激光電源是激光器的能源，它向激光器提供泵浦能量，控制激光輸出強弱和重復 頻率。因此，激光電源是激光器必不可少的重要組成部分。早期的脈沖激光電源 ，如諧振充電型或LC恒流充電型激光電源，都是用工頻交流變壓器進行升壓，并 實現對電網的隔離。由于工頻交流變壓器體大笨重，人們從七十年代開始研制開 關型電源。它是將工頻交流整流成直流，再用開關功率變換方法，將直流逆變成 高頻交流，通過高頻變壓器進行升壓，與電網隔離之后進行整流，給儲能電容器 充電，最后經氙燈放電給激光器提供泵浦能量。由于高頻變壓器的體積和重量遠 小于同等容量的工頻變壓器，因此，整個激光電源的體積和重量大大減小。同時 ，由于頻率的提高，每周期給儲能電容器充電少，通過充電電壓的控制，使充電 電壓實現穩定可調，從而大大提高了激光輸出的穩定性。

   脈沖激光電源性能主要指標分為 ：

A、每次脈沖能量 如：25J， 

B、脈沖重復頻率可調 如：最大為40Hz，

C、額定輸出功率 如：500W， 

D、輸出激光能量穩定度 如：大于95％，

E、輸出激光延時穩定度 如：±1μs。

   一、 激光電源作用對象  激光電源最終作用對象為氙燈，經氙燈放電給激光器提供泵浦能量。

脈沖氙燈的工作原理

   脈沖氙燈的工作分為起輝、預燃和高壓放電三階段，其工作過程比較復雜，是一種非穩態的氣體放電。起輝階段，放電首先在石英管內壁接近觸 發絲處產生電離通道，氣體由于與電子碰撞而被加熱，燈內的氙氣迅速電離，發生輝光放電。脈沖變壓器T、電容C2 、可控硅VT2 和電阻R2 構成起輝電路，當VT2 關斷時，電壓U1通過電阻R2給電容C2 充電，在電容C2 上存儲能量，通常U1 為1kV左右，充電時間很短。當VT2導通時，電容C2 和脈沖變壓器T的電感諧振放電，在變壓器T 的副端產生5kV左右的起輝電壓，脈沖氙燈在很強的軸向電場及觸發高壓脈沖作用下，氣體被擊穿，形成放電通道；預燃階段，當輸入的能量足夠大時，電極加熱 到具有一定的熱發射能力，燈管中的氣體則由輝光放電過渡到弧光放電。此時，脈沖氙燈可近似為一電阻，電壓U2 通過電阻R1 和二極管D 加到脈沖氙燈兩端形成預燃回路；高壓放電階段，脈沖氙燈為弧光放電，當VT1 關斷時，電壓U3 向電容C1 充電，當VT1 導通時，電容C1 向脈沖氙燈放電，從而脈沖氙燈出現弧光頻閃現象。在高壓放電階段，預燃電路一直給脈沖氙燈提供維持電流。    

在傳統的脈沖氙燈起輝預燃系統中，起輝階段和預燃階段分別需要電壓源， U1為起輝電壓，U2為預燃電壓，從而增加了電源設計的復雜性。新型脈 沖氙燈起輝預燃電源采用PWM技術控制，起輝和預燃階段共用一個電源，起輝時為電壓源，預燃時為恒流源。起輝階段，最大占空比輸出最高電壓，通過串聯諧振 得到高壓起輝電壓；預燃階段，通過調整占空比恒流輸出維持電流。

二、激光電源工作原理

（1）主電路工作原理   

主電路原理：主電路由工頻220V供電，整流為310V直流，中間設有軟啟動電路和濾波環節，逆變電路由諧振電感、諧振電容和IGBT逆變開關組成半 橋電路，逆變頻率為22kHz，逆變后，通過高頻變壓器進行升壓，與電網隔離之后 進行高頻整流，再給儲能電容器充電。儲能電容器放電前，由觸發電路產生的高 壓將負載氙燈擊穿電離，預燃電路給負載氙燈提供穩定的預燃電流，使負載氙燈處于放電前的準備狀態。   

   充好電的儲能電容器經放電開關和成形電感給負載氙燈放電，從而實現對激光器的泵浦。     

（2)控制電路工作原理  

脈沖YAG激光電源的控制部分主要有信號源、信號處理及整形、延時調節、脈 沖功率放大、儲能電壓控制以及隔離等電路組成。我們研制的脈沖YAG激光電源采 用諧振開關技術的主電路結構，可以實現電流過零時刻的關斷，能夠有效地減少 開關損耗，從而提高了轉換效率。根據主電路的組成，控制電路主要完成充電控 制、放電控制、充放電間的時間連鎖、調Q延時控制等功能。在主電路與控制電路接口增加隔離措施，以防止主電路對控制電路的干擾而造成控制電路失控現象 的發生。

