0 引言

　　半導體泵浦激光器具有轉換效率高、輸出光束質量好、性能可靠、壽命長等優點，在激光領域得到越來越廣泛的應用[1-2]。在軍事應用上，高功率脈沖半導體泵浦激光器在激光測距、激光制導、激光雷達甚至激光武器等方面具有重要的應用前景，已成為各國研究的熱點[3]。作為半導體泵浦激光器的重要組成部分，其驅動電源的研制也成為重要的核心技術[4]。與連續半導體激光器相比，脈沖半導體激光器驅動電源不僅涉及到電流的恒定與大小，而且要具有脈沖寬度、重復頻率、脈沖形狀、過沖控制、各種異常保護等功能，設計難度和復雜度大大增加。目前，較為成熟的脈沖半導體激光器驅動電源一般工作電壓在300 V以內，工作電流在250 A以下[5]。

　　在激光相干合成技術的研究中，為實現6臺脈沖半導體泵浦激光器并聯工作，激光器陣列電源的總體技術指標要達到：工作電壓0～300 V自適應調整、工作電流0～1 200 A、脈沖寬度200 s～1 000 s、重復頻率1 Hz～20 Hz均可任意調整的高電壓、大脈沖電流輸出。

1 陣列電源的整體設計

　　陣列電源的整體設計如圖1所示。

　　各陣列電源的工作是靠上位機控制的，上位機將限壓、電流、頻率、脈寬、溫控等參數通過通信與同步信號分配器傳輸到各陣列電源。其中，每個電源的工作參數均可不同，通信與同步信號分配器的作用即是將用戶指令分配到每個陣列電源，使每個電源都能按照用戶的要求進行工作。與此同時，上位機檢測每個電源的工作參數，并實時顯示。陣列電源正常工作的最大難點在于6路電源同步泵浦，激光器同時出光，這樣經過相干合成后的激光光束更集中，能量更強。另外，由于每臺激光器作為負載工作時，對于電源而言，阻抗、容抗等參數均不同，所以每臺電源的工作電壓都不同，故每臺電源都要根據負載情況自動調節高壓，所以電源電壓自適應問題也是需要解決的難點。最后，為保證六路電源均能正常工作，電源保護問題也不可忽略，保護包括過壓保護、過流保護、溫度保護等。

2 陣列電源同步問題

　　由于線路、元器件及激光器晶體泵浦存在一定的延時，由同步信號分配器輸出的驅動信號雖然同步分配到各驅動電源，但最后激光器輸出的脈沖激光并不一定同步，這給6路激光相干合成帶來影響，所以一定要解決輸出激光的同步問題。解決的方法在于每路激光器電源都能延時觸發，并且延時可控。以其中某一臺激光器A1為基準，同時測量A1和另一臺激光器A2產生的脈沖信號。當檢測到A2脈沖比A1超前Δt時，通過程序設定將A2輸出的脈沖延后Δt時間，即可實現A1與A2的同步。以此類推，分別調整A3、A4、A5、A6的觸發延時。具體實現過程可用圖2表示。

      延時長短需要精確可控，該過程通過單片機實現。單片機采用dsPIC30F6012A，內含5個16位定時器，外部晶振采用12 MHz。系統時鐘頻率Fcv=，其中倍頻值選擇8倍頻，可編程分頻值選擇2分頻，故系統時鐘可計算為12 MHz。16位定時器最大計時值為216/(12×106)=5 461 s，最小精度可以達到0.083 s。要實現延時脈沖輸出，延時時間、脈沖寬度和頻率都可控，1路16位定時器完全不夠用，采用的dsPIC30F6012A單片機具有將兩個定時器相連形成32位定時器的功能，這樣最大定時值可以達到357.89 s，符合具體要求。如圖3所示為單個周期內各計數器工作的區間。t1為延時時間，采用1個16位定時器可實現t1的范圍為0.083 s≤t1≤5 461 s，線路及系統本身的延時一般在10 s左右，故1個16位定時器完全滿足要求。t2為輸出的激光脈沖，一般范圍為200~1 000 s，1個16位定時器也可滿足要求。t3=1/T-t1-t2，周期T的范圍為1~20 Hz，故t3必須采用1個32位定時器才能實現。具體的實現過程是在每個計數周期滿時進入相應的定時中斷，并輸出相應的電平，后經過放大整形后送到IGBT的柵極作為整個主回路的驅動，主回路即可相應輸出同相位的驅動電流，供LD泵浦，最終輸出脈沖激光。對于陣列電源而言，根據每臺電源的固有延時不同，只需要改變t1的大小，就能改變t2的起始時刻，實現每臺電源在同一時刻泵浦，即解決了陣列電源的同步問題。

