АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ПИТАНИЯ И ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ МАТРИЦ И ЛИНЕЕК ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ ИМПУЛЬСНОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ

Область техники
Полезная модель относится к твердотельным лазерам с диодной накачкой, а именно к системам питания и термостабилизации матриц и линеек лазерных диодов накачки твердотельных лазеров. Полезная модель может быть использована для автономного электропитания и термостабилизации импульсных твердотельных лазеров высокой мощности.
Уровень техники
Твердотельные лазеры являются одним из наиболее распространенных типов лазерных излучателей. Твердотельные лазеры (далее-ТТЛ) с диодной накачкой по сравнению с ТТЛ с ламповой накачкой, имеют ряд преимуществ, заключающихся в многократном повышении эффективности оптической накачки, с КПД от - 1.5% до КПД -25%, за счет согласования спектра излучения накачки и спектра поглощения активного элемента ТТЛ. Реализация импульсного режима генерации ТТЛ с диодной накачкой позволяет достигать экстремально высоких пиковых мощностей в течение лазерных импульсов, вплоть до 1000 ТВт [О. Звелто, Принципы лазеров / Пер. под науч. ред. Τ.А. Шмаонова. 4-е изд. - С-Пб: Издательство «Лань», 2008. - С. 29, 30, 263, 303, 429].
Известно, что современные лазерные диоды накачки твердотельных лазеров для увеличения суммарной мощности конструктивно объединяют в периодические наборные структуры: линейки и матрицы лазерных диодов. Известны различные одномерные и двумерные конструкции, объединяющие отдельные лазерные диоды в единый излучатель [см. RU 2396654, US 5 128, 951]. Наиболее мощные отечественные импульсные системы лазерных диодов, предназначенные для накачки импульсных ТТЛ, представляют собой матрицы лазерных диодов, оптическая мощность которых может превышать уровень в несколько киловатт для каждой матрицы.
[Продукция фирмы ОАО «Научно-производственное предприятие «Инжект» [http://www.inject-laser.ru/products/oscillators/subpage1.ivp#slm2].
Известно, что в процессе работы матриц и линеек лазерных диодов неизбежен их нагрев ввиду КПД=40÷50%. При этом, повышение температуры активного слоя матриц и линеек лазерных диодов приводит к снижению их квантовой эффективности, снижению мощности излучения, а также к смещению спектра излучения в область более длинных волн. Поэтому до настоящего времени существует потребность эффективного электропитания и термостабилизации матриц и линеек лазерных диодов.
Терморегулирование матриц и линеек лазерных диодов осуществляется с помощью воздушного или жидкостного охлаждения, в том числе с использованием термоэлементов Пельтье. Из уровня техники известно, что наиболее подходящим и перспективным для теплоотвода линеек и матриц лазерных диодов высокой мощности является микроканальное жидкостное охлаждение [Микаелян Г.Т. Мощные диодные лазерные линейки и матрицы. // Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Физический институт имени П.Н. Лебедева. Москва - 2006. С. 15, 37, 38, 75].
Из уровня техники известны современные высокоемкие конденсаторные накопители энергии: суперконденсаторы [iht.ru/science/seience_council/prtsentations/denshchikov/СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ%20ОБЗОР_1.doc], представляющие собой конденсаторы с двойным электрическим слоем [см. RU 2036523, RU 2058054, RU 2160940] и обладающие высокими удельными энергетическими характеристиками.
Ближайшим техническим решением к предлагаемому, является многоканальная система накачки и термостатирования линеек лазерных диодов твердотельного лазера с диодной накачкой [RU 56654 U1]. Система, описанная в [RU 56654 U1], содержит управляемый источник питания с каналом термостабилизации нескольких линеек лазерных диодов, подключенный к управляющему компьютеру, при этом система снабжена управляемыми источниками индивидуального питания и термостабилизации каждой линейки лазерных диодов, информационно-силовой сетью, например, сетью CAN, контроллерами этой сети, контроллером связи и управления внешними устройствами, и источником постоянного напряжения, причем каждый управляемый источник индивидуального питания и термостабилизации линейки лазерных диодов через соответствующий контроллер соединен с локальной информационно-силовой сетью, соединенной через контроллер связи с управляющим компьютером и с источником постоянного напряжения.
