РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ДИОДА

Использование полупроводниковых лазеров в качестве накачки активных твердотельных сред устранило ряд проблем, возникающих при работе твердотельных лазеров с ламповой накачкой (ТЛЛН). Во-первых, за счет применения для возбуждения активной среды узкополосных полупроводниковых излучателей значительно вырос КПД излучателя. Во-вторых, новый вид монолитной или полумонолитной конструкции лазера способствует стабильности параметров выходного излучения. Конструкция объединяет в одном узле активную среду, оптический резонатор и элементы управления. В третьих, за счет применения новых активных сред расширились функциональные возможности твердотельных лазеров.

Замена газоразрядных ламп полупроводниковыми лазерами в качестве накачки твердотельных лазеров обеспечила высокую надежность и позволила увеличить сроки эксплуатации твердотельных лазеров. Благодаря тому, что рабочий ресурс полупроводниковых излучателей достигает 20 000 часов работы, твердотельных лазеров превратились в надежный рабочий инструмент. Плюс к этому, снизились массогабаритные показатели лазера, ведь низкое тепловыделение в активной среде лазера с полупроводниковой накачкой не требует водяного охлаждения. Снижение тепловыделения повлекло за собой снижение термического напряжения в активной среде. Это позволило формировать узконаправленный пучок излучения с высокой яркостью [5].

Но главное, замена газоразрядных ламп лазерными диодами снизила опасность поражения электрическим током обслуживающего персонала, так как для диодной накачки используют более низкое напряжение питания по сравнению с их аналогами для ламповой накачки. Это повлекло снижение массогабаритных показателей источника питания (ИП) лазера, что повысило удобство использования твердотельных лазеров с диодной накачкой (ТЛДН). Благодаря компактности и надежности конструкции, стабильности параметров излучения, наблюдается стремительное расширение применений ТЛДН в индустриальных и прикладных областях [4]. Российские компании наращивают производство ТЛДН для медицинских приборов и военной техники, а также технологических комплексов и приборов для научных исследований, космической аппаратуры и т.д.

ПРОБЛЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ

Разработка надежных источников питания (ИП) полупроводниковых лазеров является одной из актуальных задач. Отметим несколько отличительных особенностей ИП для диодной накачки. Во-первых, значения ширины линии накачки активных элементов и ширины линии излучения лазерных диодов малы, возникает проблема их согласования для достижения максимальной эффективности накачки. Частота линии излучения лазерных диодов сильно зависит от температуры. Поэтому, как правило, ИП включают в себя каналы стабилизации температуры линеек. Во-вторых, лазерные диоды, в отличие от ламп, не выдерживают обратных выбросов тока по срезу импульса.

Источники питания должны характеризоваться высокой стабильностью параметров выходных импульсов, поскольку даже кратковременное превышение допустимого тока приводит к разрушению структуры, также для улучшения работы лазерных диодов накачки необходим постоянный ток подставки [2,3].

При этом, получаемые импульсы тока будут иметь форму близкую к прямоугольной, с экспоненциальным спадом плоской части импульса. На рисунке 1 приведен пример импульсов тока разной длительности.

Рис.1. Форма импульсов тока длительностью 100мкс (слева) и 200мкс (справа).

Очевидно, что величина спада плоской части будет возрастать с увеличением длительности импульса. Существенным увеличением емкости накопителя можно добиться почти плоской вершины импульса, но такой подход нецелесообразен с экономической точки зрения. Кроме того, избыточная энергия большого накопителя в аварийных режимах (пропуск размыкания ключа) может привести к разрушению нагрузки. В связи с этим возникает необходимость коррекции формы импульса тока для уменьшения величины спада плоской части при приемлемой емкости накопителя.

КОРРЕКТИРУЮЩИЕ ЦЕПИ

Цепь с емкостью, включенной параллельно нагрузке, представляет собой последовательную RC-цепь (R1 и С2) с диодом D2. Параллельно емкости корректирующей цепи включается резистор R2 порядка единиц килоОм (рис. 2, а; С1 — емкостный накопитель; К — ключ; D1 — эквивалент нагрузки; D2, R1, R2, C2 — корректирующая цепь). Подбором R2 и R1 добиваются того, чтобы в результате вычитания тока корректирующей цепи из тока на выходе ключа в нагрузке получался импульс необходимой формы (рис. 2, б; 1 — через ключ, 2 — в нагрузке, 3 — через корректирующую цепь).

Без корректирующей цепи, ток течет напрямую через эквивалент нагрузки D1. В этом случае, на нагрузке получается импульс - 1.При подключении данной системы стабилизации, от тока в D1 отнимается ток, необходимый для заряда конденсатора C2,тем самым в нагрузке получается импульс нужной формы-2.После заряда конденсатора, часть его энергии уходит на нагрев резистора R2, таким образом, происходит разряд конденсатора. Величину R2 подбирают так, чтобы конденсатор разрядился к  началу нового импульса.  Резистором R1 регулируют скорость заряда конденсатора. Чем меньше величина R1, тем быстрее происходит заряд конденсатора. Тем самым, увеличивается ток, протекающий по цепи коррекции, вследствие чего уменьшается ток на нагрузке. И наоборот, при увеличении R1, увеличивается ток на нагрузке.

