eng
Выпуск #1/2013
А. Темников, А. Гайосо де лос Сантос, А. Федоров, А. Колесников
Источники питания твердотельных лазеров с диодной накачкой
Источники питания твердотельных лазеров с диодной накачкой
Просмотры: 3222
Представлена разработка линейки продуктов – высокоэффективных источников питания твердотельных лазеров с диодной накачкой и контроллеров термостабилизации на основе элементов Пельтье. В конструкции использована передовая элементная база. Дан краткий анализ изменения структуры покупательского спроса на источники питания для твердотельных лазеров. Его несколько неожиданные результаты будут интересны исследователям лазерного рынка.
Теги: solid- lamp-pumped state lasers solid-state diode-pumped lasers solid-state lasers power supplies источники питания твердотельных лазеров твердотельные лазеры с диодной накачкой твердотельные лазеры с ламповой накачкой
Первым, кто использовал для накачки твердотельного YAG:Nd-лазера лазерный диод на основе GaAs, стал М. Росс [1], создавший в 1968 году квантовый генератор с диодной накачкой. До этого момента для накачки твердотельных лазеров (ТЛ) использовали газоразрядные лампы. Однако вскоре выяснилось, что их работа из-за физической природы используемого механизма накачки и конструкции самой лампы существенно влияет на качество генерируемого излучения.
В ТЛ с накачкой на основе газоразрядных ламп (ТЛЛН) был ограничен КПД. Причина – несогласованность, возникающая между физическими характеристиками активной среды лазера и спектром излучения газоразрядной лампы, и квантовый дефект. К тому же, работу ТЛЛН сопровождают высокое тепловыделение и энергопотребление. Также низкий рабочий ресурс газоразрядных ламп (500–1000 часов работы) снижает срок службы ТЛЛН. Это связано с проявлением эффекта распыления материала электродов в процессе работы лампы и последующим его оседанием на внутренних стенках колбы [2]. Поэтому необходима регулярная замена газоразрядных ламп накачки. Кроме того, постепенное старение лампы в процессе работы требует подстройки выходных параметров излучателя ТЛЛН.
Использование полупроводниковых лазеров в качестве накачки активных твердотельных сред устранило ряд проблем, возникающих при работе 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 ТЛ.
Замена газоразрядных ламп полупроводниковыми лазерами в качестве накачки ТЛ обеспечила высокую надежность и увеличили сроки эксплуатации твердотельных лазеров. Благодаря тому, что рабочий ресурс полупроводниковых излучателей достигает 20 000 часов работы, ТЛ 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 [3].
Но главное, замена газоразрядных ламп лазерными диодами снизило 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.
На выставке "Фотоника-2008" компания ООО "ФУДАЛ" получила ряд заказов на разработку и производство источников питания для ТЛДН. К этому моменту компания уже имела шестилетний опыт разработки и производства ИП для твердотельных лазеров с диодной накачкой. Руководство компании приняло решение начать работу над ИП ТЛДН и занять, таким образом, новую для себя нишу на рынке лазерного оборудования. К 2009 году в компании была разработана серия источников питания ТЛДН. В ходе проведенных экспериментов были отработаны технологии, приняты оптимальные решения после исследования диодных линеек и матриц на чувствительность к нестабильности напряжения на диодах и тока накачки. Результаты позволили доработать конструкции и схемотехнические решения и учесть особенности полупроводников при создании ИП.
Многие годы компания "ФЕДАЛ" производила для твердотельных лазеров с ламповой накачкой ИП (рис.1), выполненные в технологии частичного разряда емкостного накопителя. В производстве ИП для ТЛДН использована та же технология. Такое решение позволяет добиться правильной формы импульсов накачки, его отличает удобство регулирования выходных параметров ИП (напряжения, тока, длительности и частоты следования импульсов) в широком диапазоне. Коммутацию накопителя на нагрузку осуществляют MOSFET-транзисторы, работающие в активном режиме. Сигнал управления транзисторами генерирует микроконтроллер, это также обусловливает точность и удобство регулировки выходных сигналов. Использование цифрового управления предоставляет возможность регулировки параметров накачки с компьютера с помощью известных распространенных протоколов передачи данных (RS232, RS485, RS422, Ethernet, USB). Благодаря этому была решена задача синхронизации работы нескольких ИП, что требовалось при разработке мощных ИП для лабораторных стендов.
