RU2825774C1

RU2825774C1 - Pulse laser pumping source

Info

Publication number: RU2825774C1
Application number: RU2024108452A
Authority: RU
Inventors: Валерий Григорьевич Вильнер; Михаил Михайлович Землянов; Евгений Викторович Кузнецов; Александр Ефремович Сафутин; Надежда Валентиновна Седова
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Filing date: 2024-03-29
Publication date: 2024-08-29

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to the field of current pulse shaping equipment, in particular to devices for supply of pumping sources of pulsed solid-state lasers with the storage capacitor discharge. Pulse laser pumping source is made in the form of a closed circuit consisting of series-connected storage capacitor, throttle, pumping radiation source, a transistor switch with a control circuit and a current sensor, as well as a damping diode, together with a throttle and a pumping radiation source, which, when the switch is open, forms a second supply circuit of the pumping radiation source. At that, the device additionally contains the second current sensor, connected in series to the first current sensor, which by its second output is connected to the key connected to the storage capacitor low-voltage output, and the second output of the second current sensor is connected to the pumping radiation source. In addition, the connection point of the current sensors is connected to the zero bus and is connected to the output of the damping diode, the second output of the latter is connected to the connection point of the high-voltage output of the storage capacitor with the throttle. Device also includes a reference level setting device, a current rise control circuit connected to the output of the first current sensor, and a current decay control circuit connected to the output of the second current sensor. Outputs of the rise and fall control circuits are connected to the inputs of the control circuit, and the inputs of the rise and fall circuits are connected to the outputs of the reference level selector.

EFFECT: high reliability and efficiency of pumping, as well as reduced weight and dimensions of the current pulse generator.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике формирования импульсов тока, в частности к устройствам питания источников накачки твердотельных лазеров.The invention relates to the technology of generating current pulses, in particular to power supply devices for pumping sources of solid-state lasers.

Известно [1] устройство накачки твердотельного лазера с помощью импульсной лампы накачки, через которую производится разряд накопительного конденсатора путем пробоя разрядного промежутка лампы и пропускания через лампу разрядного импульса тока заданной длительности Т, определяемой емкостью накопительного конденсатора и индуктивностью дросселя в разрядном контуре. Подобные схемы обладают большими потерями энергии в контуре, поскольку ток через лампу в процессе разряда меняется в широких пределах и значительную часть времени отличается от оптимального значения, при котором полезная светоотдача лампы максимальна. Это особенно заметно при формировании импульсов тока длительностью 1 мс и более, требуемой, например, для накачки лазеров на стекле с эрбием, работающих в безопасном диапазоне длин волн. Кроме того, такие схемы обладают значительными габаритами из-за большой индуктивности дросселя.A device for pumping a solid-state laser using a pulsed pump lamp is known [1], through which a discharge of a storage capacitor is produced by breaking down the discharge gap of the lamp and passing a discharge current pulse of a given duration T through the lamp, determined by the capacity of the storage capacitor and the inductance of the choke in the discharge circuit. Such circuits have large energy losses in the circuit, since the current through the lamp during the discharge process varies within wide limits and differs for a significant part of the time from the optimal value, at which the useful light output of the lamp is maximum. This is especially noticeable when forming current pulses of 1 ms or more duration, required, for example, for pumping erbium glass lasers operating in a safe wavelength range. In addition, such circuits have significant dimensions due to the large inductance of the choke.

Данные недостатки отчасти устранены в генераторе импульсов тока, выполненном в виде двух замкнутых контуров, один из которых состоит из последовательно включенных накопительного конденсатора, транзисторного ключа со схемой управления, дросселя и источника излучения накачки (газонаполненной лампы), а второй -из дросселя, источника излучения накачки и демпфирующего диода [2].These shortcomings are partly eliminated in a current pulse generator made in the form of two closed circuits, one of which consists of a series-connected storage capacitor, a transistor switch with a control circuit, a choke and a pump radiation source (a gas-filled lamp), and the second consists of a choke, a pump radiation source and a damping diode [2].

