激光电源是激光器的能源，它向激光器提供泵浦能量，控制激光输出强弱和重复 频率。因此，激光电源是激光器必不可少的重要组成部分。早期的脉冲激光电源 ，如谐振充电型或LC恒流充电型激光电源，都是用工频交流变压器进行升压，并 实现对电网的隔离。由于工频交流变压器体大笨重，人们从七十年代开始研制开 关型电源。它是将工频交流整流成直流，再用开关功率变换方法，将直流逆变成 高频交流，通过高频变压器进行升压，与电网隔离之后进行整流，给储能电容器 充电，最后经氙灯放电给激光器提供泵浦能量。由于高频变压器的体积和重量远 小于同等容量的工频变压器，因此，整个激光电源的体积和重量大大减小。同时 ，由于频率的提高，每周期给储能电容器充电少，通过充电电压的控制，使充电 电压实现稳定可调，从而大大提高了激光输出的稳定性。

   脉冲激光电源性能主要指标分为 ：

A、每次脉冲能量 如：25J， 

B、脉冲重复频率可调 如：最大为40Hz，

C、额定输出功率 如：500W， 

D、输出激光能量稳定度 如：大于95％，

E、输出激光延时稳定度 如：±1μs。

   一、 激光电源作用对象  激光电源最终作用对象为氙灯，经氙灯放电给激光器提供泵浦能量。

脉冲氙灯的工作原理

   脉冲氙灯的工作分为起辉、预燃和高压放电三阶段，其工作过程比较复杂，是一种非稳态的气体放电。起辉阶段，放电首先在石英管内壁接近触 发丝处产生电离通道，气体由于与电子碰撞而被加热，灯内的氙气迅速电离，发生辉光放电。脉冲变压器T、电容C2 、可控硅VT2 和电阻R2 构成起辉电路，当VT2 关断时，电压U1通过电阻R2给电容C2 充电，在电容C2 上存储能量，通常U1 为1kV左右，充电时间很短。当VT2导通时，电容C2 和脉冲变压器T的电感谐振放电，在变压器T 的副端产生5kV左右的起辉电压，脉冲氙灯在很强的轴向电场及触发高压脉冲作用下，气体被击穿，形成放电通道；预燃阶段，当输入的能量足够大时，电极加热 到具有一定的热发射能力，灯管中的气体则由辉光放电过渡到弧光放电。此时，脉冲氙灯可近似为一电阻，电压U2 通过电阻R1 和二极管D 加到脉冲氙灯两端形成预燃回路；高压放电阶段，脉冲氙灯为弧光放电，当VT1 关断时，电压U3 向电容C1 充电，当VT1 导通时，电容C1 向脉冲氙灯放电，从而脉冲氙灯出现弧光频闪现象。在高压放电阶段，预燃电路一直给脉冲氙灯提供维持电流。    

在传统的脉冲氙灯起辉预燃系统中，起辉阶段和预燃阶段分别需要电压源， U1为起辉电压，U2为预燃电压，从而增加了电源设计的复杂性。新型脉 冲氙灯起辉预燃电源采用PWM技术控制，起辉和预燃阶段共用一个电源，起辉时为电压源，预燃时为恒流源。起辉阶段，最大占空比输出最高电压，通过串联谐振 得到高压起辉电压；预燃阶段，通过调整占空比恒流输出维持电流。

二、激光电源工作原理

（1）主电路工作原理   

主电路原理：主电路由工频220V供电，整流为310V直流，中间设有软启动电路和滤波环节，逆变电路由谐振电感、谐振电容和IGBT逆变开关组成半 桥电路，逆变频率为22kHz，逆变后，通过高频变压器进行升压，与电网隔离之后 进行高频整流，再给储能电容器充电。储能电容器放电前，由触发电路产生的高 压将负载氙灯击穿电离，预燃电路给负载氙灯提供稳定的预燃电流，使负载氙灯处于放电前的准备状态。   

   充好电的储能电容器经放电开关和成形电感给负载氙灯放电，从而实现对激光器的泵浦。     

（2)控制电路工作原理  

脉冲YAG激光电源的控制部分主要有信号源、信号处理及整形、延时调节、脉 冲功率放大、储能电压控制以及隔离等电路组成。我们研制的脉冲YAG激光电源采 用谐振开关技术的主电路结构，可以实现电流过零时刻的关断，能够有效地减少 开关损耗，从而提高了转换效率。根据主电路的组成，控制电路主要完成充电控 制、放电控制、充放电间的时间连锁、调Q延时控制等功能。在主电路与控制电路接口增加隔离措施，以防止主电路对控制电路的干扰而造成控制电路失控现象 的发生。

