Главная  Источники питания лазеров 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 [ 10 ] 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34

3. Выбор и расчет функциональных элементов импульсных источников электропитания

3.1. Схемы формирования выходных импульсов

Разнообразие типов и параметров импульсных лазер-.пых излучателей, особенности условий получения им-лульсной генерации требуют разработки источников литания, отличающихся широким диапазоном выходных .электрических параметров: импульсного тока и напряжения, длительности и частоты повторения выходных импульсов.

К форме импульса разрядного тока через лампу .накачки твердотельного излучателя не предъявляется .жестких требований. Фронт стремятся сделать длительностью не менее 100 мкс, чтобы избежать возникновения ударной волны, способной вывести лампу накачки из строя [5, 36]. Вместе с тем, минимальная длительность лмпульса должна превышать время, необходимое для создания условий генерации излучения, а максимальная определяться требованиями к продолжительности излу-чения и может составлять единицы и даже десятки .миллисекунд.

За время длительности импульса, которое обычно шзмеряется на уровне 50% мощности, подводимой к лам-Т1е накачки, на лампу должна быть подана необходимая электрическая энергия, определяемая уровнем энергии излучения твердотельного лазера. Диапазон энергий накачки для различного типа лазеров составляет от единиц джоулей до десятков и сотен килоджоулей.

Электрическая накачка импульсных газовых лазеров осуществляется напряжением с амплитудой от единиц до десятков киловольт при длительности от долей до единиц микросекунд. Длительность импульса накачки может определяться выбранным режимом импульсного тазового разряда (тлеющим, дуговым). Фронт и спад :импульса электрической накачки стремятся сделать возможно более короткими при получении генерации в ус--ловиях нестационарной плазмы газового разряда.

Полупроводниковые лазеры имеют вольт-амперную :характеристику, типичную для обычных полупроводниковых диодов. В связи с этим задавать и контролировать ;режим работы полупроводникового лазера целесообраз-



но по величине тока, так как положение вольт-амперной характеристики по оси напряжений существенно зависит от тем'пературы лазерного диода, а изменение величины этого напряжения вызывает резкие колебания тока накачки и соответственно, мощности, выделяемой на диоде.

Согласование выходной характеристики импульсного лазерного диода с внешней характеристикой источника токовой накачки представляет собой весьма сложную задачу, если учесть также, что чем короче длительность фронта, тем меньше тепловыделение на диоде. Наиболее приемлемая величина длительности фронта тока накачки 10-20 НС.

Импульсные полупроводниковые лазеры, работающие при комнатной температуре, практически не могут обеспечить длительность излучения более 200 не. Тепловой режим полупроводниковых лазеров ограничивает верхний диапазон частоты повторения импульсов излучения (100-200 кГц).

Импульсный режим лазеров может осуществляться либо непосредственно от питающей сети, либо с применением промежуточного накопителя энергии [37]. Очевидно, что первый вариант, хотя и является наиболее простым, мало приемлем для устройств лазерной техники. Использование промежуточного- накопителя энергии приводит к усложнению схемы источника питания, но позволяет реализовать совместно с коммутирующими элементами все необходимые режимы работы с любым уровнем входных параметров. Энергия, необходимая для накачки лазеров, может накапливаться в конденсаторах в виде энергии электрического поля и в индуктивных элементах, где аккумулируется энергия магнитного поля. Возможно использование комбинированных накопителей энергии.

Все многообразие схем формирования выходных импульсов источников питания лазерных излучателей различного типа можно классифицировать по виду накопителя энергии и по режиму его работы. При установке в разрядный контур индуктивного накопителя энергии зарядка его осуществляется от устройства с низким выходным напряжением при среднем значении зарядного тока, равном половине амплитуды тока в момент окончания зарядки [38]. Выходное же напряжение зарядного устройства емкостного накопителя должно быть



не менее требуемого значения напряжения накопителя, а среднее значение тока зарядки (при заданных значениях напряжения и емкости накопителя) зависит от длительности цикла зарядки и может быть во много раз меньше амплитуды импульса разрядного тока. Таким образом, выбор накопителя определяет требования к параметрам зарядного устройства.

Накопители энергии могут работать в режиме полной или неполной (частичной) разрядки, характер которой определяется типом разрядного коммутатора. В режиме полной разрядки накопителя в нагрузку передается вся накопленная энергия при замыкании разрядного коммутатора, установленного между емкостным накопителем и нагрузкой, или при размыкании коммутатора в случае использования индуктивного накопителя. Возврат разрядных коммутаторов в исходное положение происходит не ранее окончания процесса разрядки накопителя. Этот режим позволяет иметь минимальный размер накопителя, что очень важно при значительной величине энергии накачки.

При полной разрядке как индуктивного, так и емкостного накопителей энергии на активное линейное сопротивление форма импульса разрядного тока на нагрузке нооит экспоненциальный характер. Практически линейный характер сопротивления нагрузки имеют лишь полупроводниковые лазерные излучатели в области рабочих точек. У газоразрядных приборов (лампы, накачки, газовые излучатели) характер нагрузки нелинейный, т. е. изменение тока накачки не происходит пропорционально изменению напряжения на нагрузке. Как следствие, статическое и динамическое сопротивления газового разряда не только перестают быть равными друг другу, но и постоянно изменяются в процессе разрядки. Форма импульса разрядного тока отклоняется от экспоненциальной.

Выражение для вольт-амперной характеристики импульсной газоразрядной лампы накачки, наполненной ксеноном под давлением до 8-10* Па при плотности разрядного тока от 10 до 10* А/см и длительности разрядного импульса от 0,15 до 4 мс, имеет вид [5, 39].

. = ./ .

где 0=1,3 Ijd [Ом-А>/2] -постоянный коэффициент для каждого типа лампы, зависящий от ее геометричес-



1 2 3 4 5 6 7 8 9 [ 10 ] 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34