В указанном генераторе управляющий вход ключа со схемой управления находятся под высоким напряжением накопительного конденсатора. Это приводит к необходимости использования высоковольтных элементов, а следовательно, удорожанию устройства и увеличению его габаритов. Кроме того, ухудшаются быстродействие схемы и токопотребление, так как для переключения высоковольтных напряжений затрачивается дополнительная энергия и время на перезаряд емкостей схемы.In the specified generator, the control input of the key with the control circuit is under high voltage of the storage capacitor. This leads to the need to use high-voltage elements, and therefore, to an increase in the cost of the device and an increase in its dimensions. In addition, the speed of the circuit and current consumption are deteriorated, since additional energy and time are spent on recharging the circuit capacities to switch high-voltage voltages.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является источник накачки импульсного лазера, выполненный в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, источника излучения накачки, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпфирующего диода, совместно с дросселем и источником излучения накачки образующего при разомкнутом ключе второй контур питания источника излучения накачки [3]. Кроме того, в указанном устройстве одна из обкладок конденсатора соединена с нулевой шиной.The closest in technical essence to the proposed invention is a pulse laser pump source, made in the form of a closed circuit consisting of a series-connected storage capacitor, a choke, a pump radiation source, a transistor switch with a control circuit and a current sensor, as well as a damping diode, which together with the choke and the pump radiation source forms a second power supply circuit for the pump radiation source when the switch is open [3]. In addition, in the said device, one of the capacitor plates is connected to the zero bus.

В такой конфигурации не производится контроль тока в малом контуре дроссель - источник излучения накачки - демпферный диод. Это приводит к отклонению тока накачки от оптимального режима и к грубым ошибкам, нарушающим процесс накачки. При переключении режимов с помощью таймера [3] отклонение времени задержки от заданного периода переключения, определяемого постоянной времени второго контура τ_L=L/R_L, где L - индуктивность дросселя; R_L - суммарное сопротивление источника накачки и демпфирующего диода, приводит к пропорциональному изменению тока накачки, то есть к уходу от оптимального режима. Еще более серьезное отклонение задержки таймера может привести к блокировке схемы и ее выходу из строя.In such a configuration, the current in the small circuit choke - pump radiation source - damping diode is not monitored. This leads to a deviation of the pump current from the optimal mode and to gross errors that disrupt the pumping process. When switching modes using a timer [3], the deviation of the delay time from the specified switching period, determined by the time constant of the second circuit τ _L = L / R _L , where L is the choke inductance; R _L is the total resistance of the pump source and damping diode, leads to a proportional change in the pump current, i.e., to a departure from the optimal mode. An even more serious deviation of the timer delay can lead to blocking of the circuit and its failure.

Задачей изобретения является повышение эффективности накачки, а также повышение надежности устройства.The objective of the invention is to increase the efficiency of pumping, as well as to increase the reliability of the device.

Эта задача решается за счет того, что в известном источнике накачки импульсного лазера, выполненном в виде замкнутого контура, состоящего из последовательно включенных накопительного конденсатора, дросселя, источника излучения накачки, транзисторного ключа со схемой управления и датчика тока, а также демпфирующего диода, совместно с дросселем и источником излучения накачки образующего при разомкнутом ключе второй контур питания источника излучения накачки, введен второй датчик тока, последовательно соединенный с первым датчиком тока, первый датчик тока своим вторым выходом соединен с ключом, связанным с низковольтным выводом накопительного конденсатора, а второй выход второго датчика тока подключен к источнику излучения накачки, точка соединения датчиков тока соединена с нулевой шиной и подключена к выводу демпфирующего диода, второй вывод которого подключен к точке соединения высоковольтного вывода накопительного конденсатора с дросселем, а также введены задатчик опорного уровня, схема контроля нарастания тока, связанная с выходом первого датчика тока, и схема контроля спада тока, связанная с выходом второго датчика тока, причем выходы схем контроля нарастания и спада связаны со входами схемы управления, а входы схем нарастания и спада связаны с выходами задатчика опорного уровня.This problem is solved due to the fact that in the known pulse laser pump source, implemented in the form of a closed circuit consisting of a series-connected storage capacitor, a choke, a pump radiation source, a transistor switch with a control circuit and a current sensor, as well as a damping diode, which together with the choke and the pump radiation source forms a second supply circuit for the pump radiation source when the switch is open, a second current sensor is introduced, connected in series with the first current sensor, the first current sensor is connected with its second output to a switch connected to the low-voltage terminal of the storage capacitor, and the second output of the second current sensor is connected to the pump radiation source, the connection point of the current sensors is connected to the zero bus and connected to the terminal of the damping diode, the second terminal of which is connected to the connection point of the high-voltage terminal of the storage capacitor with the choke, and a reference level adjuster, a current increase control circuit connected to the output of the first current sensor, and a current decrease control circuit connected to the output of the second are introduced. current sensor, where the outputs of the rise and fall control circuits are connected to the inputs of the control circuit, and the inputs of the rise and fall circuits are connected to the outputs of the reference level setter.

