專利名稱：高功率脈沖固體激光電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光電源。本發(fā)明的電源為高平均功率、中等峰值功率的脈沖激光器提供幾個毫秒寬，幾百安培的重復(fù)頻率脈沖電流。
已有的技術(shù)有1.電容儲能式(美國專利3，430，159和3，646，395)是由充電電路和儲能電容組成，它要獲得矩形脈沖就要使用多級電感電容組成形成網(wǎng)絡(luò)(見

圖1)，采用這種方案做大功率長脈沖的激光電源需要很大的電容和電感，電源的體積也就很大。而且這種電源脈寬不易調(diào)節(jié)。
2.直流斬波式，如圖2所示，它需要有一個直流電流(由交流電整流濾波獲得)，由一只主可控硅201導(dǎo)通輸出脈沖電流，另一只輔可控硅202對主可控硅201施加負電壓使之關(guān)斷。這種電路往往有關(guān)斷失靈的毛病，尤其是在幾百安培大電流的情況下更難以關(guān)斷，造成連續(xù)大電流導(dǎo)通引起炸燈炸棒。
3.美國專利3，896，396中的激光電源如圖3所示，它由二極管301、302對三相交流電中的兩相(φA、φB)進行不可控整流，由邏輯觸發(fā)電路305對閃光燈306施加一定頻率、一定相位角的觸發(fā)，再由一個充電電路304對電容308、309充電，電壓為二千伏左右，以助閃光燈306點燃。這種電源的缺點(1)三相供電不平衡，特別是當(dāng)脈寬窄到一個半波時，總是由一相輸出能量。(2)不斷地需要對燈進行高壓觸發(fā)。根據(jù)經(jīng)驗，這種觸發(fā)有不可靠性，尤其在潮濕天氣時高壓脈沖會在空氣中打火，存在漏閃的可能性。而且需要不斷進行高壓觸發(fā)，電子線路有干擾作用。(3)主電路上需要使用高壓電容(308、309)和大電流，而且耐高電壓的二極管(301、302)，還需要有較高功率的高壓變壓器(在圖3方框304中)。
本發(fā)明的目的是(1)本發(fā)明旨在直接從三相交流電中取得大功率的脈沖電能，既不需要儲能電容，也不需要先整流為直流;
(2)本發(fā)明為了電源工作可靠，消除直流斬波式電源的可控硅關(guān)斷失靈現(xiàn)象，也不會出現(xiàn)燈的漏閃;
(3)本發(fā)明要減小電源體積，降低成本;
(4)本發(fā)明使三相供電均衡。
為了便于敘述本發(fā)明的技術(shù)特征，先對附圖進行說明。
附圖1是電容儲能式激光電源示意圖，其中101是充電電路，102是脈沖成形網(wǎng)絡(luò)，103是閃光燈，C是儲能電容，L是成形電感。
圖2是直流斬波式電源示意圖。其中201是作為開關(guān)管的主可控硅，202是起關(guān)閉作用的輔可控硅;203是直流電源，204是閃光燈。
圖3是美國專利3，896，396激光電源的簡圖。其中301302是整流二極管，303是扼流圖，304是電容充電器，305是邏輯觸發(fā)電路，306是閃光燈，307是高壓觸發(fā)變壓器，308、309是電容器，φA、φB、φC為三相交流電源。
圖4是(本發(fā)明的)高功率脈沖固體激光電源簡圖。其中虛線方框401是維持電路，方框402是控制電路，虛線方框403是主電路，方框404是預(yù)電離觸發(fā)電路，405、406、407、414、415、416是二極管，411、412、413是可控硅。408、409、410是控制電路接到可控硅的連線，417是限流電阻，418是繼電器，419是閃光燈，420是高壓觸發(fā)變壓器，φA、φB、φC是三相交流電源。圖4-A表示方框404的予電離觸發(fā)電路，其中404a為電離觸發(fā)電路，404b是附屬的延時電路。
圖5是高功率脈沖固體激光電源的控制電路示意圖，其中方框501是整形電路，方框502是計數(shù)分頻電路，方框503是脈寬調(diào)節(jié)電路，方框504是選頻選相門，408、409、410是由選頻選相門接到可控硅的連線，φA、φB、φC是三相交流電流。圖5-A表示方框502的計數(shù)分頻電路，其中502a、502b是計數(shù)器，502c是開關(guān)-與門網(wǎng)絡(luò)，A1～D2為計數(shù)器的輸出端。
圖6是高功率脈沖固體激光電源輸出的脈沖波形。實線601是通常的最寬輸出脈沖，602和603兩個點是為了得到更長的輸出脈沖，可以再施加觸發(fā)的點(時刻)。
圖7是最佳實施例的主電路和預(yù)電離維持電路部分。701和712是繼電器，702是觸發(fā)電容，703、704是分壓電阻，705是限流電阻，706、707是培壓兼濾波電容，708、709、710、711是二極管。
