eng
Выпуск #1/2014
А.Темников, А.Гайосо де лос Сантос, З.Павлова, А.Федоров, А.Колесников
Системы электропитания многоканальных лазеров с диодной накачкой
Системы электропитания многоканальных лазеров с диодной накачкой
Просмотры: 4644
Основные сферы применения мощных лазерных систем – фундаментальные и прикладные исследования в области инерциального термоядерного синтеза, взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом. В статье лаконично описаны основные принципы построения универсальной системы электропитания мощного многоканального лазерного комплекса с диодной накачкой.
Теги: diode laser pumps power lasers electric supply диодные лазеры для накачки электропитание мощных лазеров
Прогресс в области лазерной физики и техники, с точки зрения повышения эффективности лазерных систем, связывают с созданием мощных линеек и матриц лазерных диодов и на их основе – систем накачки мощных твердотельных лазеров, обладающих высокими удельными характеристиками и надежностью. Согласно данным журнала LaserFocusWorld [1], за 2013 год лазеры с диодной накачкой составляют 49% от общего числа лазеров.
Для электропитания и управления лазерными системами с мощностью накачки до 5 кВт, как правило, используют моноблочную конструкцию. Если мощность накачки лазерной системы превышает 5 кВт, эффективность применения моноблочного конструктива начинает уступать системам, основанным на модульном построении. Лазерные системы высокой мощности в основном являются многоканальными с мощностью накачки каждого канала не более 5 кВт. Таким образом, при применении модульного принципа каждая модульная единица питает свой канал накачки лазерной системы.
Основными преимуществами построения систем электропитания высокомощных лазеров по такому принципу являются:
доступность элементной базы;
возможность перестраивания системы под необходимое количество каналов накачки;
простота транспортировки;
ремонтопригодность.
Впервые компания ООО Федал столкнулась с необходимостью построения системы электропитания по модульному принципу еще при работе с твердотельными лазерами с ламповой накачкой. Лазер был предназначен для термораскола стекла, имел три канала накачки с лампами ИНП 16/250Э. Система питания для этого лазера включала три высоковольтных зарядных модуля с встроенной системой синхронизации, три блока поджига и три батареи конденсаторов. Впоследствии компания строила многоканальные системы питания для лазеров, накачиваемых лампами ИНП 16/250Э и ИНП 18/850Э.
Рост мощности лазеров с диодной накачкой позволил применить знания, полученные при проектировании систем с ламповой накачкой в области лазерных диодов (рис.1).
Для решения задач питания мощных лазерных систем с диодной накачкой был разработан источник питания SF308 со средней выходной мощностью 5 кВт (рис.2). На его основе сконструирована модификация SF308 для многоканальных лазеров, отличающаяся отсутствием дисплея и органов управления [2–4].
Источник питания SF308 является генератором импульсов тока, основанным на принципе частичного разряда емкостного накопителя энергии (ЕНЭ).
Для заряда ЕНЭ используется резонансный транзисторный инвертор. Система управления отслеживает уровень напряжения накопителя и включает инвертор, когда напряжение накопителя уменьшается ниже заданного. Для исключения сбоев в системе управления на время формирования импульса тока в нагрузке включение инвертора блокируется.
Форма импульсов тока, получаемых в генераторах с ЕНЭ, близка к прямоугольной, плоская часть импульса имеет экспоненциальный спад. Очевидно, что величина этого спада будет расти с увеличением длительности импульса. Конечно, повышая существенно емкость накопителя, можно добиться почти плоской вершины импульса, но такой подход нецелесообразен с экономической точки зрения. Кроме этого, избыточная энергия большого накопителя в аварийных режимах (пропуск размыкания ключа) может привести к разрушению нагрузки. В результате этого возникла необходимость коррекции формы импульса тока с целью уменьшения величины спада плоской части при приемлемой величине накопителя.
Решить эту задачу удалось с помощью полностью управляемого транзисторного ключа, который позволяет корректировать форму импульса тока, а также играет роль защиты от выбросов тока, способных вывести дорогостоящие лазерные диоды из строя [5].