Для стабильной работы ТЛДН требовалось обеспечить стабильность оптимальной температуры диодов в узком диапазоне. Производители лазеров с диодной накачкой активно используют для этих целей термоэлектрические элементы на основе эффекта Пельтье. Такие элементы требуют отдельного блока управления термостабилизации, который целесообразно включать в конструкцию ИП лазера. По заказу ЗАО "Полупроводниковые приборы" ООО "ФЕДАЛ" разработало контролер SP100 (рис.2), который позволяет управлять термоэлектрическими элементами Пельтье с максимальным током до 9A. Контроллер работает по принципу широтно-импульсной модуляции выходного напряжения, что обеспечивает бесступенчатую регулировку температуры. В конструкции контроллера предусмотрен сглаживающий фильтр, его назначение – обеспечить работу элемента в оптимальных условиях и исключить ускоренную деградацию и локальные отказы. Объединение ИП лазера и контроллера термостабилизации в одно изделие упростило управление лазерным комплексом. Совмещенное программное обеспечение и единая панель управления позволяют устанавливать как характеристики накачки, так и параметры термостабилизации лазерного диода (рис.3).
Таким образом, ООО "ФЕДАЛ" проделана большая работа по созданию полного комплекса электроники для ТЛДН (см. таблицу). Анализ работы предприятия за последний год показал, что в 2012 году спрос на ИП ТЛДН вырос на 50%. Большинство новых заказчиков приобретали именно ИП ТЛДН. Необходимо отметить, что ИП ТЛДН приобретают в основном производители приборов для научных исследований, лабораторных стендов, технологических комплексов, прототипов и макетов военной техники. В то же время, покупателями ИП ТЛЛН являются производственные компании, заинтересованные в модернизации лазерных установок типа КВАНТ 12, КВАНТ 15, КВАНТ-60, ТЕМП-50, лазеров ЛТН-101, ЛТН-102, ЛТН-103, ЛИТ-501, ЛИТ-502, ГОИ-16 и т.д. Спрос на ИП ТЛЛН в 2012 году превысил спрос на ИП ТЛДН. Однако наметилось повышение спроса на ИП ТЛДН, что говорит о вероятном вытеснении ими ТЛЛН в ближайшем будущем.
Литература
Ross M. – Proc. IEEE, 1968, v.56, p.196.
Борисов Б.Н., Демкин В.К., Дунин В.М. и др. О работах предприятия по созданию лазеров с полупроводниковой накачкой. – В кн.: Лазерно-оптические системы и технологии. – М.: ФГУП "НПО АСТРОФИЗИКА", 2009, с.8–17.
Шестаков А. Активные элементы твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой. – Фотоника, 2007, №5.
Кравцов Н.В. Основные тенденции развития твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой. – Квантовая электроника, 2001, 31, №8, с. 661– 667.
В ТЛ с накачкой на основе газоразрядных ламп (ТЛЛН) был ограничен КПД. Причина – несогласованность, возникающая между физическими характеристиками активной среды лазера и спектром излучения газоразрядной лампы, и квантовый дефект. К тому же, работу ТЛЛН сопровождают высокое тепловыделение и энергопотребление. Также низкий рабочий ресурс газоразрядных ламп (500–1000 часов работы) снижает срок службы ТЛЛН. Это связано с проявлением эффекта распыления материала электродов в процессе работы лампы и последующим его оседанием на внутренних стенках колбы [2]. Поэтому необходима регулярная замена газоразрядных ламп накачки. Кроме того, постепенное старение лампы в процессе работы требует подстройки выходных параметров излучателя ТЛЛН.
Использование полупроводниковых лазеров в качестве накачки активных твердотельных сред устранило ряд проблем, возникающих при работе 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 ТЛ.
Замена газоразрядных ламп полупроводниковыми лазерами в качестве накачки ТЛ обеспечила высокую надежность и увеличили сроки эксплуатации твердотельных лазеров. Благодаря тому, что рабочий ресурс полупроводниковых излучателей достигает 20 000 часов работы, ТЛ 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 [3].
Но главное, замена газоразрядных ламп лазерными диодами снизило 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.
