一、泵浦源驅(qū)動(dòng)電路分析
光纖激光器整體結(jié)構(gòu)構(gòu)造相當(dāng)緊湊,它的整體體積較小且工作穩(wěn)定可靠,易于集成,是當(dāng)前固體激光技術(shù)實(shí)用化的最優(yōu)選擇。在它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中,泵浦源驅(qū)動(dòng)電路占據(jù)較大部分,它作為激光工作介質(zhì)達(dá)到粒子束部分為光纖激光器反轉(zhuǎn)提供外界能源,所以它的光纖傳輸近紅外波相對(duì)偏長(zhǎng),峰值功率相對(duì)較高,熱光畸變非常之小且使用壽命較長(zhǎng),擁有良好的光束質(zhì)量。
泵浦源電路之所以重要還因?yàn)楣饫w激光器只有在外部激勵(lì)或泵浦作用下才能保證實(shí)現(xiàn)物質(zhì)處于粒子束反轉(zhuǎn)狀態(tài),所以說(shuō)泵浦源驅(qū)動(dòng)電路的輸出穩(wěn)定性也直接決定了光纖激光器的穩(wěn)定性。在泵浦源中主要包含了控制功率的 APC電路、熱敏電阻、光電探測(cè)器、半導(dǎo)體制冷器、ATC 電路與激光等等。這其中 APC 電路最為重要,它主要負(fù)責(zé)保障二極管 LD 輸出光功率的高穩(wěn)定性,同時(shí)如果出現(xiàn)熱量不足或無(wú)法及時(shí)散發(fā)情況下,有效增加二極管 LD 溫度,穩(wěn)定激光器使用性能。
結(jié)合光纖激光器的整體結(jié)構(gòu)對(duì)泵浦源驅(qū)動(dòng)電路中的恒流電路進(jìn)行分析,恒流電路本身由三極管 Q2、高頻功率放大器 Q3 所組成,屬于復(fù)合管結(jié)構(gòu),可用于電流放大。它可有效防止共用端負(fù)載加載到反饋網(wǎng)絡(luò)上,主要利用二極管 LD 串聯(lián)調(diào)整 Q3 部分,實(shí)現(xiàn)對(duì)二極管 LD驅(qū)動(dòng)電流的有效控制。
二、泵浦源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用
泵浦源驅(qū)動(dòng)電路中包括了恒流電路和保護(hù)電路,下文主要要圍繞這兩個(gè)電路展開(kāi)設(shè)計(jì)。
(一)恒流電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用
要首先分析光纖激光器中的半導(dǎo)體激光器部分,其對(duì)電流要求相當(dāng)高,要避免它承受超出范圍的正向電流,否則可能導(dǎo)致泵浦源驅(qū)動(dòng)電路受損甚至功能失效。在設(shè)計(jì)前,需要明確一點(diǎn)其恒流驅(qū)動(dòng)方式必須低噪聲,設(shè)計(jì)紋波相對(duì)偏小的恒流電路,在電路供電電源 AC/DC 穩(wěn)壓后正常輸出電壓。
要在理想狀態(tài)下對(duì)恒流電路進(jìn)行設(shè)計(jì)分析,保證其輸出電流Iout與輸入電壓 Vin呈線性關(guān)系,與此同時(shí)設(shè)置Q2放大倍數(shù)為β2,設(shè)置Q3放大倍數(shù)為β3 ,根據(jù)基爾霍夫電流與電壓定律對(duì)電路中的直流特性進(jìn)行分析,建立電路直流特性方程組如下:
根據(jù)上式可證明電流與泵浦源驅(qū)動(dòng)電路中的元器件特性是呈現(xiàn)穩(wěn)定正比例關(guān)系的,它們與輸入電壓穩(wěn)定性之間也存在密切關(guān)系。
(二)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用
在泵浦源驅(qū)動(dòng)電路中,需要對(duì)其半導(dǎo)體激光器進(jìn)行特別設(shè)計(jì),明確設(shè)計(jì)中所存在的工藝與材料限制,避免在設(shè)計(jì)改造過(guò)程中元器件出現(xiàn)損壞問(wèn)題。根據(jù)分析,需要首先確保泵浦源驅(qū)動(dòng)電路中的驅(qū)動(dòng)電源滿足二極管 LD 安全運(yùn)行要求,定位半導(dǎo)體激光器核心即 PN 結(jié),避免其承受反向過(guò)電壓與擊穿損壞情況出現(xiàn),同時(shí)確保與二極管 LD實(shí)現(xiàn)分流,合理規(guī)避反向浪涌所產(chǎn)生電流直接擊穿激光器,消除浪涌沖擊。如果出現(xiàn)激光器承受正向電流超出其允許最大電流值,需要對(duì)其性能影響進(jìn)行深度分析,保護(hù)繼電器部分。必要時(shí)可設(shè)計(jì)過(guò)載保護(hù)電路,對(duì)其實(shí)施過(guò)流與過(guò)壓保留戶,構(gòu)成過(guò)壓保護(hù)電路體系。