圖8是最佳實施例的控制電路，其中a、b、c是同步信號變壓器，IC1、IC2、IC3、IC12是比較器，IC4、IC5、IC6、IC9是反相器，IC7、IC21是或非門，IC8、IC13是時基電路，IC10、IC11是計數(shù)器，IC14、IC15、IC16、IC17、IC18、IC19、IC20是與門，a1、a2、b1、b2、c1、c2、是相位分配信號，A1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2是計數(shù)器的八個輸出端，W是脈寬調(diào)節(jié)電位器。
本發(fā)明的高功率脈沖固體激光電源由三部分組成(1)主電路，(2)控制電路，(3)預(yù)電離-維持電路。
本發(fā)明的電源采取由維持電路提供小電流(1.5至2安培)使閃光燈保持電離狀態(tài);主電路上由可控硅進行交流斬波，向燈輸出脈沖大電流(400～600安培);控制電路對可控硅提供頻率小于150次/秒、相位角在0～240°范圍內(nèi)的觸發(fā)信號。
(1)上面所述的主電路如圖4中虛線方框403所示，由三個可控硅411、412、413和三個二極管414、415、416組成交流斬波式電路?？煽毓?11～413在控制電路402的控制下，按上述范圍的頻率和相位角導(dǎo)通，(經(jīng)過繼電器418)對閃光燈419輸出幾百安培的脈沖大電流。電流大小決定于三相電源電壓和閃光燈的內(nèi)阻，一般峰值為400～600A，電源本身的輸出電流潛力則取決于所使用的可控硅和二極管的電流大小。每一相的可控硅在導(dǎo)通時最寬可以輸出連續(xù)兩個相重迭的半波，然后該相相對于其它相為負，可控硅自然關(guān)閉，所以相對于直流斬波來說，它沒有關(guān)閉失靈的問題。如果要求更長的脈沖輸出，可改變一下控制電路，在圖6的602處(時刻)再觸發(fā)后繼相位上的可控硅，就可得到連續(xù)四個相重迭的半波。
(2)控制電路本發(fā)明的控制電路由整形電路501、計數(shù)分頻電路502、脈寬調(diào)節(jié)電路503和選頻選相門504所組成。
本發(fā)明控制電路的特征是，由同一個脈寬調(diào)節(jié)電路503對三個相位的導(dǎo)通角統(tǒng)一進行調(diào)節(jié)，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)的脈沖在選頻選相門504上按計數(shù)分頻電路502所規(guī)定的頻率被選出并在相位分配信號的控制下輪流從三個門輸出，從而輪流觸發(fā)三個可控硅。
整流電路501如圖5所示將三相同步信號整形后，一方面把三個相位的脈沖合并為每秒150個脈沖送到計數(shù)分頻電路502和脈寬調(diào)節(jié)電路503，另一方面產(chǎn)生六個相位分配信號，經(jīng)過線505(有六條線)送到選頻選相門504，計數(shù)分頻電路502產(chǎn)生與三相交流電相關(guān)聯(lián)的頻率信號。不同的頻率是通過計數(shù)分頻電路502中開關(guān)-與門網(wǎng)絡(luò)502C(見圖5-A)對計數(shù)器502a和502b的八個輸出端A1～D2進行不同的組合連接而產(chǎn)生。通過排除有些組合連接(如A1B1、C1B1、D1A1等)以排除含有因子3的分頻，這樣可避免在這些分頻下總是由一相輸出(同時總是由另一相輸入)脈沖大電流的不平衡現(xiàn)象。脈寬調(diào)節(jié)電路503產(chǎn)生對應(yīng)于主電路的脈沖電流前沿的窄脈沖信號。選頻選相門504在頻率信號和相位分配信號的共同控制下，使按上述規(guī)定頻率選出的窄脈沖輪流地從三個門出來，經(jīng)連線408、409、410輪流觸發(fā)主電路中三個可控硅411、412、413，從而使三相交流電φA、φB、φC均衡地輪流供應(yīng)脈沖大電流。
(3)預(yù)電離-維持電路。預(yù)電離是圖4中方框404部分，維持電路是虛線框401部分。預(yù)電離電路404只用來引燃閃光燈，而由維持電路401來保持燈的點燃。兩者的改換是由包含在預(yù)電離電路404中的延時電路404b(見圖4-A)來實現(xiàn)的。延時電路404b使主電路中繼電器418合上，接著使預(yù)電離部分404a停止工作。預(yù)電離電路404工作時間短暫，只有0.5～1秒，功率很小(只在一秒鐘內(nèi)供應(yīng)30～50W)。維持電路直接由三相交流電經(jīng)二接管整流，經(jīng)限流電阻繼電器加于閃光燈上，不需要變壓器。
