Sursele de energie adaptate la cerințele specifice atât ale laserului, cât și ale aplicației asigură o performanță optimă a laserului.

potrivite

Alegerea sursei de alimentare potrivite pentru o performanță optimă a laserului

Sursele de energie adaptate la cerințele specifice atât ale laserului, cât și ale aplicației asigură o performanță optimă a laserului.

Jerry R. Hobbs, editor asociat, Tehnologie

Sursele de alimentare sunt responsabile atât pentru funcționarea regulată, cât și pentru longevitatea laserelor. Curentul electric și cantitatea adecvată de tensiune sunt transformate de componentele și circuitele de alimentare într-o sursă fiabilă de energie pentru a opera un sistem laser. Design-urile specifice cu laser necesită performanțe strâns controlate și consistente de la sursele lor de alimentare.

Product Focus din această lună examinează specificațiile de performanță ale surselor de alimentare pentru laserele cu diodă, stare solidă și gaz și oferă îndrumări pentru potrivirea surselor de alimentare cu lasere și aplicații specifice. În timp ce mulți producători de laser produc propriile surse de alimentare, alții recunosc că unii utilizatori, în special OEM-urile, doresc să cumpere surse de alimentare neproprietare pentru a personaliza performanța laserului pentru aplicații specifice precum telecomunicații, medicină și industrie. * Inginerii laser lucrează adesea cu puterea comercială. -furnizeaza producatorii pentru a dezvolta noi dispozitive pentru piata cercetarii.

Dispozitiv de potrivire cu tipul laser

Proiectele de alimentare cu energie necesită combinații variate de circuite și componente pentru a îndeplini specificațiile diferitelor aplicații laser. Nici un design unic de alimentare nu poate fi optimizat pentru utilizare cu toate tipurile de lasere. De exemplu, anumite lasere cu diode pot fi reglate la temperatură de o sursă de alimentare pentru a emite exclusiv la lungimi de undă selectate. În mod similar, o singură diodă laser poate fi controlată de un tip de sursă de alimentare pentru funcționarea CW și de un alt tip pentru funcționarea pulsată. Aceste exemple nu sunt valabile, totuși, pentru majoritatea laserelor cu stare solidă pompate cu lampă și pentru laserele cu gaz, care necesită modele de alimentare mai complexe și specifice dispozitivului.

Sursele de alimentare pentru laserele cu diode sunt adesea numite drivere. Laserele cu diodă cu lățime îngustă au nevoie de drivere cu zgomot redus. Tablourile de diode de mare putere atrag cele mai mari niveluri de curent și tensiune. Laserele cu diodă cu undă continuă au nevoie de curent continuu, în timp ce laserele cu diodă pulsată sau modulată necesită drivere pentru livrarea precisă a timpului de energie electrică, astfel încât pulsul optic să fie consistent.

Laserele cu stare solidă pompate cu lampă utilizează surse de alimentare pentru a acționa lămpile în moduri care pot fi comparate mai strâns cu laserele pe gaz. Proiectarea surselor de comutare, cum ar fi sursele de încărcare a condensatoarelor utilizate pentru laserele cu stare solidă și cu excimer pompate cu lampă, au devenit mai flexibile cu ajutorul telecomenzilor prin intermediul computerelor, modularității circuitului, rate de comutare mai mari și capacități mai mari de procesare.

Laserele cu gaz, cum ar fi dioxidul de carbon (CO2), pot utiliza modele de alimentare cu comutare comune pentru lasere cu stare solidă, dar cu tensiuni mult mai mari și durate mai mari ale impulsurilor electrice (vezi Fig. 1). Unele lasere excimer utilizează modele de curent continuu (DC) mai convenționale care pot fi simplificate până la transformator de înaltă tensiune, redresor și filtru de linie. Laserele cu ghid de undă CO2 pot utiliza surse de curent continuu cu frecvență radio (RF).

Dispozitivele electronice inovatoare, cum ar fi tranzistoarele bipolare cu poartă izolată și regulatoarele cu rezistență comutată și utilizarea inteligentă a circuitelor integrate specifice aplicației, servesc la creșterea flexibilității de alimentare a diodelor, a stărilor solide și a laserelor cu gaz. Per ansamblu, proiectele de alimentare cu energie continuă să se îmbunătățească pe măsură ce componentele individuale se îmbunătățesc.

Evaluarea nevoilor de putere

Majoritatea utilizatorilor doresc pur și simplu să știe ce intrări electrice sunt necesare pentru a obține ieșirile optice dorite. Și, oricât de concrete ar fi definițiile ampere, joule, volt și watt, utilizatorii ar trebui să verifice întotdeauna ieșirea și stabilitatea fiecărei surse de alimentare prin testarea dispozitivelor în sine înainte de acceptare. Mai presus de toate, sursele de alimentare ar trebui să susțină nevoile specifice ale laserului fără a deteriora dispozitivul sau operatorul.