РРис.2. Корректирующая цепь с емкостью, включенной параллельно нагрузке.

Полученные импульсы тока приведены на рис.3:

Рис.3. Импульсы тока.

Красным показан импульс получаемый без корректирующей цепи.Зеленым - импульс в корректирующей цепи. Синим - импульс при подключении системы стабилизации.

Добиться практически идеального, прямоугольного импульса на выходе системы можно, взяв накопитель с очень большой ёмкостью. В этом случае импульс прямоугольный. Форма импульса приведена на рис.4:

Рис.4. Импульсы при большой ёмкости накопителя.

Но такое решение проблемы нерационально с энергетической точки зрения, так как большая часть энергии накопителя будет бесполезной, это означает, что КПД такой системы мал. Так же, данный способ фактически нереализуем на практике.

Корректирующая цепь с индуктивностью, включенной последовательно с нагрузкой [5],работает на схожем принципе. Она состоит из индуктивности L1, параллельно которой включен R1 порядка единиц Ом (рис. 5, а; L1 — корректирующая цепь). Подбором R1 добиваются того, чтобы в результате сложения токов R1 и L1 получался импульс необходимой формы(рис. 5, б; 1 — в нагрузке, 2 — через резистор R1, 3 — через индуктивность L1).

Рис.5.Корректирующая цепь с индуктивностью, включенной последовательно с нагрузкой.

ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПО ТОКУ И ТРАНЗИСТОРОМ, РАБОТАЮЩЕМ В АКТИВНОМ РЕЖИМЕ

Принципиально иным методом коррекции формы импульса тока в нагрузке является использование в качестве ключевого элемента транзистора, работающего в активном режиме. Схема управления таким ключом представлена на рис.6. Транзистор Х1,осуществляющий коммутацию ЕНЭ С2 на нагрузку D1, работает в активном режиме. Последовательно с транзистором включен шунт R7, с которого снимается сигнал обратной связи. Схема управления транзистором состоит из операционных усилителей DA1 и DA2 и транзисторов Q1 и Q2.

Рис.6. Схема системы стабилизации с транзистором работающем в активном режиме.

Принцип работы такой схемы схож с принципом работы ПИД-регулятора. На инвертирующий вход ОУ DA1 подается эталонный сигнал УПР. Инвертированный эталонный сигнал складывается с сигналом обратной связи. В результате получается сигнал рассогласования, который усиливается ОУ DA2 и транзисторами Q1, Q2 и подается на затвор транзистора Х1. R2 и R6 рассчитаны таким образом, чтобы в случае совпадения эталонного сигнала с сигналом обратной связи сигнал рассогласования был равным нулю. Конденсатор С3 отвечает за дифференциальную составляющую сигнала обратной связи, он ускоряет реакцию системы на изменение выходного тока. Стабилитрон D2 нужен для ограничения максимального напряжения на затворе силовых транзисторов и выбирается так, чтобы обеспечить работу транзистора только в линейном режиме и избежать выброса на фронте импульса.

Форма импульса на выходе источника питания с описанной выше системой стабилизации представлена на рис.7:

Рис.7. Форма импульса.

Из рисунка видно,что импульс на выходе источника практически прямоугольный.

ВЫВОДЫ

Такая относительно несложная система стабилизации импульсов  позволяет контролировать форму импульса тока в нагрузке с нелинейной ВАХ и практически не ограничивает диапазон регулировки длительности импульса. Система управления обеспечивает функции защиты генераторов в аварийных режимах, управление инвертором для заряда ЕНЭ до необходимого напряжения и генерацию импульсов управления ключом. Такой подход позволил создать надежный источник питания лазера с широким диапазоном регулировки всех выходных параметров, в том числе формы импульса тока. Это обеспечивает возможность подбора оптимального режима работы лазера и защиту дорогостоящих линеек и матриц лазерных диодов от выхода из строя.

Список литературы:

1. Борисов Б.Н., Демкин В.К., Дунин В.М.и др.О работах предприятия по созданию лазеров с полупроводниковой накачкой. В кн.: Лазерно-оптические системы и технологии. – М.:ФГУП"НПО АСТРОФИЗИКА",2009. — С.8–17.
2. Грамаков А. А., Фефелов А. П., Чернышев А. В. Высокоэффективные источники накачки для импульсных полупроводниковых лазерных линеек // Наука и образование. . — 2012. —  № 4. —С.56-59.
3. Иванов А. Б., Сосновкин Л. Импульсные передатчики СВЧ. М.: Советское радио, 1956.—С.202.
4. Кравцов Н.В. Основные тенденции развития твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой. // Квантовая электроника, 2001. —№8. — с. 661– 667.
5. Шестаков А. Активные элементы твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой. //Фотоника. — 2007.—№5. —С.47.