一种结构紧凑型kHz准分子激光器全固态脉冲激励源

摘要

本发明公开了一种结构紧凑型kHz准分子激光器全固态脉冲激励源，包括直流电源、升压脉冲变压器、磁脉冲压缩开关电路，激励源温度控制系统、油箱，直流电源与滤波电容并联后经半导体开关IGBT连接在升压脉冲变压器初级线圈两端，升压脉冲变压器的次级线圈接入磁脉冲压缩开关电路，升压脉冲变压器及两级磁脉冲压缩开关集成在高压油箱内。本发明替代传统准分子激光器采用闸流管作为主开关的激励源，解决因闸流管的放电寿命有限、残余振荡、预热启动及其老化过程中的自导通等缺点而影响准分子激光器的整体工作性能的问题，满足准分子激光器高重复频率、长寿命、稳定运行需求。

说明书

技术领域                                                       

本发明涉及一种结构紧凑型kHz准分子激光器全固态脉冲激励源，具体为kHz准分子激光器全固态脉冲激励电源装置，尤其适用于高重复频率、大功率工业用准分子激光器。

背景技术

为了获得大功率输出工业用准分子激光器，往往要求其在高重复频率下工作，传统准分子激光器激励源使用的主开关闸流管的～10⁹ 次脉冲放电寿命显得有限，加之闸流管的残余振荡、预热启动及其老化过程中的自导通等缺点使上述快放电模式不能适应准分子高重复频率工作的需求。全固态脉冲功率模块利用功率半导体开关结合多级磁脉冲压缩开关的方法产生高压快脉冲来替代闸流管。半导体开关和磁脉冲开关在长期高重复频率条件下性能无明显下降，所以这一技术几乎不考虑寿命问题，能满足准分子激光器在高重复频率下长期稳定运行。

发明内容

    本发明的目的提供一种结构紧凑型kHz准分子激光器全固态脉冲激励源，替代传统准分子激光器采用闸流管作为主开关的激励源，解决因闸流管的放电寿命有限、残余振荡、预热启动及其老化过程中的自导通等缺点而影响准分子激光器的整体工作性能的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种结构紧凑型kHz准分子激光器全固态脉冲激励源，其特征在于：包括直流电源、滤波电容C₀、升压脉冲变压器T、磁脉冲压缩开关电路、水冷散热器、油箱，所述的直流电源与滤波电容C₀并联后经半导体开关IGBT、电感L₀接入升压脉冲变压器T的初级两端，所述的升压脉冲变压器T的初级线圈一端连接电感L₀，另一端连接滤波电容C₀的一端,所述的升压脉冲变压器T的次级线圈接入磁脉冲压缩开关电路，所述的磁脉冲压缩开关电路包括三个相互并联的电容C₁、C₂、C_d，所述的电容C₁、C₂、C_d的低电位端共同接地，所述的电容C₁与电容C₂的高电位端间连接有磁脉冲压缩开关MS₁，所述的电容C₂与电容C_d的高电位端间连接有磁脉冲压缩开关MS₂，所述的电容C₁的两端连接在脉冲升压变压器T的次级线圈两端，滤波电容C₀、电感L₀、脉冲升压变压器T、电容C₁组成脉冲升压谐振回路，所述的直流电源输出的直流电压经升压、谐振翻倍后形成的脉冲电压，由磁脉冲压缩开关电路压缩后获得准分子激光器需要的高压快脉冲；所述的半导体开关IGBT安装于水冷散热器上，水冷散热器置于装有水冷机的水冷循环系统中，升压脉冲变压器T和两个磁脉冲压缩开关MS₁、MS₂置于充满变压器油的油箱中，水冷散热器与油箱之间连接有多层热交换器，水冷散热器连接热交换器的冷媒通道，油箱连接热交换器的热媒通道。

还包括有激励源控制系统，所述的油箱中设有一个热敏电阻，热敏电阻的一端连接激励源控制系统，所述温控开关实时探测水冷散热器的温度，温控开关一端连接激励源控制系统。油箱中的变压器油通过油泵进行循环。

直流电压以500V—700V输入，经脉冲升压变压器T及两级磁脉冲压缩开关后输出电压约16kV,脉冲上升时间约100ns的高压脉冲，满足准分子激光器激励条件。

本发明的有益效果为：

本发明采用功率半导体开关结合磁脉冲压缩开关的方法产生高压快脉冲的激励源来代替传统准分子激光器基于闸流管作为主开关的激励源，半导体开关及磁开关均为固态器件，半导体开关比闸流管高3个数量级以上，磁脉冲压缩开关在长期高重复率条件下性能无明显下降，激励源寿命主要取决于半导体开关的寿命，因此本发明相比采用闸流管的准分子激光器激励源寿命较长，并且回路放电不会产生残余能量振荡，使激光头寿命明显延长，运行更加稳定。

附图说明

图1为本发明的电路原理图.

