В данной статье рассматривается одно из возможных конструкций источника питания маломощного твердотельного лазера с диодной накачкой, его структурная и электрическая принципиальная схемы, основные технические параметры и характеристики.
Ключевые слова: лазер, источник питания, монохроматическое излучение, генератор когерентного излучения, диодная накачка, фотоника.
Для решения различных задач, связанных с проведением научных исследований, технических измерений, обработкой и получением новых материалов, передачей информации и т. д. во всем мире разработано и выпускается большое число моделей оптических квантовых генераторов (лазеров) [1–2]. Наиболее эффективным способом создания инверсии населенности в лазерах признана диодная накачка как для непрерывного, так и импульсного излучения [1–4]. В современных моделях лазеров диодную накачку осуществляют с помощью диодных матриц. Для них разработаны различные блоки питания как зарубежными, так и отечественными производителями. В зависимости от задач, для решения которых используются лазеры [5], блоки питания отличаются режимами работы, техническими характеристиками, исполнением и габаритами.
Одним из возможных вариантов источников питания диодного лазера может быть следующая схема, рисунок 1.
Рис. 1. Структурная схема источника питания диодного лазера
В качестве активного элемента могут выступать кристаллы: алюмо-иттриевый гранат, допированный неодимом (Nd:YAG-лазер); фторид иттрия-лития с легированием неодимом (Nd:YLF-лазер); ванадат иттрия (YVO 4 ) с легированием неодимом (Nd:YVO-лазер); неодимовое стекло (Nd:Glass-лазер) и др.
Для правильного расчёта источника питания диодного лазера нужно понимать, что диоды имеют нелинейную вольтамперную характеристику. Такая характеристика имеет сложную функцию, изменение сопротивления от температуры, а также изменение величины тока приложенного напряжения от сопротивления. Зависимости этих функций можно описать формулами (1) и (2):
Объединив формулы (1) и (2), можно получить формулу сложно функции изменения зависимостей (3):
Во избежание резких изменений токов и напряжений, источник питания должен иметь стабилизаторы напряжения и тока в блоках лазерных диодов I и II, являющимися источниками питания фотодиодов I и II соответственно.
Включение и выключение самого блока питания может вызвать кратковременное изменение входного питающего напряжения в виде переходного процесса из одного состояния в другое, которое можно стабилизировать LC-фильтром 2-го порядка, рисунок 2.
Рис. 2. Входное питающее напряжение с частотой 50 Гц
Красной синусоидой показано амплитудное напряжение с частотой 50 Гц. Синей штриховой линией показано выпрямленное амплитудное напряжение диодным выпрямителем, собранным по мостовой схеме. Зелёной линией изображено действующее напряжение на выходе Г-образного LC- фильтра, позволяющего сгладить переходный процесс.
Одним из вариантов электрической принципиальной схемы источника питания диодного лазера может быть представлен рисунком 3.
Рис. 3. Электрическая принципиальная схема источника питания диодного лазера
Г-образный LC-фильтр, состоящий из ёмкости C 1 и индуктивности L 1 предназначен для сглаживания переходного процесса при замыкании ключа S 1 . Так как индуктивность может накопить большую магнитную энергию, то при размыкании ключа, часть накопленной магнитной энергии в виде напряжения падает на ограничительный резистор R 1 через обратно включённый диод VD 1 .
В представленном источнике питания модулем управления может служить микроконтроллер Arduino NANO, который посредством несимметричных плеч, образованных резисторами R 5 , R 6 и терморезисторами R 7 , R 8 , контролирует температуру нагрева лазерных кристаллов, а также управляет электронными ключами VT 1 и VT 3 для включения систем охлаждения, в случае их нагрева.
Для охлаждения в данной схеме применяются модули Пельтье, включённые анодами в цепь транзистора VT 2 , регулирующего их общий ток, а катодами — в цепи коммутаций реле K 1 и K 2 , подающих на них питание. Диоды VD 2 и VD 5 предназначены для защиты реле в момент изменения состояния транзисторов. Так как микроконтроллер Arduino NANO имеет встроенный стабилизатор напряжения, то питание на него можно подавать до сглаживающего LC-фильтра.
В блоках лазерных диодов для их стабильной работы имеются стабилизаторы напряжений и токов, выполненных на L7805CV.
Литература:
- З. С. Павлова, А. В. Фёдоров, В. В. Давыдов, А. В. Мороз, Том 13 № 1, 2019 г, 42–47 с.
