淺談YAG激光器中的電源節(jié)能技術(shù)

精品文檔-下載后可編輯淺談YAG激光器中的電源節(jié)能技術(shù)【摘要】隨著現(xiàn)代特種加工技術(shù)的不斷發(fā)展，以及激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用，YAG激光器以YAG晶體為基質(zhì)，技術(shù)與工藝均較為成熟，在工業(yè)及醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。但是YAG激光器在實際應(yīng)用中卻存在光電效率低、無故障壽命較短等問題，嚴(yán)重影響到其實際應(yīng)用范圍與效果。因此，加強(qiáng)對于其電源節(jié)能技術(shù)的研究與實踐是十分必要的。本文從現(xiàn)代激光技術(shù)的角度出發(fā)，簡要分析了YAG激光器電源節(jié)能技術(shù)的相關(guān)問題。

【關(guān)鍵詞】YAG激光器；電源；節(jié)能技術(shù)

在現(xiàn)代工業(yè)激光、醫(yī)療激光等研究領(lǐng)域中，YAG激光器均是其重要的分支，加強(qiáng)對于其設(shè)計、加工及應(yīng)用中相關(guān)技術(shù)問題的深入研究與探討，對于現(xiàn)代激光技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展具有重要的意義。在YAG激光器的應(yīng)用中，光電效率低、無故障壽命較短等問題是不容忽視的，客觀限制了其推廣與應(yīng)用。因此，在今后的技術(shù)研究工作中，必須注重YAG激光器電源節(jié)能的問題，以實現(xiàn)耗能少、無故障壽命長的基本要求。

1、YAG激光器的工作原理及對于電源的基本性能要求

在YAG激光器光源的選擇中，氣體連續(xù)放電燈管因具有良好的性能而成為首先，此類激光燈管必須配備專業(yè)的電源才能保證穩(wěn)定、安全、高效工作。YAG激光器的工作原理為：YAG激光器普遍是采用氣體放電燈激勵的，較為常見的YAG連續(xù)激光器多是應(yīng)用連續(xù)氖燈泵浦，在滿負(fù)荷情況下試燈的使用壽命約為200h，在70%的負(fù)荷下使用壽命約為1000h。一般情況下，YAG激光器采用燈激勵每秒幾十次重復(fù)頻率的激光器，其最大峰值功率可達(dá)幾百兆瓦，連續(xù)輸出的最高功率已超過1000W，串聯(lián)激光器的連續(xù)輸出功率可達(dá)數(shù)千瓦。YAG激光器應(yīng)用的電源為專用電源，其基本性能要求主要包括以下幾方面：

1.1氣體放電電流波紋應(yīng)盡可能小，在激光打標(biāo)、精密加工等過程中，對于激光功率的穩(wěn)定性要求較為嚴(yán)格，由于受到熱慣性作用的影響，激光燈所輸出的激光功率波紋會明顯低于激光燈管氣體放電電流波紋，所以，YAG激光器的電源必須具有理想的高頻及低頻波紋抑制與調(diào)節(jié)功能，以實現(xiàn)對于氣體放電電流波紋的有效調(diào)控。比如在精細(xì)網(wǎng)紋輥的精細(xì)打孔工業(yè)中，必須要求極其優(yōu)異的接近衍射極限的光束質(zhì)量，標(biāo)準(zhǔn)的TEM00單模輸出，輸出波長為1.06微米，單脈沖能量1MJ，準(zhǔn)直后光束直徑10mm，M21.8，光束發(fā)散角0.24mrad；經(jīng)焦距為50mm的透鏡聚焦后，光斑直徑可以小于6微米（只有多模的Nd:YAG激光器的1/10左右），工作點(diǎn)的峰值功率密度非常高，達(dá)109W/cm2,使20瓦平均功率的脈沖光纖激光器用于激光制輥時的效果超過平均功率100瓦的YAG激光器，才可以適合于進(jìn)行精細(xì)網(wǎng)紋輥的精細(xì)打孔等應(yīng)用。

1.2提升引燃燈管的可靠性，并且保證其平滑的過渡至連續(xù)放電狀態(tài)，由于YAG激光器的引燃系統(tǒng)、恒流系統(tǒng)共用一個輸出，應(yīng)特別注意的是在引燃過程中，必須關(guān)注恒流控制系統(tǒng)的安全性問題。

