光纤激光器连续/脉冲驱动电源的设计
发布时间：2020-12-30 16:01
光纤激光器是一种以固态激光二极管进行泵浦的半导体激光器,具有稳定性好、效率高和灵活性强等优点,被广泛应用到工业、科研、军事、医疗、通信等各个领域。光纤激光器技术的发展与其驱动电源技术密不可分,激光器驱动电源性能的优劣将直接影响激光器光束的输出质量和稳定性,因此高效稳定的激光器驱动电源必须满足参数可调、精度高、输出电流大、恒流输出、电流波纹小、稳定性高等特点。本文中为了驱动实验所需的光纤激光器,设计了一款参数调整方便、输出功率高且性能稳定可靠的激光器驱动电源。本文在分析光纤激光器的工作原理、主要特点及负载特性的基础上,根据参数要求提出了驱动电源的设计方案。该驱动电源包括连续驱动和脉冲驱动两种输出模式,主要由脉冲电压输出、连续电压输出、电压/电流反馈电路、温度采集电路和模式选择电路组成,其核心为DC-DC变换电路。本电源选择了半桥拓扑电路作为功率转换电路,以infineon公司的2EDF7275F半桥驱动芯片作为功率转换电路的栅极驱动芯片,IXYS公司生产的MOSFET管IXTP100N04T2作为功率开关管;设计中采用STM32F103RCT6单片机作为电源的主控芯片,主要为半桥电路提供...
【文章来源】： 王猛 山东师范大学
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光纤激光器的结构
山东师范大学硕士学位论文5第2章光纤激光器的基本理论及负载特性2.1激光的产生原理光纤激光器是以光纤为基质的激光器，主要以掺稀土元素的玻璃光纤作为增益介质，泵浦光在光纤的纤芯内形成高功率密度，使其中掺杂的离子产生能量级的粒子数发生反转，当加入正反馈回路时，就产生了激光的输出[21]。激光的产生是一个放大的过程，基本条件包括：粒子数反转[22]、光反馈和满足激光振荡的阈值条件。激光器一般由泵浦源、激光工作介质和光学谐振腔[23]三部分组成，光纤激光器的结构见图2-1。图2-1光纤激光器的结构光纤激光器的激励方式可分为光泵式和电注入式，一般在应用中常电注入式激励方式，在激励时沿正向偏压对激光二极管注入电流，在结平面区域就会发生受激发射现象，见图2-2为电注入式激励方式结构示意图。光纤激光器的激光输出有三种模式包括CW(连续的)输出模式、QCW(准连续)输出模式和Pulse(脉冲)输出模式，本设计中主要为连续和脉冲模式的激光器提供驱动电源。图2-2电注入式激励激光的产生过程中，必须使粒子数产生反转，即必须使工作介质发生受激辐射产生增益，产生受激辐射的条件是在激光上能量级的粒子数要比激光下能量级的粒子数多。一般情况下，处于激光上能量级的粒子数是比激光下能量级的粒子数少的，因此为了实现粒子数的反转需要对工作介质提供外界能源，也称为激励源，这一过程叫做泵浦或者抽运。一般光纤激光器采用光泵浦方式，其工作方式是用一束强光照射工作介质，实现载流子的粒子数反转，图2-3为受激辐射的示意图。
山东师范大学硕士学位论文6图2-3受激辐射谐振腔[24]是能够使光产生共振的装置，可以通过谐振使发射的光具有激光的特点。光学谐振腔能够实现激光的稳定持续和高质量的一定功率输出，主要作用有产生激光和控制在腔内振荡的光束特性提高输出激光的质量。两块相距为L的平行平面光学谐振腔（F-P腔）的结构图见图2-4。图2-4平行平面腔结构图光纤激光器是一种新型的固体激光器，它的实质是激光二极管，采用激光二极管代替闪光灯泵浦光纤激光器的工作介质，LD泵浦具有峰值功率高、效率高、噪声特性好、频率稳定、寿命长、光束质量好等优点。光纤激光器在泵浦光的作用下能够容易的形成高功率密度从而实现粒子数反转，然后通过反馈形成谐振腔，实现激光振荡。光纤激光器的泵浦源选择标准为泵浦效率高，ESA（激发态吸收）效应校光纤激光器性能受泵浦源的性能影响很大，泵浦源的效率寿命都会影响激光的品质，选择合适的泵浦源对激光器的研究有决定性的作用。2.2光纤激光器的主要特点光纤激光器的等效电路图见图2-5所示。图中为一个π型的低通滤波LCR电路和LD等效电路的并联电路的组合，电路中的二极管为激光二极管，用来产生激光；0C和sR为光纤激光器的寄生电容和串联电阻，该电容一般小于1pF,串联电阻一般为数欧姆，在正向偏置下有源区的电阻小于1，1L为引线的电感，sC为旁路电容，选择合适的sC和1L值能