3 電壓自適應

　　激光器驅動電源的原理圖如圖4所示。陣列電源由于每個激光二極管存在差異，在同樣的驅動電流ID情況下，激光二極管作為負載產生的壓降UD均不同，如果每臺驅動電源的直流高壓源的電壓UC都相等，不能自適應，則每臺電源的驅動電流ID也不能保證相等。假設IGBT的導通壓降用UCE表示，采樣電阻的壓降用UR=ID×0.01表示(阻值為0.01 Ω)。由公式UC=UCE+UR+UD可知，當負載壓降UD不同時，只有改變直流電源的電壓UD才能保證每個激光二極管的電流ID不變，這也就是電壓自適應問題。

　　采樣電阻壓降UR=ID×0.01，對每一臺電源而言都相同。當負載壓降UD變化時，直接影響IGBT的導通壓降UCE的變化。圖5是采用的一款IGBT(型號為SKM100-GB12T4)的UCE、UGE、ID的關系圖。當UCE=20 V時，在室溫下，柵源電壓UGE=10 V即可輸出100 A的負載電流ID。此時IGBT處于最佳工作點，因此，只需要檢測UCE的電壓，并通過AD采樣送給單片機進行算法處理，得出直流電源電壓UC的控制量，再經過DA輸出，即可使UC隨著負載UD的變化而變化，從而滿足每臺激光器驅動電流ID不變的目的，實現電壓的自適應。

4 電源故障保護

　　每一臺電源都含有各種保護，包括過壓保護、過流保護、溫度保護。陣列電源的特殊之處在于當某一臺電源發生故障時，其他電源均要獲取故障信息，并同時進行保護。因為陣列電源主要應用于6路激光器相干合成研究中，當其中一臺激光器發生異常，勢必會對其他幾臺激光器產生不可預知的后果，諸如泵浦不均勻、光束質量下降、光斑缺失等。所以，陣列電源的故障保護要協調統一。故障保護的示意圖如圖6所示。當某一臺發生故障時，該臺電源首先切斷高壓直流電源，分析故障類型，并經過串口將故障信息上傳至上位機；上位機根據故障類型判斷需要的動作，進而將相應的動作經過串口傳給其他電源，使其他電源做出反應。

5 結語

　　針對高功率脈沖半導體泵浦激光器相干合成的特殊需要，設計完成6路陣列電源。重點分析陣列電源的同步輸出、電壓自適應和可靠性保護等問題。該6路激光器陣列電源已在“六路激光相干合成”研究中得到應用。經過試驗驗證，同步誤差少于1 s，電壓可完全實現自適應，可靠性工作良好，相干合成后的激光能量可達到35 J。

　　參考文獻

　　[1] 楊紅偉，黃科，陳宏泰，等.高效率大功率連續半導體激光器[J].微納電子技術，2010，47(2)：71-75.

　　[2] 姜曉華，陳瑜.準連續大功率半導體激光器電源[J].長春光學精密機械學院學報，2001，24(3)：1-4．

　　[3] 盧凱，劉百玉，白永林，等.大功率半導體激光器驅動電源的設計[J].紅外與激光工程，2012，41(10)：2680-2684.

　　[4] 李亞維，丁明軍，馬成剛.80 kV可調節高壓脈沖方波脈沖電源的研制[J].強激光與粒子束，2013，25(10)：2742-2746．

　　[5] 閻得科，孫傳東，馮莉，等.高功率窄脈寬半導體激光激勵器設計[J].應用光學，2011，32(1)：165-169．