Система, описанная в [RU 56654 U1], осуществляет индивидуальную термостабилизацию линеек лазерных диодов только управлением тока, подаваемого на термоэлементы Пельтье, в то время как различие токов питания, подаваемых на отдельные линейки лазерных диодов, определяется исключительно рассогласованностью их паспортных параметров электропитания (тока и напряжения).
Важно отметить, что применение термоэлементов Пельтье для охлаждения матриц и линеек лазерных диодов накачки твердотельных лазеров высокой мощности нецелесообразно ввиду возрастания в несколько раз количества отводимого тепла.
В этой связи недостатком известной системы, описанной в [RU 56654 U1], является ограниченность ее применения для питания и термостабилизации диодов накачки ТТЛ высокой мощности, из-за применения методов и средств, умножающих количество отводимого тепла, например, термоэлементов Пельтье. Вместе с тем известная система не имеет возможности исполнения системы термостабилизации линеек лазерных диодов на базе жидкостного охлаждения без использования термоэлементов Пельтье, так как решение данной задачи требует серьезных изменений программных и аппаратных средств известной системы.
Другим недостатком известной системы, описанной в [RU 56654U1], следует считать её неавтономность, что означает наличие в системе прямой связи с источником питания без использования накопителей энергии.
Для автономного питания мощных ТТЛ с диодной накачкой используют электрогенераторы различных типов высокой мощности, например, в 250 кВт для питания 25 киловаттного ТТЛ. В этих случаях, при невозможности реализации регенеративного охлаждения (прокачки через требующие охлаждения элементы конструкции лазера компонентов топлива перед их подачей в камеру сгорания) возникает серьёзная проблема отвода излишков тепла, выделяющихся, в том числе, во время переходных режимов (выхода электрогенератора на номинальную нагрузку и схода с неё). Особенно критичной данная проблема становится при реализации кратковременного периодического режима работы.
Раскрытие полезной модели
В основу настоящей полезной модели положено решение задачи, направленной на создание автономной системы питания и термостабилизации матриц и линеек лазерных диодов импульсных твердотельных лазеров с диодной накачкой путем её формирования на базе суперконденсаторов, позволяющих осуществлять импульсный заряд и разряд (без длительных переходных режимов).
Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения, заключается в достижении автономности системы питания и термостабилизации матриц и линеек лазерных диодов накачки импульсных твердотельных лазеров путём использования суперконденсатора в качестве основного накопителя энергии.
Технический результат достигается тем, что автономная система питания и термостабилизации матриц и линеек лазерных диодов импульсного твердотельного лазера с диодной накачкой, включающая управляющий компьютер, последовательно подключённый к преобразователю интерфейсов, который посредством сети обмена
данными в режиме реального времени связан с соединёнными параллельно N блоками питания и управления каждой из N импульсных матриц и линеек лазерных диодов образующих систему диодной накачки импульсного твердотельного лазера, а также содержащая источник питания, соединённый последовательно с суперконденсатором, который связан с соединёнными параллельно N блоками питания и управления, каждый из которых состоит из буферного импульсного конденсатора с малым внутренним сопротивлением, источника тока управляющего напряжением и управляющего контроллера питания, причём вход буферного импульсного конденсатора соединён с выходом суперконденсатора, а выход буферного импульсного конденсатора соединен с источником тока управляющим напряжением, который соединён с импульсной матрицей и линейкой лазерных диодов, при этом вход управляющего контроллера питания соединён с помощью сети обмена данными в режиме реального времени с выходом преобразователя интерфейсов, а выход управляющего контроллера питания соединен с источником тока управляющим напряжением, а каждая импульсная матрица и линейка лазерных диодов соединена с управляющим контроллером питания посредством линии обратной связи по току напряжению и температуре, при этом система дополнительно содержит аккумуляторную батарею, исполнительный механизм системы охлаждения и управляющий контроллер охлаждения, причём, вход аккумуляторной батареи соединён с выходом источника питания, а выход аккумуляторной батареи соединен с входом исполнительного механизма системы охлаждения, который связан последовательно или параллельно с N импульсными матрицами и линейками лазерных диодов, при
этом вход управляющего контроллера охлаждениясоединён с управляющим компьютером, а выход соединен с исполнительным механизмом системы охлаждения; при этом N соответствует максимально возможному числу импульсных матриц и линеек лазерных диодов и определяется соотношением
, где
СК
С[Ф] - емкость суперконденсатора,
CK
PAБ
ΔU[В] - падение напряжения на суперконденсаторе за время работы t[c]
VD
ИМП
I[А] - постоянный ток, подаваемый на матрицу и линейку лазерных диодов в виде импульсов длительностью τ[c] с частотой следования f[Γц].