На выставке "Фотоника-2008" компания ООО "ФУДАЛ" получила ряд заказов на разработку и производство источников питания для ТЛДН. К этому моменту компания уже имела шестилетний опыт разработки и производства ИП для твердотельных лазеров с диодной накачкой. Руководство компании приняло решение начать работу над ИП ТЛДН и занять, таким образом, новую для себя нишу на рынке лазерного оборудования. К 2009 году в компании была разработана серия источников питания ТЛДН. В ходе проведенных экспериментов были отработаны технологии, приняты оптимальные решения после исследования диодных линеек и матриц на чувствительность к нестабильности напряжения на диодах и тока накачки. Результаты позволили доработать конструкции и схемотехнические решения и учесть особенности полупроводников при создании ИП.
Многие годы компания "ФЕДАЛ" производила для твердотельных лазеров с ламповой накачкой ИП (рис.1), выполненные в технологии частичного разряда емкостного накопителя. В производстве ИП для ТЛДН использована та же технология. Такое решение позволяет добиться правильной формы импульсов накачки, его отличает удобство регулирования выходных параметров ИП (напряжения, тока, длительности и частоты следования импульсов) в широком диапазоне. Коммутацию накопителя на нагрузку осуществляют MOSFET-транзисторы, работающие в активном режиме. Сигнал управления транзисторами генерирует микроконтроллер, это также обусловливает точность и удобство регулировки выходных сигналов. Использование цифрового управления предоставляет возможность регулировки параметров накачки с компьютера с помощью известных распространенных протоколов передачи данных (RS232, RS485, RS422, Ethernet, USB). Благодаря этому была решена задача синхронизации работы нескольких ИП, что требовалось при разработке мощных ИП для лабораторных стендов.
Для стабильной работы ТЛДН требовалось обеспечить стабильность оптимальной температуры диодов в узком диапазоне. Производители лазеров с диодной накачкой активно используют для этих целей термоэлектрические элементы на основе эффекта Пельтье. Такие элементы требуют отдельного блока управления термостабилизации, который целесообразно включать в конструкцию ИП лазера. По заказу ЗАО "Полупроводниковые приборы" ООО "ФЕДАЛ" разработало контролер SP100 (рис.2), который позволяет управлять термоэлектрическими элементами Пельтье с максимальным током до 9A. Контроллер работает по принципу широтно-импульсной модуляции выходного напряжения, что обеспечивает бесступенчатую регулировку температуры. В конструкции контроллера предусмотрен сглаживающий фильтр, его назначение – обеспечить работу элемента в оптимальных условиях и исключить ускоренную деградацию и локальные отказы. Объединение ИП лазера и контроллера термостабилизации в одно изделие упростило управление лазерным комплексом. Совмещенное программное обеспечение и единая панель управления позволяют устанавливать как характеристики накачки, так и параметры термостабилизации лазерного диода (рис.3).
Таким образом, ООО "ФЕДАЛ" проделана большая работа по созданию полного комплекса электроники для ТЛДН (см. таблицу). Анализ работы предприятия за последний год показал, что в 2012 году спрос на ИП ТЛДН вырос на 50%. Большинство новых заказчиков приобретали именно ИП ТЛДН. Необходимо отметить, что ИП ТЛДН приобретают в основном производители приборов для научных исследований, лабораторных стендов, технологических комплексов, прототипов и макетов военной техники. В то же время, покупателями ИП ТЛЛН являются производственные компании, заинтересованные в модернизации лазерных установок типа КВАНТ 12, КВАНТ 15, КВАНТ-60, ТЕМП-50, лазеров ЛТН-101, ЛТН-102, ЛТН-103, ЛИТ-501, ЛИТ-502, ГОИ-16 и т.д. Спрос на ИП ТЛЛН в 2012 году превысил спрос на ИП ТЛДН. Однако наметилось повышение спроса на ИП ТЛДН, что говорит о вероятном вытеснении ими ТЛЛН в ближайшем будущем.
Литература
Ross M. – Proc. IEEE, 1968, v.56, p.196.
Борисов Б.Н., Демкин В.К., Дунин В.М. и др. О работах предприятия по созданию лазеров с полупроводниковой накачкой. – В кн.: Лазерно-оптические системы и технологии. – М.: ФГУП "НПО АСТРОФИЗИКА", 2009, с.8–17.
Шестаков А. Активные элементы твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой. – Фотоника, 2007, №5.
Кравцов Н.В. Основные тенденции развития твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой. – Квантовая электроника, 2001, 31, №8, с. 661– 667.
Отзывы читателей