На фиг. 1 показана схема генератора импульсного тока. Fig. 1 shows the circuit diagram of a pulse current generator.

На фиг. 2 - эпюра тока накачки.Fig. 2 shows the pump current diagram.

Устройство (фиг. 1) состоит из последовательно включенных накопительного конденсатора 1, дросселя 2, источника излучения накачки 3, транзисторного ключа 4 со схемой управления 5 и двух датчиков тока - сопротивлений 6 и 7. Цепь дроссель -лампа - второй датчик тока зашунтирована демпфирующим диодом 8. Точка соединения датчиков тока и демпфирующегого диода подключена к нулевой шине (корпусу). Выход схемы управления 5 подключен к управляющему входу транзисторного ключа 4. Ко входам схемы управления подключены выходы схемы контроля нарастания тока 9, связанной с первым датчиком тока 6, и схемы контроля спада тока 10, подключенной ко второму датчику тока 7. Схемы контроля нарастания и спада тока 9 и 10 связаны с задатчиком опорного уровня 11. Заряд накопительного конденсатора осуществляется от внешнего источника 12.The device (Fig. 1) consists of a series-connected storage capacitor 1, a choke 2, a pump radiation source 3, a transistor switch 4 with a control circuit 5 and two current sensors - resistors 6 and 7. The choke-lamp-second current sensor circuit is shunted by a damping diode 8. The connection point of the current sensors and the damping diode is connected to the zero bus (housing). The output of the control circuit 5 is connected to the control input of the transistor switch 4. The outputs of the current increase monitoring circuit 9, connected to the first current sensor 6, and the current decrease monitoring circuit 10, connected to the second current sensor 7, are connected to the inputs of the control circuit. Current increase and decrease monitoring circuits 9 and 10 are connected to the reference level setter 11. The storage capacitor is charged from an external source 12.

Генератор накачки работает следующим образом.The pump generator works as follows.

В исходном состоянии накопительный конденсатор 1 заряжен до номинального напряжения. Транзисторный ключ 4 закрыт (разомкнут).In the initial state, the storage capacitor 1 is charged to the nominal voltage. The transistor switch 4 is closed (open).

По команде «Пуск» в момент времени T₁ (фиг. 1, 2) открывается ключ 4 и начинается разряд конденсатора 1 через дроссель 2, источник излучения накачки 3, датчики тока 7 и 6, замкнутый ключ 4. Ток разряда нарастает со скоростью, определяемой емкостью накопительного конденсатора 1 и индуктивностью дросселя 2. Падение напряжения на датчике тока 6 пропорционально протекающему через него току. Схема контроля нарастания тока 9 сравнивает это напряжение с опорным уровнем задатчика 11, и по достижении уровня I₁ (фиг. 2) через схему управления 5 размыкает ключ 4. В результате разряд конденсатора 1 прекращается, но за счет накопленной в дросселе 2 энергии ток самоиндукции дросселя продолжает течь через источник излучения накачки 3, убывая по мере рассеяния энергии в источнике 3, датчике 7 и диоде 8. По достижении уровня I₂, установленного задатчиком 11, схема контроля спада 10 через схему управления 5 открывает ключ 4, замыкая тем самым контур разряда конденсатора 1, и ток через источник 3 снова нарастает, пока не достигнет уровня I₁ При этом демпферный диод 8 оказывается под обратным напряжением и закрывается, направляя ток разряда конденсатора 1 через дроссель 2. Описанный процесс повторяется периодически (фиг. 2) до тех пор, пока не будет исчерпана энергия, накопленная в накопительном конденсаторе, который при этом разряжается до нуля к моменту Т₂. Таким образом, формируется импульс тока длительностью Т_И=T₂ - T₁ и амплитудой I₁.On the “Start” command at time T ₁ (Fig. 1, 2), switch 4 opens and the discharge of capacitor 1 begins through choke 2, pump radiation source 3, current sensors 7 and 6, and closed switch 4. The discharge current increases at a rate determined by the capacitance of storage capacitor 1 and the inductance of choke 2. The voltage drop across current sensor 6 is proportional to the current flowing through it. The current rise control circuit 9 compares this voltage with the reference level of the setter 11, and upon reaching level I ₁ (Fig. 2) opens switch 4 via control circuit 5. As a result, the discharge of capacitor 1 stops, but due to the energy accumulated in choke 2, the self-induction current of the choke continues to flow through pump radiation source 3, decreasing as the energy is dissipated in source 3, sensor 7 and diode 8. Upon reaching level I ₂ set by setter 11, the fall control circuit 10 opens switch 4 via control circuit 5, thereby closing the discharge circuit of capacitor 1, and the current through source 3 again increases until it reaches level I _1. In this case, damper diode 8 is under reverse voltage and closes, directing the discharge current of capacitor 1 through choke 2. The described process is repeated periodically (Fig. 2) until the energy accumulated in the storage capacitor will be exhausted, which will then discharge to zero by the time T ₂ . Thus, a current pulse with a duration of T _I = T ₂ - T ₁ and an amplitude of I ₁ is formed.

