高功率脈沖半導體泵浦激光器陣列電源的設計*

孫 斌，初 華，黎 偉，曹海源，丁方正，韋尚方

（武漢軍械士官學校 光電技術研究所，湖北 武漢430075）

高功率脈沖半導體泵浦激光器陣列電源的設計*

孫 斌，初 華，黎 偉，曹海源，丁方正，韋尚方

（武漢軍械士官學校 光電技術研究所，湖北 武漢430075）

為滿足高功率脈沖半導體泵浦激光器相干合成的特殊需要，設計6路同步輸出的電源陣列，實現了工作電壓0～400 V自適應調整、工作電流0～1 200 A、脈沖寬度 200 μs～1 000 μs、重復頻率1 Hz～20 Hz均可任意調整的高電壓、大電流脈沖輸出。在保證技術指標實現的同時，著重解決陣列電源的同步輸出、電壓自適應和可靠性保護等問題。試驗結果表明，該陣列電源的同步一致性可達到99%，輸出電流精度達到0.1 A，已在“六路激光相干合成”研究中得到應用。

陣列電源；同步輸出；電壓自適應；脈沖電源

0 引言

半導體泵浦激光器具有轉換效率高、輸出光束質量好、性能可靠、壽命長等優點，在激光領域得到越來越廣泛的應用[1-2]。在軍事應用上，高功率脈沖半導體泵浦激光器在激光測距、激光制導、激光雷達甚至激光武器等方面具有重要的應用前景，已成為各國研究的熱點[3]。作為半導體泵浦激光器的重要組成部分，其驅動電源的研制也成為重要的核心技術[4]。與連續半導體激光器相比，脈沖半導體激光器驅動電源不僅涉及到電流的恒定與大小，而且要具有脈沖寬度、重復頻率、脈沖形狀、過沖控制、各種異常保護等功能，設計難度和復雜度大大增加。目前，較為成熟的脈沖半導體激光器驅動電源一般工作電壓在300 V以內，工作電流在250 A以下[5]。

在激光相干合成技術的研究中，為實現6臺脈沖半導體泵浦激光器并聯工作，激光器陣列電源的總體技術指標要達到：工作電壓 0～300 V自適應調整、工作電流0～1 200 A、脈沖寬度 200 μs～1 000 μs、重復頻率 1 Hz～20 Hz均可任意調整的高電壓、大脈沖電流輸出。

1 陣列電源的整體設計

陣列電源的整體設計如圖1所示。

圖1 陣列電源整體設計圖

各陣列電源的工作是靠上位機控制的，上位機將限壓、電流、頻率、脈寬、溫控等參數通過通信與同步信號分配器傳輸到各陣列電源。其中，每個電源的工作參數均可不同，通信與同步信號分配器的作用即是將用戶指令分配到每個陣列電源，使每個電源都能按照用戶的要求進行工作。與此同時，上位機檢測每個電源的工作參數，并實時顯示。陣列電源正常工作的最大難點在于6路電源同步泵浦，激光器同時出光，這樣經過相干合成后的激光光束更集中，能量更強。另外，由于每臺激光器作為負載工作時，對于電源而言，阻抗、容抗等參數均不同，所以每臺電源的工作電壓都不同，故每臺電源都要根據負載情況自動調節高壓，所以電源電壓自適應問題也是需要解決的難點。最后，為保證六路電源均能正常工作，電源保護問題也不可忽略，保護包括過壓保護、過流保護、溫度保護等。

2 陣列電源同步問題

由于線路、元器件及激光器晶體泵浦存在一定的延時，由同步信號分配器輸出的驅動信號雖然同步分配到各驅動電源，但最后激光器輸出的脈沖激光并不一定同步，這給6路激光相干合成帶來影響，所以一定要解決輸出激光的同步問題。解決的方法在于每路激光器電源都能延時觸發，并且延時可控。以其中某一臺激光器A1為基準，同時測量A1和另一臺激光器A2產生的脈沖信號。當檢測到A2脈沖比A1超前Δt時，通過程序設定將A2輸出的脈沖延后Δt時間，即可實現A1與A2的同步。以此類推，分別調整A3、A4、A5、A6的觸發延時。具體實現過程可用圖2表示。