1.3大功率、高效率、節(jié)能，根據(jù)國家的相關(guān)規(guī)定與要求，要求YAG激光器專用電源的實際工作效率必須保持在93%以上。

1.4軟啟動的特性，在初次進(jìn)行電源與啟動連接時，電源的輸入電流必須小于負(fù)荷電流，應(yīng)避免對于電網(wǎng)產(chǎn)生任何沖擊。

1.5高精度、快速的電流跟蹤能力，YAG激光器是否輸出激光或者激光輸出功率的大小，主要是由流經(jīng)激光燈管的電流量決定。因此，在YAG激光器的設(shè)計中，必須采取有效的措施進(jìn)行輸出電流的調(diào)控，并且注重輸出電流與電流給定信號的快速跟隨。在激光功率調(diào)定電流的情況下，激光燈管的直流電流必須穩(wěn)定在調(diào)定電流的范圍內(nèi)。

1.6全方位保護(hù)性，YAG激光器的電源必須保證安全性與可靠性，因為一旦出現(xiàn)電源質(zhì)量或安全問題，極有可能導(dǎo)致整套激光設(shè)備處于癱瘓狀態(tài)，所以，在YAG激光器的設(shè)計中，必須對于電源采取全方位保護(hù)性的措施，例如：輸出/輸入保險管、電壓電流保護(hù)、電源監(jiān)測保護(hù)、頻率快速保護(hù)及雙重電流保護(hù)等。

2、YAG激光器中的電源節(jié)能技術(shù)分析

YAG激光器的電源系統(tǒng)主要由開關(guān)型主電源電路、CPU控制電路、預(yù)燃電源電路、觸發(fā)電源電路、儲能電容放電時間控制電路等組成（見圖1）。泵浦氪燈作為整個YAG激光器電源的負(fù)載，根據(jù)氣體氪燈的伏安特性要求，氪燈必須保證有效點(diǎn)燃，進(jìn)而產(chǎn)生泵浦光波。YAG激光器電源的基本工作流程為：1）觸發(fā)電源部分提供的高壓（約為2萬千伏），電離擊穿激光燈管內(nèi)的惰性氪氣，以實現(xiàn)觸發(fā)；2）在電離觸發(fā)過程中，輸出電壓（約為2千伏）的預(yù)燃電源部分，促使氪燈處于低燃弧預(yù)燃的狀態(tài)；3）打開晶體管開關(guān)，使得儲能電容器內(nèi)部的主電源能量迅速通過氪燈，以形成放電回路，氪燈此時處于強(qiáng)輝光放電的狀態(tài)。以國內(nèi)自主生產(chǎn)的某品牌YAG激光器為例，對比傳統(tǒng)的電源形式，筆者提出了具體的節(jié)能改造措施。

2.1常用的YAG激光器電源形式

本款YAG激光器的氪燈采用原有電源，點(diǎn)燈的可靠性為96%，維持電流為45A。在500h出現(xiàn)偶爾熄燈的現(xiàn)象，氪燈壽命約為900h。在維持電流＜3.6A的情況下，激光器基本上無法保持正常工作。

2.2YAG激光器電源的節(jié)能技術(shù)改造

在本款YAG激光器的節(jié)能技術(shù)改造中，采用新型的節(jié)能電源，符合其節(jié)能運(yùn)行的相關(guān)要求。經(jīng)過節(jié)能技術(shù)改造后，其點(diǎn)燈可靠性為99.6%，維持電流為0.5A，1200h出現(xiàn)偶爾熄燈的現(xiàn)象，氪燈壽命延長至1800h，有效降低了待機(jī)電流，并且提高了點(diǎn)燈的高可靠性。本款YAG激光器的電源節(jié)能技術(shù)改造后，取得了較為良好的實際效果，具體表現(xiàn)為：1）YAG激光器的電源耗能明顯減少，約為改造前的1/4左右；2）YAG激光器的無故障運(yùn)行時間明顯延長，氪燈的使用壽命延長平均近一倍；3)YAG激光器的實際功耗明顯下降，出激光時間約為總開機(jī)時間的20%左右，能耗下降40%左右，激光器自身的發(fā)熱量也明顯降低。

總之，YAG激光器電源節(jié)能的問題是十分重要的，為了