1)充電控制  主電路的充電電路是由兩個IGBT逆變開關元件組成的半橋電路，兩個開關通 斷的相位差要求為180°，所以兩路控制信號的相位差也必須保證為180°。在一 個逆變周期里，每個IGBT逆變開關要分別完成導通和關斷續流兩個過程，為防止半橋電路的直通現象，在兩路控制信號的相鄰兩個脈沖周期之間，設定一個死區時間，使半橋電路的兩個逆變開關同時處于關斷狀態。

電路工作時，由信號源產生兩路脈寬可調、相位差為180°的振蕩信號，兩路 振蕩信號的合成頻率為22kHz。充電時，充放電連鎖和停止充電控制端均為高電平 ，允許充電控制信號通過與門電路，再經過脈沖放大和隔離電路控制主電路逆變 開關工作。當主電路儲能電容器充到預定電壓時，通過反饋取樣，使停止充電控制端為低電平，封鎖充電控制信號，使充電過程停止。另外，放電時，充放電連 鎖控制端也產生一個寬度為l～2ms的低電平，封鎖充電控制信號，使充電過程在放電時停止。    

2)放電控制  主電路的放電電路是由SCR作開關，其導通由放電控制信號控制，關斷是由放 電電流過零時自行關斷的。我們設定的幾種固定放電頻率為：lHz、5Hz、10Hz、 20Hz、40Hz。另外還具有手動單次放電以及外時鐘編碼控制功能。具有放電頻率 多樣，調節方便靈活等特點。由于采用晶體振蕩器，因此，頻率精度很高。

 電路工作時，由振蕩器產生2MHz的時鐘脈沖信號，供計數器計數。當計數器的Q端計數到與數值比較器的預置數相等時，在數值比較器的Q端輸出一個與時鐘脈沖寬度相等的脈沖信號。同時，這個脈沖信號對計數器復位，使計數器重新開始計數。當計數器第二次計數到與數值比較器的預置數相等時，在數值比較器的Q端又輸出第二個脈沖信號，此過程循環往復。這樣，在數值比較器的輸出端便得到一個系列的脈沖串，其脈寬為時鐘脈沖的寬度(即ns)

頻率f為：      f=2MHz×預置數的倒數    

   使用這種分頻的方法得到的分頻誤差為±250ns，精度很高。由于后續電路均為邊沿觸發方式，對脈沖寬度的微小變化無特殊要求，因此，整個放電精度即為±250ns。經數值比較分頻的脈沖信號再經進一步的分頻、整形、脈沖放大和隔離后，觸發放電開關SCR。同時也得到了充放電連鎖控制信號和調Q延時同步信號調Q電路工作原理

1、調Q原理   

品質因數Q是表征激光諧振腔質量的參數，與激光諧振腔的損耗成反比，Q值越高，越容易產生激光振蕩。調Q的目的在于：在激光器開始工作時，先使激光諧振腔處于低Q值狀態，此時工作物資不斷積累粒子。當粒子數積累到最大值的時刻，使Q值突然階躍性升高，激光諧振腔立即雪崩式地建立起極強的激光振蕩，在極短的時間內輸出激光巨脈沖。目前，脈沖固體激光器都采用KD*P電光晶體作為Q開關。它主要是依靠在電光晶體上所施加的電場作用改變激光諧振腔內的偏振特性來實現調Q的，而這個電場是通過在KD*P電光晶體上施加的四分之一波長電壓產生的，其數值一般為3 000～4 000V。在KD*P電光晶體上施加四分之一波長電壓作用下，激光諧振腔為低Q值狀態，進行粒子數的積累過程。當粒子數積累到最大值時，使用退高壓開關，去掉所加電壓，即可使激光諧振腔的Q值階躍性突然升高，輸出脈寬極窄的激光巨脈沖。    

 2、調Q電路原理    

   調 Q電路主要由晶體高壓電路及退高壓電路組成。晶體高壓電路要求能夠產生一個電壓可調的穩定的直流高壓。由于電光晶體具有電容特性，等效電容很小(pF)，負載較輕，因此，采用直流高頻逆變電路較為方便。電路工作時，由可調低壓直流電源通過高頻逆變升壓，再整流成高壓直流施加到電光晶體上。通過對逆變控制信號的頻率和脈寬的調節，施加在電光晶體上的直流高壓非常穩定。  

   退高壓同步信號(即調Q同步信號)由放電控制電路給出。以放電控制信號的上升沿為同步點，經過延時處理、隔離、脈沖升壓后，觸發退高壓開關，使激光器輸出激光巨脈沖。在延時時間內，由于晶體高壓的作用，激光諧振腔的Q值極低，工作物資處在粒子積累過程中，因此，延時時間即為粒子數積累到最大值的時間。根據經驗，延時時間約為100～200μs左右。由于不同的激光物質的差異，在實際應用中，應當針對不同的激光器進行具體地調節，以輸出激光最強為準。

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2014-112701