【参考文献】：
期刊论文
[1]开关电源的工作原理及技术趋势[J]. 路建华. 中国新通信. 2019(22)
[2]Diode-pumped Kerr-lens mode-locked Ti: sapphire laser with broad wavelength tunability[J]. 刘寒,王阁阳,杨科,康仁铸,田文龙,张大成,朱江峰,韩海年,魏志义. Chinese Physics B. 2019(09)
[3]高稳定激光原子磁力仪恒流源电路设计[J]. 陈立杰,黄光明,杨国卿. 激光与红外. 2019(08)
[4]大功率红外激光器高效驱动电源设计[J]. 吕燚,高军燕,蒋艺杰. 激光与红外. 2019(03)
[5]Development status of high power fiber lasers and their coherent beam combination[J]. Zejin LIU,Xiaoxi JIN,Rongtao SU,Pengfei MA,Pu ZHOU. Science China(Information Sciences). 2019(04)
[6]大功率半导体激光器驱动电源及温控系统设计[J]. 张龙,陈建生,高静,檀慧明,武晓东. 红外与激光工程. 2018(10)
[7]功率MOSFET半桥驱动电机电路研究与分析[J]. 潘泽浩,狄伟翔,李民飞. 工业控制计算机. 2018(05)
[8]光纤和光纤激光器[J]. 楼祺洪,张海波,袁志军. 科学. 2018(02)
[9]功率MOSFET隔离驱动电路设计分析[J]. 赵敏,张东来,李铁才,王子才. 电力电子技术. 2016(02)
[10]基于UCC28600的反激变换器控制环路分析[J]. 赵阳,胡木,张萌,徐朝阳. 湖北工业大学学报. 2015(01)
硕士论文
[1]大功率半导体激光器电源单体的分析与设计[D]. 肖杏子.华中科技大学 2019
[2]大功率半导体激光器脉冲电源研究[D]. 曹茹茹.燕山大学 2019
[3]基于功率半桥拓扑的GaN器件高频开关特性研究[D]. 程前.电子科技大学 2019
[4]功率自适应LD开关电源的设计[D]. 陈瑞霞.河南大学 2011
[5]被动调Q与锁模Tm:YAP激光器的理论与实验研究[D]. 田义.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：2947917
【文章来源】： 王猛 山东师范大学
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光纤激光器的结构
山东师范大学硕士学位论文5第2章光纤激光器的基本理论及负载特性2.1激光的产生原理光纤激光器是以光纤为基质的激光器，主要以掺稀土元素的玻璃光纤作为增益介质，泵浦光在光纤的纤芯内形成高功率密度，使其中掺杂的离子产生能量级的粒子数发生反转，当加入正反馈回路时，就产生了激光的输出[21]。激光的产生是一个放大的过程，基本条件包括：粒子数反转[22]、光反馈和满足激光振荡的阈值条件。激光器一般由泵浦源、激光工作介质和光学谐振腔[23]三部分组成，光纤激光器的结构见图2-1。图2-1光纤激光器的结构光纤激光器的激励方式可分为光泵式和电注入式，一般在应用中常电注入式激励方式，在激励时沿正向偏压对激光二极管注入电流，在结平面区域就会发生受激发射现象，见图2-2为电注入式激励方式结构示意图。光纤激光器的激光输出有三种模式包括CW(连续的)输出模式、QCW(准连续)输出模式和Pulse(脉冲)输出模式，本设计中主要为连续和脉冲模式的激光器提供驱动电源。图2-2电注入式激励激光的产生过程中，必须使粒子数产生反转，即必须使工作介质发生受激辐射产生增益，产生受激辐射的条件是在激光上能量级的粒子数要比激光下能量级的粒子数多。一般情况下，处于激光上能量级的粒子数是比激光下能量级的粒子数少的，因此为了实现粒子数的反转需要对工作介质提供外界能源，也称为激励源，这一过程叫做泵浦或者抽运。一般光纤激光器采用光泵浦方式，其工作方式是用一束强光照射工作介质，实现载流子的粒子数反转，图2-3为受激辐射的示意图。