圖2 同步原理圖

圖3 計數器工作區間圖

3 電壓自適應

激光器驅動電源的原理圖如圖4所示。陣列電源由于每個激光二極管存在差異，在同樣的驅動電流ID情況下，激光二極管作為負載產生的壓降UD均不同，如果每臺驅動電源的直流高壓源的電壓UC都相等，不能自適應，則每臺電源的驅動電流ID也不能保證相等。假設IGBT的導通壓降用UCE表示，采樣電阻的壓降用 UR=ID×0.01表示(阻值為 0.01 Ω)。由公式 UC=UCE+UR+UD可知，當負載壓降 UD不同時，只有改變直流電源的電壓UD才能保證每個激光二極管的電流ID不變，這也就是電壓自適應問題。

圖4 激光器驅動電源原理圖

圖 5 IGBT的 UCE、UGE、ID的關系圖

采樣電阻壓降 UR=ID×0.01，對每一臺電源而言都相同。當負載壓降 UD變化時，直接影響IGBT的導通壓降UCE的變化。圖5是采用的一款 IGBT(型號為 SKM100-GB12T4)的UCE、UGE、ID的關系圖。當UCE=20 V時，在室溫下，柵源電壓UGE=10 V即可輸出100 A的負載電流 ID。此時IGBT處于最佳工作點，因此，只需要檢測UCE的電壓，并通過AD采樣送給單片機進行算法處理，得出直流電源電壓UC的控制量，再經過DA輸出，即可使UC隨著負載UD的變化而變化，從而滿足每臺激光器驅動電流 ID不變的目的，實現電壓的自適應。

4 電源故障保護

每一臺電源都含有各種保護，包括過壓保護、過流保護、溫度保護。陣列電源的特殊之處在于當某一臺電源發生故障時，其他電源均要獲取故障信息，并同時進行保護。因為陣列電源主要應用于6路激光器相干合成研究中，當其中一臺激光器發生異常，勢必會對其他幾臺激光器產生不可預知的后果，諸如泵浦不均勻、光束質量下降、光斑缺失等。所以，陣列電源的故障保護要協調統一。故障保護的示意圖如圖6所示。當某一臺發生故障時，該臺電源首先切斷高壓直流電源，分析故障類型，并經過串口將故障信息上傳至上位機；上位機根據故障類型判斷需要的動作，進而將相應的動作經過串口傳給其他電源，使其他電源做出反應。

5 結語

針對高功率脈沖半導體泵浦激光器相干合成的特殊需要，設計完成6路陣列電源。重點分析陣列電源的同步輸出、電壓自適應和可靠性保護等問題。該6路激光器陣列電源已在“六路激光相干合成”研究中得到應用。經過試驗驗證，同步誤差少于1 μs，電壓可完全實現自適應，可靠性工作良好，相干合成后的激光能量可達到35 J。

Design of high-power pulsed diode-pumped laser array power supply

Sun Bin，Chu Hua，Li Wei，Cao Haiyuan，Ding Fangzheng，Wei Shangfang
(Optoelectronics Facility,Wuhan Ordnance Non-commissioned Officer Academy，Wuhan 430075，China)

To meet special needs of the high power pulsed diode-pumped laser coherent synthesis,this paper designs six simultaneous output power arrays to achieve the high-voltage and high-current pulse output with adaptive working voltage 0～400 V，current 0～1 200 A，pulse width 200 μs～1 000 μs and repetition frequency 1 Hz～20 Hz，which can be adjusted.It ensures technical indicators，and focuses on solving the array power synchronous output voltage and reliability of adaptive protection and other issues at the same time.The results showed that,the array power synchronization consistency can achieve 99%and output current accuracy is of 0.1 A.It has been applied in the"six-way laser coherent synthesis"study.

array power；sync output；adaptive voltage；pulse power

TP274

：A

：0258-7998(2015)03-0145-02

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.03.038

國防探索基金(7131029)