吊舱式一体化灯抽运固体激光器高效脉冲电源的设计

为了实现机载脉冲激光介质高效抽运电源的小型轻量化,采用一体化结构设计方法,设计了一套为吊舱式灯抽运固体激光器脉冲氙灯提供抽运能量的高效脉冲电源系统。对氙灯放电特性及器件参数进行了理论分析和实验验证,获得了氙灯放电主回路关键器件参数,试制了原理样机并进行了联调实验。结果表明,电源系统总质量约为48 kg,电容充电时间为3.76 s,氙灯放电峰值电流为3.6 kA,电流脉宽为1.06 ms;实际测试数据与理论数据基本一致,脉冲电源系统放电回路参数设计合理。该关键技术具有可行性,采用一体化结构设计方法后,脉冲电源系统体积重量能满足特殊设备的使用需求。

开关型脉冲激光电源系统的设计与实现

本文探究了开关型脉冲激光电源系统的设计方案,并通过MTALAB仿真验证其功能的实现情况。根据脉冲氙灯的特性以及脉冲激光电源的工作原理,设计了基于串联谐振型半桥变换器的电能变换主电路,保证电源电压噪声小、稳定性好;同时,使用高频高压变压器降低电磁干扰、提高转换效率。在完成系统设计后,使用MATLAB仿真软件构建系统模型并验证其功能。结果表明,该系统的软启动功能、自保护功能以及缓上电功能可以正常实现,符合设计预期。

高可靠性脉冲氙灯电源设计

对540mm×Φ18mm、极间距250mm、充气压力26kPa的脉冲氙灯进行分析计算,研制了一台具有手动和外触发功能、氙灯充电电压2.5~4.5kV、输出脉冲电流幅度3~6kA、脉冲宽度约230μs的脉冲氙灯电源,给出了单次触发情况下的实验结果。设计基于晶闸管移相调压方式,经由隔离模块、PLC控制构成的闭环反馈回路,控制调压模块对储能电容器线性充电;通过IGBT半导体开关器件产生脉冲信号,经脉冲变压器升压后触发氙灯,使氙灯导通发光。采用简单、可靠的绕丝触发方式和控制信号隔离、电容器一端接地等方法,有效抑制了地电位抬高,提高了氙灯电源的可靠性和抗干扰能力。通过百次的实验,脉冲氙灯电源能100%点亮负载氙灯,满足实际使用要求。

大功率脉冲氙灯的放电研究

利用转镜式高速摄影机分幅摄影技术,对脉冲氙灯放电中的沟道扩展和熄灭过程进行了摄影和分析.放电时沟道扩展速度很快,呈树枝状,沟道熄灭过程长于扩展过程,且呈斑状.同时研究了预电离放电对沟道扩展和熄灭过程的影响,当预电离存在时,脉冲氙灯放电的沟道扩展的时间要长.结果表明,预电离有利于放电沟道的形成,提高氙灯的发光效率,且有助于减小主放电能量对管壁材料的冲击.

脉冲氙灯放电时等离子体电阻的研究

确定脉冲氙灯脉冲放电电阻和电流特性的关系,对于解决由储能器到脉冲氙灯之间的能量有效传输问题以及进行脉冲灯的计算是非常重要的,而且放电电阻和电路参数的匹配决定了放电的波形,进而也影响放电的功率、等离子体温度、辐射强度和光谱分布。在实验的基础上测试了不同口径、不同充气气压的高功率脉冲氙灯在不同放电条件下等离子体柱的电阻,探讨了放电过程中放电电阻的特性。

触发预电离一体化脉冲氙灯电源设计

采用高压触发预电离为一体＋脉冲形成网络触发氙灯的技术路线,分别设计了脉冲氙灯电源系统中高压触发、预燃电流维持两个功能单元。根据脉冲氙灯160mm×9mm、极间距70mm的技术指标,成功设计了一台具有手动和电脉冲触发功能的方波脉冲氙灯电源。氙灯充电电压300～900V可调,光脉冲宽度为150μs±20μs,光脉冲上升时间不超过90μs,触发延迟不超过90μs,触发抖动在±2μs范围内。给出了单次触发情况下脉冲氙灯电源输出的实验结果,验证了所采用的设计原理和技术方法的可行性。