Краткое описание чертежей
Сущность предлагаемого технического решения поясняется фигурами.
На Фиг. 1 представлена блок-схема автономной системы питания и термостабилизации матриц и линеек лазерных диодов импульсного твердотельного лазера с диодной накачкой.
На Фиг. 2 представлена циклограмма импульсов тока накачки, а также напряжения на обкладках суперконденсатора и буферных импульсных конденсаторов за полное время работы, соответствующее длительности разряда суперконденсатора.
На Фиг. 3 представлена циклограмма импульсов тока накачки и напряжения на обкладках суперконденсатора в мелком масштабе.
Автономная система питания и термостабилизации матриц и линеек лазерных диодов импульсного твердотельного лазера с диодной накачкой, блок-схема которой представлена на Фиг. 1, содержит управляющий компьютер (1), последовательно подключённый к преобразователю интерфейсов (2), который посредством сети обмена данными в режиме реального времени (3) связан с соединёнными параллельно N блоками питания и управления (4) каждой из N импульсных матриц и линеек лазерных диодов (5) далее-МЛД, образующих систему диодной накачки (6) импульсного твердотельного лазера.
Кроме того предлагаемая система содержит источник питания (7) , соединённый последовательно с суперконденсатором (8), который связан с соединёнными параллельно N блоками питания и управления (4), каждый из которых состоит из буферного
импульсного конденсатора (9) с малым внутренним сопротивлением, источника тока управляющего напряжением (10) - далее-ИТУН и управляющего контроллера питания (11).
Причём вход буферного импульсного конденсатора (9) соединён с выходом суперконденсатора (8), а выход буферного импульсного конденсатора (9) - с ИТУН (10) , который соединён с МЛД (5) , при этом вход управляющего контроллера питания (11) соединён с помощью сети обмена данными в режиме реального времени (3) с выходом преобразователя интерфейсов (2), а выход управляющего контроллера питания (11) - с ИТУН (10). Каждая импульсная матрица и линейка лазерных диодов (5)соединена с управляющим контроллером питания (11) посредством линии обратной связи по току напряжению и температуре (12) . Также предлагаемая система содержит аккумуляторную батарею (13), исполнительный механизм системы охлаждения (14) и управляющий контроллер охлаждения (15), причём, вход аккумуляторной батареи (13) соединён с выходом источника питания (7), а выход аккумуляторной батареи (13) - с входом исполнительного механизма системы охлаждения (14) , который связан последовательно или параллельно с N импульсными МЛД (5), при этом вход управляющего контроллера охлаждения (15) соединён с управляющим компьютером (1), а выход - с исполнительным механизмом системы охлаждения (14).
В предлагаемом техническом решении суперконденсатор (8) является основным накопителем электроэнергии, обеспечивающим автономное питание N импульсных МЛД (5) через N буферных импульсных конденсаторов (9) с малым внутренним сопротивлением. Использование суперконденсатора в составе автономной системы питания импульсного лазера обеспечивается возможностью импульсного заряда и разряда суперконденсатора (без длительных переходных процессов), длительным временем хранения накопленной в суперконденсаторе энергии при минимальных потерях, а также высоким ресурсом и удобством эксплуатации.
Необходимо отметить, что использование суперконденсатора (8) в предлагаемой системе позволяет избежать возникновения
дополнительных процессов тепловыделения, связанных с выделением тепла на нагрузке во время переходных режимов работы источника питания высокой мощности (например, мощного электрогенератора), что особенно актуально при реализации кратковременного периодического режима работы.
Также необходимо отметить, что использование буферного импульсного конденсатора (9) с малым внутренним сопротивлением позволяет увеличить нагрузочную способность и снизить активные потери тракта питания в момент разряда.
В предлагаемой автономной системе питания максимально возможное число N импульсных МЛД (5) определяется параметрами суперконденсатора (8) (емкость, номинальное напряжение), параметрами электропитания МЛД (напряжение, а также амплитуда, длительность и частота следования импульсов постоянного тока), а также эксплуатационными параметрами (длительность работы МЛД) согласно соотношению: , где
СК
С[Ф] - емкость суперконденсатора,
СК
PAБ
ΔU[В] - падение напряжения на суперконденсаторе за время работы t[с],
VD
ИМП
I[А] - ток, подаваемый на матрицу или линейку лазерных диодов в виде импульсов длительностью τ[с] с частотой следования f[Гц].