图2为本发明的激励源温度控制系统。

具体实施方式

如图1所示，一种结构紧凑型kHz准分子激光器全固态脉冲激励源，包括直流电源1、滤波电容C₀、升压脉冲变压器T、磁脉冲压缩开关电路、水冷散热器2、油箱3，直流电源1与滤波电容C₀并联后经半导体开关IGBT、电感L₀接入升压脉冲变压器T的初级两端，升压脉冲变压器T的初级线圈一端连接电感L₀，另一端连接滤波电容C₀的一端,升压脉冲变压器T的次级线圈接入磁脉冲压缩开关电路，磁脉冲压缩开关电路包括三个相互并联的电容C₁、C₂、C_d，电容C₁、C₂、C_d的低电位端共同接地，电容C₁与电容C₂的高电位端间连接有磁脉冲压缩开关MS₁，电容C₂与电容C_d的高电位端间连接有磁脉冲压缩开关MS₂，电容C₁的两端连接在脉冲升压变压器T的次级线圈两端，滤波电容C₀、电感L₀、脉冲升压变压器T、电容C₁组成脉冲升压谐振回路，直流电源1输出的直流电压经升压、谐振翻倍后形成的脉冲电压，由磁脉冲压缩开关电路压缩后获得准分子激光器需要的高压快脉冲；半导体开关IGBT安装于水冷散热器2上，水冷散热器2置于装有水冷机的水冷循环系统中，升压脉冲变压器T和两个磁脉冲压缩开关MS₁、MS₂置于充满变压器油的油箱3中，水冷散热器2与油箱3之间连接有多层热交换器4，水冷散热器2连接热交换器4的冷媒通道，油箱3连接热交换器4的热媒通道。

还包括有激励源控制系统5，油箱3中设有一个热敏电阻6，热敏电阻6的一端连接激励源控制系统5，水冷散热器2上装有温控开关7，温控开关7的一端连接激励源控制系统5。油箱3中的变压器油通过油泵9进行循环。

如图1，电容C_d两端并联负载准分子激光头8。

    直流电源,1输出电压经滤波电容C₀，通过半导体开关IGBT、脉冲升压、谐振形成高压宽脉冲，高压宽脉冲再经过两级磁脉冲压缩开关压缩后形成高压窄脉冲，输出到激光放电电极两端，从而实现对激光工作气体的放电激励。

    如图1所示，电路中C₀=100uF，C₁=C₂=10nF，C_d=8nF。直流电源输出电压为500-700V。C₀、S₀、L₀、T、C₁串联在一起构成LC脉冲升压谐振充电回路，脉冲升压变压器T是变比为1：15脉冲升压变压器，其耦合系数较高，漏感很小。通过控制S₀的断开和闭合，C₁可以被充电到最高近20kV。此能量转移过程一般在数微秒，这里设计为6μs左右。在C₁电压逐渐升高过程中，磁脉冲压缩开关MS₁处于非饱和状态，可近似认为断路；当C₁电压达到最高时，MS₁正好饱和，此时MS₁近似为一空心小电感，C₁快速向C₂放电。同理，经过MS₂的压缩过程，电容C_d上的电压上升时间达到约100ns，最后激光器电极对工作气体数十纳秒快速放电泵浦产生准分子激光。

如图2所示，本发明包括激励源温度控制系统，采用的半导体开关管 IGBT在1000Hz工作时温升速度加大，设计水冷散热器2对半导体开关管IGBT进行散热，两级磁开关和脉冲升压变压器共消耗功率约1kW，加上他们都是高压器件，为了更好的绝缘散热，减小激励源体积，把脉冲升压变压器及两级磁脉冲压缩开关集成到充满变压器油的高压油箱内，用油泵对变压器油进行循环，水、油通过多层水冷热交换器进行热交换。水冷循环系统由大功率水冷机对冷却介质——水进行冷却，水冷机包括进水管和出水管，出水管流出的是经水冷机冷却后的水，温度由水冷机设定，进水管是冷却后的水通过水冷散热器和油箱热交换器后，水温有所升高的水。温度控制系统包括水冷散热器的温度控制及油箱温度控制两部分，水冷散热器温度控制系统主要是对半导体开关IGBT的保护作用，水冷散热器上装有温控开关，温控开关连接在主回路控制系统中，低温时呈闭合状态，超过其标定温度40 ℃时证明IGBT发热异常，自动断开，激励源停止工作。油箱温度控制系统由浸在油箱内的温控热敏电阻连接在主回路控制系统控制，温度升高到标定值，温控电阻阻值减小到标定值，系统停止工作。

油箱中置有脉冲升压变压器、两级磁脉冲压缩开关，650 V左右的直流电压输入脉冲升压变压器后，经电容充电系统形成电压约为20 kV，上升时间约为6us的高压脉冲，经两级磁脉冲压缩后形成电压约16kV,电压上升时间约100ns的高压脉冲，满足准分子激光器激励条件。内部器件均为在高压条件下工作，所以集成在充满变压器油的油箱内，有利于更好的绝缘，极大的缩减了系统体积，集成化程度更高。