脉冲氙灯电源研究

高速摄影的同步照明光源是利用脉冲氙灯作为输出负载的一种高亮度闪光光源。它的驱动电路采用脉冲形成网络PFN电路,利用Orcad Pspice软件对PFN放电电流仿真,其仿真结果具有一定的指导意义。电源具有手动触发和同步触发功能,同时输出脉冲的前沿和后沿具有良好的时间响应,氙灯充电电压0～3.5kV可调,触发信号与光波形延时时间125μs;实验结果验证了电源设计原理和技术方案的可行性。

高功率氙灯脉冲放电过程中石英管壁热损伤机理

基于高功率激光装置对脉冲氙灯工程运行可靠性的要求,利用现有的能源模块开展了氙灯放电考核实验。实验结果表明:虽然氙灯运行在安全的能量负载水平,当能源模块单个放电回路的峰值功率超过300MW时,氙灯石英玻璃管壁存在热损伤风险。肉眼观察到管壁损伤后在反射器对侧的灯管内壁出现乳白色沉积层。经扫描电镜和X射线光电子能谱测试分析,证实热损伤形成的乳白色沉积物为二氧化硅。为探究管壁热损伤机制,采用高速摄影观测了氙灯放电等离子体沟道发展过程。图像显示放大器内金属反射器的几何形状对放电沟道的分布产生了显著影响,尤其是在侧灯箱,灯内电弧沟道会靠近反射器一侧集中分布,因此,导致等离子体对灯管的偏烧。当放电峰值功率超过石英热负载极限时,管壁表面二氧化硅材料会被烧蚀至蒸发、气化,并随后沉积在灯管较冷部位。研究结果表明放电回路的放电峰值功率过高、放大器内金属反射器均会对氙灯造成热损伤。

高功率脉冲氙灯灯管的性能

研究了惯性约束聚变高功率激光驱动器使用的脉冲氙灯灯管(复合石英灯管和掺铈石英灯管)的光谱性能和抗冲击性能。分别对新复合石英灯管、新掺铈石英灯管、放电14 000发次的复合石英灯管、放电14 000发次的掺铈石英灯管进行了光谱透过率测试和实验对比。结果显示:复合石英灯管和掺铈石英灯管光谱性能都达到了高功率脉冲氙灯灯管的光谱指标,但掺铈石英灯管光谱透过率比复合石英灯管高约1%。对复合石英灯管和掺铈石英灯管进行了成分测试以验证其光谱性能。结果表明:除铈以外,掺铈石英灯管的其他金属杂质含量均低于复合石英灯管,认为其是掺铈石英灯管光谱性能优于复合石英灯管的一个原因。模拟了氙灯的放电运行,分别对复合石英灯管和掺铈石英灯管进行了动态抗冲击性能测试。结果表明,复合石英灯管的抗冲击性能较掺铈石英灯管高约6%。

氙灯高压快速放电特性的试验研究

研究了放电回路参数对氙灯快速放电特性的影响，用计算机进行了放电电流的模拟运算，并用试验的方法对氙灯高压快速放电特性进行了研究。为了延长氙灯寿命，采用了预燃技术，为了减小氙灯初始放电电感，加快放电脉冲上升时间，采用了预脉冲技术。预燃电流１００ｍＡ预脉冲电流１０～２０Ａ，脉宽１５０ｓ，储能电容Ｃ＝０．４７Ｆ，工作电压４～１８ｋＶ，放电脉宽３．５ｓ，加预脉冲后为３．０ｓ。

高能量MOPA脉宽可调激光器

利用MOPA激光种子源,结合氙灯泵浦行波放大方法研制了高能量脉宽可调1 064 nm波段激光器。激光器采用电调制脉宽方式控制MOPA光纤激光器脉冲信号的输出,在保证高光束质量的前提下,实现了脉宽8.6～220.9 ns可调的1 064 nm种子激光输出。选用双通放大级设计,利用氙灯泵浦Nd:YAG晶体实现五级行波放大,分析讨论了抑制自激振荡方法和行波放大过程中脉宽变窄的原因。当氙灯注入能量为60 J,重复频率10 Hz时,实现了脉宽调范围为4.2～173.3 ns的稳定1 064 nm激光输出,单脉冲能量最高可达158 m J。

医用高功率CTH∶YAG脉冲激光器

为了提高Cr,Tm,Ho∶YAG激光器的输出功率对CTH∶YAG准三能级能量转移特性进行了分析,优化了谐振腔的腔长及腔镜的曲率半径,采用了高漫反射陶瓷聚光腔.结果表明,有效抽运光谱带的反射率高达95%,在冷却水温为19℃,抽运能量为159 J时,获得最大单脉冲输出能量5.11 J,斜率效率5.6%.