Majoritatea problemelor legate de alimentarea electrică și controlul temperaturii pentru laserele cu diode sunt universale. Curenții de acționare și temperaturile de joncțiune trebuie controlate pentru o performanță optimizată a laserului. Circuitele electronice, numite bucle de feedback, sunt incluse pentru a monitoriza performanța și pentru a regla componentele sursei de alimentare pentru a se potrivi cu o anumită ieșire diodă-laser și specificații de temperatură.

Dispozitivele cu diode-laser, cum ar fi laserele cu suprafață cu cavitate verticală (VCSEL-uri), amplificatoarele master/oscilatoare/amplificatoare de putere (MOPA-uri) și sistemele cu diode-laser dublate în frecvență au nevoi speciale de alimentare. VCSEL-urile au nevoie de curenți de acționare mai mici, o precizie mai mare și o rezoluție mai bună. MOPA-urile necesită un control independent al curentului și al temperaturii pentru fiecare secțiune laser. Sursele de alimentare modulare sunt potrivite pentru controlul laserului și pentru reglarea temperaturii cristalului neliniar în aplicații cu diodă-laser dublată în frecvență. Producătorii recomandă ieșiri izolate independent pentru a preveni cuplarea semnalului și cuplarea zgomotului.

Sursele de alimentare cu stare solidă și cu laser cu gaz au specificații complexe. Specificațiile de performanță de ieșire ale unei surse de alimentare cu încărcare a condensatorului pot fi dificil de înțeles; acest lucru este valabil chiar și atunci când utilizatorii știu să calculeze ciclurile de încărcare-descărcare necesare pentru o aplicație laser.

Puterea de ieșire necesară furnizată pentru laserele cu stare solidă sau cu excimer cu impulsuri de mare putere este de obicei dată în termeni de jouli pe secundă, care este o funcție a timpului de încărcare, a ratei de repetare, a tensiunii de ieșire și a caracteristicilor componentelor. În timpul unui ciclu de încărcare-descărcare, rata de modificare a tensiunii nu este constantă. Producătorii specifică performanța alimentării cu energie în termeni de curent de ieșire de vârf, viteză de încărcare de vârf, putere de ieșire de vârf și așa mai departe (vezi Fig. 2).

Cu toate acestea, puterea maximă de ieșire nu trebuie calculată ca produs al curentului maxim de ieșire și al tensiunii maxime de ieșire. O măsură mai fiabilă a unei surse de alimentare cu încărcare a condensatorului este produsul curentului mediu de ieșire și a capacității de jumătate a tensiunii de ieșire, cunoscut sub numele de puterea medie de ieșire.

Sursele de alimentare DC de înaltă tensiune trebuie să satisfacă nevoile maxime de tensiune și curent pentru un anumit laser. Pe partea de intrare, cerințele de tensiune și frecvență ar trebui să fie suficient de largi pentru a gestiona variațiile comerciale de electricitate fără a perturba ieșirea. Pe partea de ieșire, aceste consumabile ar trebui să ofere reglarea înclinării, liniei statice și sarcinii statice. Sunt necesare circuite pentru a furniza curent tubului de descărcare cu plasmă, pentru a ioniza plasma, pentru a alimenta ventilatoarele de răcire și pentru a furniza alte tensiuni, după cum este necesar; de exemplu, magneții care previn eroziunea forajului în tuburile laser argon-ion au nevoie de energie pentru a crea câmpuri de control.

Costul este singura specificație de alimentare care poate fi generalizată. Laserele cu diode pentru telecomunicații, medicale și industriale pot fi conectate la surse de alimentare robuste, specifice aplicației, cu redundanțe de circuit încorporate pentru o durată de viață maximă, cu cea mai mare fiabilitate. Pe de altă parte, cercetătorii care folosesc doar sporadic lasere cu diode pot fi mulțumiți de o sursă de alimentare generală mai puțin costisitoare.

Atât pericolele optice, cât și cele electrice participă la funcționarea oricărui laser. Un curent electric de numai 4-5 J condus prin corp este suficient pentru a ucide. Și, deși există reglementări guvernamentale pentru a proteja împotriva radiațiilor optice, cerințele electrice nu sunt la fel de stricte. De exemplu, un laser trebuie să respecte standardele de siguranță cu interblocări și obloane, dar sursa de alimentare poate să nu îndeplinească standardele de siguranță electrică chiar și atunci când funcționează corect.

Echipamentele electro-optice trebuie să fie, de asemenea, conforme cu codurile industriale de prevenire a incendiilor din multe orașe înainte de a putea fi instalate. După ce selectați o anumită sursă de alimentare, asigurați-vă că confirmați cu producătorul că dispozitivul îndeplinește toate standardele relevante de siguranță electrică. n

Mulțumim lui Ken Kaiser, Kaiser Systems Inc. (Beverly, MA), pentru discuții utile cu privire la specificațiile pentru sursele de alimentare cu încărcare a condensatorului.

FIGURA 1. Tensiunea necesară pentru alimentarea laserelor industriale variază foarte mult

în funcție de tipul de laser și de lungimea pulsului.

Faceți clic aici pentru a mări imaginea

FIGURA 2. Sursa de alimentare cu încărcare a condensatorului pentru laserele YAG și excimer pulsate produce ieșire 2000-J/s într-un interval de tensiune de la 1 la 40 kV.