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(qiáng)弱和重復(fù) 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(jìn)行升壓，并 實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的隔離。由于工頻交流變壓器體大笨重，人們從七十年代開(kāi)始研制開(kāi) 關(guān)型電源。它是將工頻交流整流成直流，再用開(kāi)關(guān)功率變換方法，將直流逆變成 高頻交流，通過(guò)高頻變壓器進(jìn)行升壓，與電網(wǎng)隔離之后進(jìn)行整流，給儲(chǔ)能電容器 充電，最后經(jīng)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(yuǎn) 小于同等容量的工頻變壓器，因此，整個(gè)激光電源的體積和重量大大減小。同時(shí) ，由于頻率的提高，每周期給儲(chǔ)能電容器充電少，通過(guò)充電電壓的控制，使充電 電壓實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可調(diào)，從而大大提高了激光輸出的穩(wěn)定性。

   脈沖激光電源性能主要指標(biāo)分為 ：

A、每次脈沖能量 如：25J， 

B、脈沖重復(fù)頻率可調(diào) 如：最大為40Hz，

C、額定輸出功率 如：500W， 

D、輸出激光能量穩(wěn)定度 如：大于95％，

E、輸出激光延時(shí)穩(wěn)定度 如：±1μs。

   一、 激光電源作用對(duì)象  激光電源最終作用對(duì)象為氙燈，經(jīng)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(yù)燃和高壓放電三階段，其工作過(guò)程比較復(fù)雜，是一種非穩(wěn)態(tài)的氣體放電。起輝階段，放電首先在石英管內(nèi)壁接近觸 發(fā)絲處產(chǎn)生電離通道，氣體由于與電子碰撞而被加熱，燈內(nèi)的氙氣迅速電離，發(fā)生輝光放電。脈沖變壓器T、電容C2 、可控硅VT2 和電阻R2 構(gòu)成起輝電路，當(dāng)VT2 關(guān)斷時(shí)，電壓U1通過(guò)電阻R2給電容C2 充電，在電容C2 上存儲(chǔ)能量，通常U1 為1kV左右，充電時(shí)間很短。當(dāng)VT2導(dǎo)通時(shí)，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(chǎn)生5kV左右的起輝電壓，脈沖氙燈在很強(qiáng)的軸向電場(chǎng)及觸發(fā)高壓脈沖作用下，氣體被擊穿，形成放電通道；預(yù)燃階段，當(dāng)輸入的能量足夠大時(shí)，電極加熱 到具有一定的熱發(fā)射能力，燈管中的氣體則由輝光放電過(guò)渡到弧光放電。此時(shí)，脈沖氙燈可近似為一電阻，電壓U2 通過(guò)電阻R1 和二極管D 加到脈沖氙燈兩端形成預(yù)燃回路；高壓放電階段，脈沖氙燈為弧光放電，當(dāng)VT1 關(guān)斷時(shí)，電壓U3 向電容C1 充電，當(dāng)VT1 導(dǎo)通時(shí)，電容C1 向脈沖氙燈放電，從而脈沖氙燈出現(xiàn)弧光頻閃現(xiàn)象。在高壓放電階段，預(yù)燃電路一直給脈沖氙燈提供維持電流。    

在傳統(tǒng)的脈沖氙燈起輝預(yù)燃系統(tǒng)中，起輝階段和預(yù)燃階段分別需要電壓源， U1為起輝電壓，U2為預(yù)燃電壓，從而增加了電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。新型脈 沖氙燈起輝預(yù)燃電源采用PWM技術(shù)控制，起輝和預(yù)燃階段共用一個(gè)電源，起輝時(shí)為電壓源，預(yù)燃時(shí)為恒流源。起輝階段，最大占空比輸出最高電壓，通過(guò)串聯(lián)諧振 得到高壓起輝電壓；預(yù)燃階段，通過(guò)調(diào)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(shè)有軟啟動(dòng)電路和濾波環(huán)節(jié)，逆變電路由諧振電感、諧振電容和IGBT逆變開(kāi)關(guān)組成半 橋電路，逆變頻率為22kHz，逆變后，通過(guò)高頻變壓器進(jìn)行升壓，與電網(wǎng)隔離之后 進(jìn)行高頻整流，再給儲(chǔ)能電容器充電。儲(chǔ)能電容器放電前，由觸發(fā)電路產(chǎn)生的高 壓將負(fù)載氙燈擊穿電離，預(yù)燃電路給負(fù)載氙燈提供穩(wěn)定的預(yù)燃電流，使負(fù)載氙燈處于放電前的準(zhǔn)備狀態(tài)。   

   充好電的儲(chǔ)能電容器經(jīng)放電開(kāi)關(guān)和成形電感給負(fù)載氙燈放電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)源、信號(hào)處理及整形、延時(shí)調(diào)節(jié)、脈 沖功率放大、儲(chǔ)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(kāi)關(guān)技術(shù)的主電路結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)電流過(guò)零時(shí)刻的關(guān)斷，能夠有效地減少 開(kāi)關(guān)損耗，從而提高了轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)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(shí)間連鎖、調(diào)Q延時(shí)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(duì)控制電路的干擾而造成控制電路失控現(xiàn)象 的發(fā)生。

1)充電控制  主電路的充電電路是由兩個(gè)IGBT逆變開(kāi)關(guān)元件組成的半橋電路，兩個(gè)開(kāi)關(guān)通 斷的相位差要求為180°，所以兩路控制信號(hào)的相位差也必須保證為180°。在一 個(gè)逆變周期里，每個(gè)IGBT逆變開(kāi)關(guān)要分別完成導(dǎo)通和關(guān)斷續(xù)流兩個(gè)過(guò)程，為防止半橋電路的直通現(xiàn)象，在兩路控制信號(hào)的相鄰兩個(gè)脈沖周期之間，設(shè)定一個(gè)死區(qū)時(shí)間，使半橋電路的兩個(gè)逆變開(kāi)關(guān)同時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)。