石英玻璃表面金属沉积层的界面研究

就石英玻璃的金属化进行了初步研究,综合考虑石英玻璃管和金属的特点,合理选择金属化膜层;采用磁控溅射工艺在石英玻璃表面镀制薄膜,利用俄歇电子能谱(AES)进行了界面分析。发现膜层在沉积过程中有轻微的扩散和界面还原反应现象,后期的热处理使这种现象变得更加显著。600℃时界面扩散变得明显,Ni膜中Mo的含量达到了20%;800℃时界面扩散已经很严重,表层Ni膜渗过Mo膜进入到Ti层。因此在后期处理时,温度应控制在700℃左右。对样品灯进行了检验,加速寿命及灯头耐压检验结果均通过初步考核。

小型NYAB脉冲激光器和双向倍压移相调压式泵浦源

本文阐述了以双向倍压移相调压式泵浦源泵浦的新型自倍频激光晶体NYAB小型脉冲激光器的结构、泵浦源的线路组成、泵浦源技术指标和有关设计依据、光泵的辐射光谱与自倍频激光工作物质NYAB晶体吸收光谱的匹配以及为适应NYAB晶体的荧光寿命而选配泵浦光的光脉冲宽度等问题。

预脉冲灯泵钛宝石可调谐激光器

利用预脉冲技术，可减小氙灯放电初始阻抗，使主放电电流脉冲前沿变陡，脉冲包络变窄，峰值变高，泵浦能量集中，有利于灯泵钛宝石激光输出。试验证明，在低能量（４７Ｊ）注入时，电光转换效率提高１８％，输出９５０ｍＪ；在高能量（１１６Ｊ）注入时，效率提高５％，输出能量１８１０ｍＪ。该激光器可调谐范围为６９５～９４０ｎｍ。

大功率脉冲激光电源的研制

根据氙灯特殊的电气特性 ,论证了脉冲激光电源主要环节的设计方案 ,并设计相应的硬件电路和软件程序 ,达到技术指标 :充电电压从 2 5 0V～ 70 0V连续可调 ,输出能量连续可调 。

基于输出电流测量电压的太阳电池测试仪

以SPCE061A单片机作核心控制器件,以数控电流源作电子负载,以脉冲氙灯作太阳模拟光源,采用输出电流/测量电压的测试方法,设计了一种新型太阳电池测试仪。软件设计完成对采集到的电流、电压等数据进行处理;可以显示被测电池的I/V曲线及VOC、ISC、PM、VM、IM等参数;还可以把数据以图形和表格的形式打印。测试精度为0.1%,电流量程为0~2 A、0~10 A可选。该设计结构简单,性价比高,特别适合对单体太阳电池进行测试。

农用车辆频闪式雨雾警示灯的设计

农用车辆频闪式雨雾警示灯,是一种在黑夜或雨雾天气下起远距离灯光警示作用的装置。它可以将车辆上有限的电源电能,通过电子电路将脉冲氙灯触发点燃,在瞬间可发出强烈的可见光。其发光方式为脉冲频闪式,从而起到远距离的警示作用。该灯具具有广泛的市场前景,主要应用于较高车速行驶的农用车辆或具有危险性的农林作业机械,以及机场、航标、灯塔和其它一些需警示的场所,尤其是在车辆高速行驶的时候,可起到远距离预警作用。

激光冲击强化电源拓扑及控制

采用IGBT全桥逆变电路作为钕玻璃激光器本征级和放大级泵浦氙灯驱动电源主电路拓扑,结合内环为电流控制,外环为电压控制的双闭环控制电路实现了氙灯驱动电源储能电容的恒流限压充电.高压脉冲触发电路由气体放电管与高压脉冲变压器构成,可产生电压峰值高达30 kV的高压脉冲信号,能可靠击穿泵浦氙灯.设计了脉冲氙灯放电触发脉冲工作时序电路,当系统工作在调Q模式时,可以获得峰值功率很高的巨脉冲激光输出.对TC4钛合金TIG焊接头进行了激光冲击强化处理,效果显著.

煤矿作业车辆脉冲氙灯警示装置的设计

通过对脉冲氙灯光学基本特性的分析,结合煤矿作业车辆的使用要求和特点,采用合适的脉冲氙灯及其电路设计,研制出一种适应于煤矿等矿区作业车辆的警示装置,提高了安全生产运输的安全系数。