針對(duì)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)還要注重溫度問(wèn)題,考慮到 Q3的基極電流在逐漸增大,所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中要實(shí)現(xiàn) Q3通,確保半導(dǎo)體制冷器TEC 中的電流也能夠相應(yīng)增大,如此更能保證二極管 LD 中的溫度降低。如果環(huán)境溫度過(guò)低導(dǎo)致二極管 LD 溫度過(guò)低,需要通過(guò)設(shè)計(jì)控制電路提升 TEC 溫度,同步還要設(shè)計(jì)一套報(bào)警電路,保證報(bào)警電路結(jié)構(gòu)與無(wú)光報(bào)警電路相同,如果 TEC 正常工作則確保報(bào)警系統(tǒng)停止運(yùn)行,由人工進(jìn)行智能化操作。
三、泵浦源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)結(jié)果研討
最后對(duì)泵浦源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行研討分析。考慮到光纖激光器系統(tǒng)的單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到 1.4V,且系統(tǒng)采用 +5V 供電,所以必須靈活調(diào)節(jié)輸入驅(qū)動(dòng)電壓,確保延遲時(shí)間范圍被控制在500ms內(nèi),有效消除系統(tǒng)開(kāi)關(guān)所造成的電流突變,進(jìn)而保護(hù)激光器部分。同時(shí),需要測(cè)量散熱措施,避免設(shè)備溫度過(guò)高對(duì)激光器泵浦電流穩(wěn)定度造成負(fù)面影響。
最后對(duì)泵浦源驅(qū)動(dòng)電路中驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定度進(jìn)行分析,確保其測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)差與平衡值比值在合理范圍內(nèi)。例如以 9ms 時(shí)間為例,它的電壓值應(yīng)該在 1.25~1.50mV 范圍內(nèi)。時(shí)間控制在 39~40ms,電壓應(yīng)該在 2.50mV 左右。
四、總結(jié)
在光纖激光器中對(duì)泵浦源驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì),可有效保證系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路慢啟動(dòng)、過(guò)流保護(hù)與防浪涌保護(hù)功能到位,同時(shí)它能夠?yàn)殡娐窚亓魈峁┝己幂o助,可實(shí)現(xiàn)對(duì)中小型功率激光器的有效驅(qū)動(dòng),保證該類設(shè)備穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行。在本文看來(lái),光纖激光器的其它電路也可參考運(yùn)用這一設(shè)計(jì)內(nèi)容,重點(diǎn)將泵浦源驅(qū)動(dòng)電路中的功率控制、過(guò)熱保護(hù)電路作為重點(diǎn)研究,確保設(shè)計(jì)出更好的光纖激光器設(shè)備,提高設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行整體能力與安全可靠穩(wěn)定性。
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