Для объединения источников питания в единую многоканальную систему было разработано устройство синхронизации SF700. Устройство предназначено для одновременного или раздельного управления несколькими источниками питания лазеров производства ООО "Федал" (рис.3). Устройство содержит систему управления питанием для объединенных в стек источников, интерфейс управления источниками и систему генерации импульсов синхронизации. Связь между SF700 и источниками питания осуществляется по оптоволоконной сети либо по интерфейсу RS232. К одному устройству синхронизации возможно одновременное подключение до восьми источников питания. Для лазерных систем с количеством каналов более восьми предусмотрена возможность объединения SF700 в сеть по протоколу RS485 либо по оптоволокну. Гальваническая изоляция всех связей, а также возможность использования оптической связи обеспечивают высокую помехозащищенность комплекса в целом.
Источники питания SF308 и устройства синхронизации SF700 представляют заказчику возможность собрать универсальную систему электропитания мощного многоканального лазерного комплекса с диодной накачкой.
Литература
Overton G., Nogee A., Holton G. Lasers forge 21st century innovation. – Laser Focus World. January 2014, №1.
Глухих И.В., Кубасов В.А., Курунов Р.Ф. и др. Исследование спектральных характеристик импульсно-периодических линеек лазерных диодов. – Известия Академии наук. Серия физическая, 2001, Е.65, № 6, с. 870–875.
Глухих И.В., Коваль Ю.П., Кубасов В.А. и др. Мощные непрерывные 10 Вт лазерные линейки на основе гетероструктур InGaAsPh/GaAs с улучшенным теплоотводом. – Тезисы докладов 4-го Белорусско-Российского семинара "Полупроводниковые лазеры и системы на их основе" 20 –25 мая, 2002, Минск, Беларусь, с.34 –36.
Глухих И.В., Коваль Ю.П., Кубасов В.А. и др. Мощные непрерывные линейки лазерных диодов с высокоэффективным теплоотводом для накачки твердотельных лазеров. – Вопросы атомной науки и техники. Серия электрофизическая аппаратура, 2002, вып.1 (27), с. 83–87.
Глухих И.В., Курунов Р.Ф., Поликарпов С.С., Фролов С.В. Разработка твердотельных лазеров с диодной накачкой в НИИЭФА им.Д.В.Ефремова. – Вопросы атомной науки и техники. Серия электрофизическая аппаратура, 2005, вып. 3 ( 29), с. 84–89.
Для электропитания и управления лазерными системами с мощностью накачки до 5 кВт, как правило, используют моноблочную конструкцию. Если мощность накачки лазерной системы превышает 5 кВт, эффективность применения моноблочного конструктива начинает уступать системам, основанным на модульном построении. Лазерные системы высокой мощности в основном являются многоканальными с мощностью накачки каждого канала не более 5 кВт. Таким образом, при применении модульного принципа каждая модульная единица питает свой канал накачки лазерной системы.
Основными преимуществами построения систем электропитания высокомощных лазеров по такому принципу являются:
доступность элементной базы;
возможность перестраивания системы под необходимое количество каналов накачки;
простота транспортировки;
ремонтопригодность.
Впервые компания ООО Федал столкнулась с необходимостью построения системы электропитания по модульному принципу еще при работе с твердотельными лазерами с ламповой накачкой. Лазер был предназначен для термораскола стекла, имел три канала накачки с лампами ИНП 16/250Э. Система питания для этого лазера включала три высоковольтных зарядных модуля с встроенной системой синхронизации, три блока поджига и три батареи конденсаторов. Впоследствии компания строила многоканальные системы питания для лазеров, накачиваемых лампами ИНП 16/250Э и ИНП 18/850Э.
Рост мощности лазеров с диодной накачкой позволил применить знания, полученные при проектировании систем с ламповой накачкой в области лазерных диодов (рис.1).
