大功率泵浦半导体激光器脉冲电源的研究

摘要

半导体激光泵浦固体激光器(Diode Pumped Solid-State Laser， DPSSL)具有体积小、效率高、可靠性好、工作寿命长的优点，在国防、科研、医疗、加工等领域有着广泛的应用。DPSSL系统是利用激光二极管作为泵浦光源，激光二极管发出的激光被固体激光器中的工作物质吸收，固体激光器从而产生激光。激光二极管的驱动电流的稳定度和纹波电流可以改变其发出激光的光功率、中心波长和波长光谱线宽纹。固体激光器理想的泵浦激光是线宽比较窄、中心波长稳定和合适的光子强度。激光二极管要发出这样的理想激光，驱动电流必须稳定度高，纹波电流小。因此，大功率泵浦半导体激光器驱动电源是DPSSL系统中一项十分关键的技术。为此，本文开展了大功率泵浦半导体激光器驱动电源方面的研究工作。　　本文首先分析了半导体激光器的工作原理和特性，总结出了大功率泵浦半导体激光器对脉冲驱动电源的要求。然后认真分析该领域内研究成果，确定了由前级充电单元和后级脉冲放电单元脉组成的脉冲驱动电源系统。前级充电单元采用LCC谐振变换器，后级脉冲放电单元采用基于大电容储能线性控制MOSFET的电路。该系统工作过程如下：首先，前级充电单元将储能电容电压从零充电至设定电压，前级充电单元停止工作，该设定电压大于半导体激光器负载的阈值电压；接着，后级脉冲放电单元开始工作，发出一个脉冲驱动电流后，储能电容的电压仍大于半导体激光器的阈值电压。然后，在脉冲放电间隙，前级充电单元继续工作，将储能电容的电压充电至设定电压后，前级充电单元停止工作，补充了储能电容因脉冲放电而失去的能量。　　本文应用中，前级充电单元要能对大电容负载恒流充电，且能适应大范围负载变化。通过分析LCC谐振变换器双脉冲工作模式，该变换器不仅能满足前级充电单元的要求，还能实现软开关，提高了系统的效率。根据该变换器工作模式，推导出谐振参数的设计方法。本文应用中，后级放电单元需要脉冲放电电路满足两点，一是输出电流要满足幅值大，稳定度高，上升时间短，上升过程不能有过冲，下降时间短且无反向电流；二是输出电压要大于激光二极管阵列的阈值电压。通过分析目前脉冲放电方法的优缺点，采用了基于电容储能的线性电流控制法。分析了由线性控制的MOSFET组成的脉冲放电电路工作原理，得出了主电路的传递函数。通过分析系统的特点，利用校正环节，改善了系统的性能，使其能满足后级放电电路对于输出电流的要求。用于线性调节的MOSFET导通时，其漏源电压为储能电容与激光二极管阵列的电压之差，MOSFET的损耗很大，器件容易损坏，本文初步探讨了基于MOSFET正向偏置安全工作区(FBSOA)的保护方案。驱动电流超过半导体激光器的额定电流后，激光器很容易损坏，本文设计了相应的过流保护方案。　　通过仿真和实验验证了大功率泵浦半导体激光器驱动电源系统方案的可行性。脉冲驱动电源系统的实验单个MOSFET的输出指标如下：最大输出140V/70A，脉冲宽度200μs-300μs可调，电流上升沿19μs，重复频率100Hz。其中，前级充电单元的LCC谐振变换器最大输出功率为2600W，最高输出电压为350V。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究大功率半导体激光电源的意义

1.2 大功率泵浦半导体激光器脉冲电源研究现状

1.3 脉冲电流源技术的发展概述

1.4论文的主要研究内容

第2章 半导体激光二极管的特性和驱动要求

2.1 半导体激光器的工作原理

2.2 半导体激光二极管阵列特性分析

2.3 大功率泵浦半导体激光器脉冲电源的要求

2.4 本章小结

第3章 后级脉冲放电单元

3.1 脉冲电源系统总体设计方案

3.2 后级脉冲放电单元工作原理

3.3 工作在线性区MOSFET的保护方案

3.4 后级脉冲放电单元主电路器件

3.5 脉冲驱动电源闭环系统设计

3.6 本章小结

第四章 前级充电单元的设计

4.1 前级充电单元拓扑选择

4.2 LCC谐振变换器双脉冲模式工作原理

4.3 LCC谐振变换器谐振参数计算和器件选型

4.4 LCC谐振变换器的控制

4.5 本章小结

第5章 仿真与实验

5.1 引言

5.2 LCC谐振变换器的仿真

5.3 脉冲放电电路仿真

5.4 LCC谐振变换器实验

5.5 脉冲驱动电源系统实验

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