Превышение количественного уровня в N импульсных МЛД (5) достигается масштабированием предлагаемой автономной системы питания путем введения в ее состав дополнительных суперконденсаторов (8), достаточных для обеспечения электропитания требуемого числа МЛД (5).
Синхронизация импульсов излучения N матриц и линеек лазерных диодов (5) достигается применением сети обмена данными в режиме реального времени (3) , выполненной в соответствии со
стандартом CAN [R.В.GmbH. CAN Specification 2.0. Robert Bosch GmbH, 1991. c. 72].
Осуществление полезной модели
Автономная система питания и термостабилизации матриц и линеек лазерных диодов импульсного твердотельного лазера с диодной накачкой, блок-схема которой представлена на Фиг.1, работает следующим образом.
Управляющий компьютер (1) с помощью преобразователя интерфейсов (2) по сети обмена данными в режиме реального времени (3) подаёт команды на N управляющих контроллеров питания (11) (по числу импульсных МЛД (5) накачки) в составе N блоков питания и управления (4) . Источник питания (7) заряжает суперконденсатор (8) и через него N параллельно соединённых буферных импульсных конденсаторов (9) с малым внутренним сопротивлением.
По команде управляющего контроллера (11) связанный с ним ИТУН (10) за время импульса разряжает буферный импульсный конденсатор (9) через МЛД (5) постоянным стабилизированным током. Контроль параметров электропитания (подаваемого тока и напряжения), а также температуры МЛД (5) осуществляется с помощью линии обратной связи по току, напряжению и температуре (12).
С момента начала разряда буферный импульсный конденсатор (9) заряжается от суперконденсатора (8) и успевает полностью зарядиться к моменту следующего разряда, соответствующему новому импульсу тока накачки (см. Фиг. 2). Данный цикл заканчивается при достижении минимального требуемого напряжения на обкладках суперконденсатора (8), после чего происходит его повторный заряд от источника питания (7) (см. Фиг. 3).
Управляющий компьютер (1) подаёт команды на управляющий контроллер системы охлаждения (15), который запускает исполнительный механизм системы охлаждения (14), осуществляющий
съём тепла с N импульсных МЛД (5) . Питание исполнительного механизма системы охлаждения (14) осуществляется от аккумуляторной батареи (13), заряжаемой по окончании цикла от источника питания (7).
ТЕПЛ
При этом мощность тепловыделения каждой МЛД (5)контролируется с помощью измерения в режиме реального времени подаваемого на неё тока и напряжения, и определяется согласно соотношению:P=∫I(t)·U(t)·(1-η)·dt [Вт], где
t/(t) [В] - напряжение,
ИМП
I(t) [А] - ток, подаваемый на матрицу диодов в виде импульсов длительностью τ [с] с частотой следования f[Гц],
η - КПД импульсной МЛД. Мощность теплосъема с каждой МЛД (5) контролируется измерением в режиме реального времени температуры и скорости напора подаваемого хладагента (воды или др.)
Необходимо отметить, что предлагаемая система обеспечивает реализацию эффективного питания и термостабилизации матриц и линеек лазерных диодов импульсного твердотельного лазера, работающего, в том числе, в режиме накопления тепла «heat- capacity» .
В этом режиме во время работы лазера осуществляется накопление тепла в элементах его конструкции, а теплоотвод осуществляется в течение длительного времени после окончания работы лазера.
В этом случае, предложенная система позволяет реализовать оптимальный температурный режим матриц и линеек лазерных диодов накачки, при котором длина волны излучения накачки в течение времени работы лазера, вместе с неизбежным ростом температуры диодов, будет смещаться в область более длинных длин волн оптимальным образом.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении осуществляется достижение автономности системы питания и термостабилизации матриц и линеек лазерных диодов накачки
импульсных твердотельных лазеров путем использования суперконденсатора в качестве основного накопителя энергии
ростом температуры диодов, будет смещаться в область более длинных длин волн оптимальным образом.
Таким образом, в предлагаемой системе осуществляется достижение автономности путем использования суперконденсатора в качестве основного накопителя энергии, а также реализуется жидкостное, в том числе микроканальное, охлаждение матриц и линеек лазерных диодов и их индивидуальная термостабилизация путем активного управления токами, подаваемыми на отдельные МЛД, для согласования их тепловыделения с осуществляемым теплосъемом.