Для решения задач питания мощных лазерных систем с диодной накачкой был разработан источник питания SF308 со средней выходной мощностью 5 кВт (рис.2). На его основе сконструирована модификация SF308 для многоканальных лазеров, отличающаяся отсутствием дисплея и органов управления [2–4].
Источник питания SF308 является генератором импульсов тока, основанным на принципе частичного разряда емкостного накопителя энергии (ЕНЭ).
Для заряда ЕНЭ используется резонансный транзисторный инвертор. Система управления отслеживает уровень напряжения накопителя и включает инвертор, когда напряжение накопителя уменьшается ниже заданного. Для исключения сбоев в системе управления на время формирования импульса тока в нагрузке включение инвертора блокируется.
Форма импульсов тока, получаемых в генераторах с ЕНЭ, близка к прямоугольной, плоская часть импульса имеет экспоненциальный спад. Очевидно, что величина этого спада будет расти с увеличением длительности импульса. Конечно, повышая существенно емкость накопителя, можно добиться почти плоской вершины импульса, но такой подход нецелесообразен с экономической точки зрения. Кроме этого, избыточная энергия большого накопителя в аварийных режимах (пропуск размыкания ключа) может привести к разрушению нагрузки. В результате этого возникла необходимость коррекции формы импульса тока с целью уменьшения величины спада плоской части при приемлемой величине накопителя.
Решить эту задачу удалось с помощью полностью управляемого транзисторного ключа, который позволяет корректировать форму импульса тока, а также играет роль защиты от выбросов тока, способных вывести дорогостоящие лазерные диоды из строя [5].
Для объединения источников питания в единую многоканальную систему было разработано устройство синхронизации SF700. Устройство предназначено для одновременного или раздельного управления несколькими источниками питания лазеров производства ООО "Федал" (рис.3). Устройство содержит систему управления питанием для объединенных в стек источников, интерфейс управления источниками и систему генерации импульсов синхронизации. Связь между SF700 и источниками питания осуществляется по оптоволоконной сети либо по интерфейсу RS232. К одному устройству синхронизации возможно одновременное подключение до восьми источников питания. Для лазерных систем с количеством каналов более восьми предусмотрена возможность объединения SF700 в сеть по протоколу RS485 либо по оптоволокну. Гальваническая изоляция всех связей, а также возможность использования оптической связи обеспечивают высокую помехозащищенность комплекса в целом.
Источники питания SF308 и устройства синхронизации SF700 представляют заказчику возможность собрать универсальную систему электропитания мощного многоканального лазерного комплекса с диодной накачкой.
Литература
Overton G., Nogee A., Holton G. Lasers forge 21st century innovation. – Laser Focus World. January 2014, №1.
Глухих И.В., Кубасов В.А., Курунов Р.Ф. и др. Исследование спектральных характеристик импульсно-периодических линеек лазерных диодов. – Известия Академии наук. Серия физическая, 2001, Е.65, № 6, с. 870–875.
Глухих И.В., Коваль Ю.П., Кубасов В.А. и др. Мощные непрерывные 10 Вт лазерные линейки на основе гетероструктур InGaAsPh/GaAs с улучшенным теплоотводом. – Тезисы докладов 4-го Белорусско-Российского семинара "Полупроводниковые лазеры и системы на их основе" 20 –25 мая, 2002, Минск, Беларусь, с.34 –36.
Глухих И.В., Коваль Ю.П., Кубасов В.А. и др. Мощные непрерывные линейки лазерных диодов с высокоэффективным теплоотводом для накачки твердотельных лазеров. – Вопросы атомной науки и техники. Серия электрофизическая аппаратура, 2002, вып.1 (27), с. 83–87.
Глухих И.В., Курунов Р.Ф., Поликарпов С.С., Фролов С.В. Разработка твердотельных лазеров с диодной накачкой в НИИЭФА им.Д.В.Ефремова. – Вопросы атомной науки и техники. Серия электрофизическая аппаратура, 2005, вып. 3 ( 29), с. 84–89.
Отзывы читателей