Следует отметить, что нарастание тока от момента T₁ до уровня I₁ и разряд от уровня I₁ до момента Т₂ происходит за очень короткое время с постоянной времени, определяемой малой индуктивностью дросселя 2. Это означает, что энергетические потери за счет переходных процессов минимальны.It should be noted that the increase in current from the moment T ₁ to the level I ₁ and the discharge from the level I ₁ to the moment T ₂ occurs in a very short time with a time constant determined by the small inductance of the choke 2. This means that energy losses due to transient processes are minimal.

При таком построении генератора тока в контуре постоянно поддерживается ток оптимальной интенсивности, а к величине индуктивности дросселя не предъявляются требования формирования длительности импульса тока накачки и времен его нарастания и спада, как в других аналогах [1]. В предлагаемой схеме дроссель служит лишь для поддержания скоростей нарастания и спада тока в источнике накачки при замыкании и размыкании ключа. Это позволяет значительно уменьшить индуктивность и, соответственно, массу и габариты дросселя и всего генератора тока в целом. Пример.With this design of the current generator, the current of optimal intensity is constantly maintained in the circuit, and the inductance value of the choke does not have to meet the requirements for the formation of the pump current pulse duration and the times of its rise and fall, as in other analogs [1]. In the proposed circuit, the choke serves only to maintain the rates of rise and fall of the current in the pump source when the switch is closed and opened. This allows for a significant reduction in inductance and, accordingly, the mass and dimensions of the choke and the entire current generator as a whole. Example.

Необходимая для накачки активного элемента энергия импульса тока через лампу накачки Е=10 Дж. При емкости накопительного конденсатора С=10 мкФ необходимое напряжение U на нем определяется по известной формуле E=CU²/2 и составляет U=1414 В.The energy of the current pulse through the pump lamp required to pump the active element is E=10 J. With the capacity of the storage capacitor C=10 μF, the required voltage U on it is determined by the well-known formula E=CU ² /2 and is U=1414 V.

Если по режиму возбуждения лазерного активного элемента длительность импульса тока накачки должна быть 2 мс, что соответствует одному полупериоду тока в LC-контуре Т₀/2=π, то величина индуктивности при известном построении генератора тока [1] должна составлять L=Т₀ ²/4π²С=10 мГн.If, according to the excitation mode of the laser active element, the duration of the pump current pulse should be 2 ms, which corresponds to one half-period of the current in the LC circuit T ₀ /2 = π , then the value of the inductance with the known design of the current generator [1] should be L = T ₀ ² /4π ² C = 10 mH.

Согласно предлагаемому решению, частота переключения транзисторного ключа должна быть как можно выше, при этом необходимая индуктивность дросселя уменьшается. Предельная частота переключений ограничена быстродействием существующих элементов. Экспериментально установлено, что оптимальная по коэффициенту полезного действия схемы частота должна быть около 100 кГц. При этом предполагается, что периоды нарастания и убывания тока через лампу составляют примерно 5 мкс. I₁ ~ 50 A. I₂=0,9I₁=45 А. Таким образом, скорость нарастания-убывания тока через лампу равна (50-45)/5=1 А/мкс.According to the proposed solution, the switching frequency of the transistor key should be as high as possible, while the required inductance of the choke is reduced. The maximum switching frequency is limited by the response time of existing elements. It has been experimentally established that the frequency optimal in terms of the circuit efficiency should be about 100 kHz. It is assumed that the periods of increase and decrease of the current through the lamp are approximately 5 μs. I ₁ ~ 50 A. I ₂ = 0.9I ₁ = 45 A. Thus, the rate of increase-decrease of the current through the lamp is (50-45)/5 = 1 A/μs.

Экспериментально установлено, что необходимая величина индуктивности L=145 мкГн. Эта величина почти на два порядка меньше, чем у аналога [1] и обеспечивает при этом заданную стабильность поддержания тока в лампе при открытом и закрытом ключе 4.It has been experimentally established that the required inductance value is L=145 μH. This value is almost two orders of magnitude less than that of the analogue [1] and at the same time ensures the specified stability of maintaining the current in the lamp with the open and closed switch 4.