1)充电控制  主电路的充电电路是由两个IGBT逆变开关元件组成的半桥电路，两个开关通 断的相位差要求为180°，所以两路控制信号的相位差也必须保证为180°。在一 个逆变周期里，每个IGBT逆变开关要分别完成导通和关断续流两个过程，为防止半桥电路的直通现象，在两路控制信号的相邻两个脉冲周期之间，设定一个死区时间，使半桥电路的两个逆变开关同时处于关断状态。

电路工作时，由信号源产生两路脉宽可调、相位差为180°的振荡信号，两路 振荡信号的合成频率为22kHz。充电时，充放电连锁和停止充电控制端均为高电平 ，允许充电控制信号通过与门电路，再经过脉冲放大和隔离电路控制主电路逆变 开关工作。当主电路储能电容器充到预定电压时，通过反馈取样，使停止充电控制端为低电平，封锁充电控制信号，使充电过程停止。另外，放电时，充放电连 锁控制端也产生一个宽度为l～2ms的低电平，封锁充电控制信号，使充电过程在放电时停止。    

2)放电控制  主电路的放电电路是由SCR作开关，其导通由放电控制信号控制，关断是由放 电电流过零时自行关断的。我们设定的几种固定放电频率为：lHz、5Hz、10Hz、 20Hz、40Hz。另外还具有手动单次放电以及外时钟编码控制功能。具有放电频率 多样，调节方便灵活等特点。由于采用晶体振荡器，因此，频率精度很高。

 电路工作时，由振荡器产生2MHz的时钟脉冲信号，供计数器计数。当计数器的Q端计数到与数值比较器的预置数相等时，在数值比较器的Q端输出一个与时钟脉冲宽度相等的脉冲信号。同时，这个脉冲信号对计数器复位，使计数器重新开始计数。当计数器第二次计数到与数值比较器的预置数相等时，在数值比较器的Q端又输出第二个脉冲信号，此过程循环往复。这样，在数值比较器的输出端便得到一个系列的脉冲串，其脉宽为时钟脉冲的宽度(即ns)

频率f为：      f=2MHz×预置数的倒数    

   使用这种分频的方法得到的分频误差为±250ns，精度很高。由于后续电路均为边沿触发方式，对脉冲宽度的微小变化无特殊要求，因此，整个放电精度即为±250ns。经数值比较分频的脉冲信号再经进一步的分频、整形、脉冲放大和隔离后，触发放电开关SCR。同时也得到了充放电连锁控制信号和调Q延时同步信号调Q电路工作原理

1、调Q原理   

品质因数Q是表征激光谐振腔质量的参数，与激光谐振腔的损耗成反比，Q值越高，越容易产生激光振荡。调Q的目的在于：在激光器开始工作时，先使激光谐振腔处于低Q值状态，此时工作物资不断积累粒子。当粒子数积累到最大值的时刻，使Q值突然阶跃性升高，激光谐振腔立即雪崩式地建立起极强的激光振荡，在极短的时间内输出激光巨脉冲。目前，脉冲固体激光器都采用KD*P电光晶体作为Q开关。它主要是依靠在电光晶体上所施加的电场作用改变激光谐振腔内的偏振特性来实现调Q的，而这个电场是通过在KD*P电光晶体上施加的四分之一波长电压产生的，其数值一般为3 000～4 000V。在KD*P电光晶体上施加四分之一波长电压作用下，激光谐振腔为低Q值状态，进行粒子数的积累过程。当粒子数积累到最大值时，使用退高压开关，去掉所加电压，即可使激光谐振腔的Q值阶跃性突然升高，输出脉宽极窄的激光巨脉冲。    

 2、调Q电路原理    

   调 Q电路主要由晶体高压电路及退高压电路组成。晶体高压电路要求能够产生一个电压可调的稳定的直流高压。由于电光晶体具有电容特性，等效电容很小(pF)，负载较轻，因此，采用直流高频逆变电路较为方便。电路工作时，由可调低压直流电源通过高频逆变升压，再整流成高压直流施加到电光晶体上。通过对逆变控制信号的频率和脉宽的调节，施加在电光晶体上的直流高压非常稳定。  

   退高压同步信号(即调Q同步信号)由放电控制电路给出。以放电控制信号的上升沿为同步点，经过延时处理、隔离、脉冲升压后，触发退高压开关，使激光器输出激光巨脉冲。在延时时间内，由于晶体高压的作用，激光谐振腔的Q值极低，工作物资处在粒子积累过程中，因此，延时时间即为粒子数积累到最大值的时间。根据经验，延时时间约为100～200μs左右。由于不同的激光物质的差异，在实际应用中，应当针对不同的激光器进行具体地调节，以输出激光最强为准。

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2014-112701