電路工作時(shí)，由信號(hào)源產(chǎn)生兩路脈寬可調(diào)、相位差為180°的振蕩信號(hào)，兩路 振蕩信號(hào)的合成頻率為22kHz。充電時(shí)，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(hào)通過(guò)與門(mén)電路，再經(jīng)過(guò)脈沖放大和隔離電路控制主電路逆變 開(kāi)關(guān)工作。當(dāng)主電路儲(chǔ)能電容器充到預(yù)定電壓時(shí)，通過(guò)反饋取樣，使停止充電控制端為低電平，封鎖充電控制信號(hào)，使充電過(guò)程停止。另外，放電時(shí)，充放電連 鎖控制端也產(chǎn)生一個(gè)寬度為l～2ms的低電平，封鎖充電控制信號(hào)，使充電過(guò)程在放電時(shí)停止。    

2)放電控制  主電路的放電電路是由SCR作開(kāi)關(guān)，其導(dǎo)通由放電控制信號(hào)控制，關(guān)斷是由放 電電流過(guò)零時(shí)自行關(guān)斷的。我們?cè)O(shè)定的幾種固定放電頻率為：lHz、5Hz、10Hz、 20Hz、40Hz。另外還具有手動(dòng)單次放電以及外時(shí)鐘編碼控制功能。具有放電頻率 多樣，調(diào)節(jié)方便靈活等特點(diǎn)。由于采用晶體振蕩器，因此，頻率精度很高。

 電路工作時(shí)，由振蕩器產(chǎn)生2MHz的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，供計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器的Q端計(jì)數(shù)到與數(shù)值比較器的預(yù)置數(shù)相等時(shí)，在數(shù)值比較器的Q端輸出一個(gè)與時(shí)鐘脈沖寬度相等的脈沖信號(hào)。同時(shí)，這個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)計(jì)數(shù)器復(fù)位，使計(jì)數(shù)器重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器第二次計(jì)數(shù)到與數(shù)值比較器的預(yù)置數(shù)相等時(shí)，在數(shù)值比較器的Q端又輸出第二個(gè)脈沖信號(hào)，此過(guò)程循環(huán)往復(fù)。這樣，在數(shù)值比較器的輸出端便得到一個(gè)系列的脈沖串，其脈寬為時(shí)鐘脈沖的寬度(即ns)

頻率f為：      f=2MHz×預(yù)置數(shù)的倒數(shù)    

   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(xù)電路均為邊沿觸發(fā)方式，對(duì)脈沖寬度的微小變化無(wú)特殊要求，因此，整個(gè)放電精度即為±250ns。經(jīng)數(shù)值比較分頻的脈沖信號(hào)再經(jīng)進(jìn)一步的分頻、整形、脈沖放大和隔離后，觸發(fā)放電開(kāi)關(guān)SCR。同時(shí)也得到了充放電連鎖控制信號(hào)和調(diào)Q延時(shí)同步信號(hào)調(diào)Q電路工作原理

1、調(diào)Q原理   

品質(zhì)因數(shù)Q是表征激光諧振腔質(zhì)量的參數(shù)，與激光諧振腔的損耗成反比，Q值越高，越容易產(chǎn)生激光振蕩。調(diào)Q的目的在于：在激光器開(kāi)始工作時(shí)，先使激光諧振腔處于低Q值狀態(tài)，此時(shí)工作物資不斷積累粒子。當(dāng)粒子數(shù)積累到最大值的時(shí)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(qiáng)的激光振蕩，在極短的時(shí)間內(nèi)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(kāi)關(guān)。它主要是依靠在電光晶體上所施加的電場(chǎng)作用改變激光諧振腔內(nèi)的偏振特性來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)Q的，而這個(gè)電場(chǎng)是通過(guò)在KD*P電光晶體上施加的四分之一波長(zhǎng)電壓產(chǎn)生的，其數(shù)值一般為3 000～4 000V。在KD*P電光晶體上施加四分之一波長(zhǎng)電壓作用下，激光諧振腔為低Q值狀態(tài)，進(jìn)行粒子數(shù)的積累過(guò)程。當(dāng)粒子數(shù)積累到最大值時(shí)，使用退高壓開(kāi)關(guān)，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(diào)Q電路原理    

   調(diào) 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(chǎn)生一個(gè)電壓可調(diào)的穩(wěn)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(fù)載較輕，因此，采用直流高頻逆變電路較為方便。電路工作時(shí)，由可調(diào)低壓直流電源通過(guò)高頻逆變升壓，再整流成高壓直流施加到電光晶體上。通過(guò)對(duì)逆變控制信號(hào)的頻率和脈寬的調(diào)節(jié)，施加在電光晶體上的直流高壓非常穩(wěn)定。  

   退高壓同步信號(hào)(即調(diào)Q同步信號(hào))由放電控制電路給出。以放電控制信號(hào)的上升沿為同步點(diǎn)，經(jīng)過(guò)延時(shí)處理、隔離、脈沖升壓后，觸發(fā)退高壓開(kāi)關(guān)，使激光器輸出激光巨脈沖。在延時(shí)時(shí)間內(nèi)，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(guò)程中，因此，延時(shí)時(shí)間即為粒子數(shù)積累到最大值的時(shí)間。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，延時(shí)時(shí)間約為100～200μs左右。由于不同的激光物質(zhì)的差異，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)針對(duì)不同的激光器進(jìn)行具體地調(diào)節(jié)，以輸出激光最強(qiáng)為準(zhǔn)。

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