Введение во втором контуре датчика тока и схемы контроля спада позволяет точно контролировать уровень I₂ и, тем самым, поддерживать оптимальную величину тока накачки, обеспечивая максимальный коэффициент полезного действия устройства.The introduction of a current sensor and a droop control circuit in the second circuit allows for precise control of the I ₂ level and, thus, maintaining an optimal pump current value, ensuring maximum efficiency of the device.

Подключение точки соединения датчиков тока и вывода демпфирующего диода на нулевую шину позволяет использовать в схемах контроля нарастания и спада тока накачки низковольтную элементную базу, обеспечивающую высокую точность контроля и обладающую в таком режиме высокой надежностью, быстродействием и минимальным энергопотреблением.Connecting the connection point of the current sensors and the output of the damping diode to the zero bus allows the use of a low-voltage element base in the pump current rise and fall control circuits, which ensures high control accuracy and has high reliability, speed of operation and minimal energy consumption in this mode.

Введение в состав устройства задатчика опорного уровня не только обеспечивает высокую точность режима накачки при простоте регулировки, но и позволяет использовать источник накачки с лазерами разных типов, а также реализовать нестационарные режимы накачки [4].The introduction of a reference level setter into the device not only ensures high accuracy of the pumping mode with ease of adjustment, but also allows the use of a pumping source with lasers of different types, as well as the implementation of non-stationary pumping modes [4].

В соответствии с предлагаемым изобретением был разработан макетный образец генератора импульсов тока, испытанный в составе лазерного дальномера. Транзисторный ключ построен на базе транзистора APT 8024, а схема управления - на микросхеме МАХ 4420. По сравнению с аналогом [2] (транзистор IRG4SPC71UD и микросхема IR2125) указанные элементы и их схемная обвязка обеспечивают более компактное построение генератора тока, они обладают на порядок более высокой надежностью и значительно меньшей стоимостью.In accordance with the proposed invention, a prototype of a current pulse generator was developed and tested as part of a laser rangefinder. The transistor key is based on the APT 8024 transistor, and the control circuit is based on the MAX 4420 microcircuit. Compared with the analogue [2] (IRG4SPC71UD transistor and IR2125 microcircuit), the specified elements and their circuit binding provide a more compact design of the current generator, they have an order of magnitude higher reliability and a significantly lower cost.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает решение поставленной задачи, а именно повышение эффективности накачки, а также повышение надежности устройства.Thus, the proposed device provides a solution to the problem, namely, increasing the pumping efficiency, as well as increasing the reliability of the device.

Источники информацииSources of information

1. Лазерный прибор разведки ЛПР-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.1. Laser reconnaissance device LPR-1. Technical description and operating instructions.

2. В.В. Тогатов, П.А. Гнатюк. Высокочастотный разрядный модуль для питания ламп накачки твердотельных лазеров. «Приборы и техника эксперимента». №5, 2003 г. 2. V.V. Togatov, P.A. Gnatyuk. High-frequency discharge module for power supply of pump lamps of solid-state lasers. "Instruments and experimental technique". No. 5, 2003.

3. Генератор импульсов тока. Патент РФ на изобретение №2494532 - прототип.3. Current pulse generator. Russian Federation patent for invention No. 2494532 - prototype.

4. Способ оптической накачки лазера. Патент РФ на изобретение №2494533.4. Method of optical pumping of a laser. Russian Federation Patent for Invention No. 2494533.

Claims

A pulse laser pump source made in the form of a closed circuit consisting of a series-connected storage capacitor, a choke, a pump radiation source, a transistor switch with a control circuit and a current sensor, as well as a damping diode, which together with the choke and the pump radiation source forms, when the switch is open, a second pump radiation source power supply circuit, characterized in that a second current sensor is introduced, connected in series with the first current sensor, the first current sensor is connected with its second output to a switch connected to the low-voltage terminal of the storage capacitor, and the second output of the second current sensor is connected to the pump radiation source, the connection point of the current sensors is connected to the zero bus and connected to the terminal of the damping diode, the second terminal of which is connected to the connection point of the high-voltage terminal of the storage capacitor with the choke, and a reference level adjuster, a current increase control circuit connected to the output of the first current sensor, and a current decrease control circuit connected to the output of the second current sensor are introduced, wherein the outputs of the circuits The ramp-up and ramp-down controls are connected to the inputs of the control circuit, and the inputs of the ramp-up and ramp-down circuits are connected to the outputs of the reference level controller.