本發(fā)明電源的優(yōu)點是1.結(jié)構(gòu)簡單、元件少、體積少。本發(fā)明采用了上述的主電路，不需要儲能電容、濾波電容，不需要大的變壓器，因此元間少，體積少。2.工作可靠，不會出現(xiàn)持續(xù)導(dǎo)通的現(xiàn)象，也不會出現(xiàn)漏閃現(xiàn)象。3.與直流斬波式電源相比，輸出脈沖電流大，適用于大功率激光器。4.成本低，價格便宜。5.三相供電平衡，脈沖寬度可以調(diào)節(jié)。
最佳實施例按圖7和圖8所示的線路裝成電源，其中可控硅411、412、413、采用3CT200A/900V，二極管414、415、416采用2CZ200A/900V，電阻417為320Ω，閃光燈419采用氪燈，電阻705為40KΩ，電容706、707為1μ/2KV，延時電路404b由穩(wěn)壓管、積分電阻電容、比較器、靈敏繼電器等組成。控制電路中元件已在圖8的說明中給出，圖上所寫頻率2C/S、5C/S、10C/S、20C/S并非整數(shù)，實際上分別為2.03次、5.17次、10.71次、21.43次。這臺電源用于高平均功率中等峰值功率的固體(NdYAG)激光器。主電路供給氙燈的脈沖電流峰值為500A，控制電路提供的觸發(fā)信號頻率為2～47.5次/秒，相位角為0～120，預(yù)電離電流為30毫安，工作一秒鐘，維持電路供給氪燈的電流為1.5～1.8安培。激光器的輸出平均功率大于450瓦，峰值功率大于10千瓦。
權(quán)利要求
1.一種用于固體激光器的高功率脈沖固體激光電源，是由主電路、控制電路和予電離-維持電路組成，其特征在于a.主電路是由三個可控硅和三個二極管組成交流斬波式的按規(guī)定頻率和相位角工作的電路。b.控制電路是由對三相同步信號整形的整形電路，產(chǎn)生與三相交流電相關(guān)聯(lián)的頻率信號排除含有因子3分頻的計數(shù)分頻電路，對三個相位導(dǎo)通角統(tǒng)一進行調(diào)節(jié)，能夠產(chǎn)生對應(yīng)于主電路脈沖電流前沿窄脈沖信號的脈寬調(diào)節(jié)電路和由頻率信號和相位分配信號共同控制按規(guī)定頻率信號和相位角選頻選相的選頻選相門四個部分組成。c.予電離-維持電路是由僅起引燃閃光燈的工作短暫功率小的予電離觸發(fā)電路和維持閃光燈電離狀態(tài)的維持電路兩部分組成。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率脈沖固體激光電源，其特征在于交流斬波式的主電路在控制電路下，按≤150脈沖/秒和0至240°相位角導(dǎo)通。
3.依據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率脈沖固體激光電源，其特征在于能夠除含有因子3分頻的計數(shù)分頻電路是由開關(guān)-與門網(wǎng)絡(luò)和兩個計數(shù)器組成。
4.依據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率脈沖固體激光電源，其特征在于維持電路是由對三相交流電整流的三個整流二極管和限流電阻組成通過繼電器與閃光燈連接。
5.依據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率脈沖固體激光電源，其特征在于僅為引燃閃光燈的予電離觸發(fā)電路是由延時電路和預(yù)電離電路組成。
全文摘要
本發(fā)明是用于固體激光器的一種高功率脈沖固體激光電源，采用交流斬波式的主電路，由維持電路提供小于2A的電流維持閃光燈的電離狀態(tài)，預(yù)電離電路僅為引燃閃光燈的觸發(fā)電路，控制電路向主電路提供的頻率為≤159脈沖/秒，相位角在0至240°之間。它具有工作可靠，沒有持續(xù)導(dǎo)通和漏閃現(xiàn)象，三相供電平衡，輸出脈沖電流大，脈沖寬度可以調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單、元件少、體積小、成本低，價格便宜等優(yōu)點。
文檔編號H01S3/092GK1042031SQ89104220
公開日1990年5月9日 申請日期1989年6月20日 優(yōu)先權(quán)日1989年6月20日
發(fā)明者馬忠林, 葉碧青 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所