " 当计数器第二次计 数到与数值 比较器 的预置数相等时 , 在数值比较器 的Q 端又输出第二