山东师范大学硕士学位论文6图2-3受激辐射谐振腔[24]是能够使光产生共振的装置，可以通过谐振使发射的光具有激光的特点。光学谐振腔能够实现激光的稳定持续和高质量的一定功率输出，主要作用有产生激光和控制在腔内振荡的光束特性提高输出激光的质量。两块相距为L的平行平面光学谐振腔（F-P腔）的结构图见图2-4。图2-4平行平面腔结构图光纤激光器是一种新型的固体激光器，它的实质是激光二极管，采用激光二极管代替闪光灯泵浦光纤激光器的工作介质，LD泵浦具有峰值功率高、效率高、噪声特性好、频率稳定、寿命长、光束质量好等优点。光纤激光器在泵浦光的作用下能够容易的形成高功率密度从而实现粒子数反转，然后通过反馈形成谐振腔，实现激光振荡。光纤激光器的泵浦源选择标准为泵浦效率高，ESA（激发态吸收）效应校光纤激光器性能受泵浦源的性能影响很大，泵浦源的效率寿命都会影响激光的品质，选择合适的泵浦源对激光器的研究有决定性的作用。2.2光纤激光器的主要特点光纤激光器的等效电路图见图2-5所示。图中为一个π型的低通滤波LCR电路和LD等效电路的并联电路的组合，电路中的二极管为激光二极管，用来产生激光；0C和sR为光纤激光器的寄生电容和串联电阻，该电容一般小于1pF,串联电阻一般为数欧姆，在正向偏置下有源区的电阻小于1，1L为引线的电感，sC为旁路电容，选择合适的sC和1L值能
【参考文献】：
期刊论文
[1]开关电源的工作原理及技术趋势[J]. 路建华. 中国新通信. 2019(22)
[2]Diode-pumped Kerr-lens mode-locked Ti: sapphire laser with broad wavelength tunability[J]. 刘寒,王阁阳,杨科,康仁铸,田文龙,张大成,朱江峰,韩海年,魏志义. Chinese Physics B. 2019(09)
[3]高稳定激光原子磁力仪恒流源电路设计[J]. 陈立杰,黄光明,杨国卿. 激光与红外. 2019(08)
[4]大功率红外激光器高效驱动电源设计[J]. 吕燚,高军燕,蒋艺杰. 激光与红外. 2019(03)
[5]Development status of high power fiber lasers and their coherent beam combination[J]. Zejin LIU,Xiaoxi JIN,Rongtao SU,Pengfei MA,Pu ZHOU. Science China(Information Sciences). 2019(04)
[6]大功率半导体激光器驱动电源及温控系统设计[J]. 张龙,陈建生,高静,檀慧明,武晓东. 红外与激光工程. 2018(10)
[7]功率MOSFET半桥驱动电机电路研究与分析[J]. 潘泽浩,狄伟翔,李民飞. 工业控制计算机. 2018(05)
[8]光纤和光纤激光器[J]. 楼祺洪,张海波,袁志军. 科学. 2018(02)
[9]功率MOSFET隔离驱动电路设计分析[J]. 赵敏,张东来,李铁才,王子才. 电力电子技术. 2016(02)
[10]基于UCC28600的反激变换器控制环路分析[J]. 赵阳,胡木,张萌,徐朝阳. 湖北工业大学学报. 2015(01)
硕士论文
[1]大功率半导体激光器电源单体的分析与设计[D]. 肖杏子.华中科技大学 2019
[2]大功率半导体激光器脉冲电源研究[D]. 曹茹茹.燕山大学 2019
[3]基于功率半桥拓扑的GaN器件高频开关特性研究[D]. 程前.电子科技大学 2019
[4]功率自适应LD开关电源的设计[D]. 陈瑞霞.河南大学 2011
[5]被动调Q与锁模Tm:YAP激光器的理论与实验研究[D]. 田义.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：2947917
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