Лазерный мир

Полковников Р.С., Завгородний Д.Р., Ляшов С.А. // Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: сб. ст. по мат. XLI междунар. студ. науч.-практ. конф. № 4(40).

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.

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.

Полное содержание статьи: https://sibac.info/studconf/tech/xli/50473