浅谈YAG激光器中的电源节能技术

精品文档-下载后可编辑浅谈YAG激光器中的电源节能技术【摘要】随着现代特种加工技术的不断发展，以及激光技术的广泛应用，YAG激光器以YAG晶体为基质，技术与工艺均较为成熟，在工业及医疗等领域的应用日趋广泛。但是YAG激光器在实际应用中却存在光电效率低、无故障寿命较短等问题，严重影响到其实际应用范围与效果。因此，加强对于其电源节能技术的研究与实践是十分必要的。本文从现代激光技术的角度出发，简要分析了YAG激光器电源节能技术的相关问题。

【关键词】YAG激光器；电源；节能技术

在现代工业激光、医疗激光等研究领域中，YAG激光器均是其重要的分支，加强对于其设计、加工及应用中相关技术问题的深入研究与探讨，对于现代激光技术的创新与发展具有重要的意义。在YAG激光器的应用中，光电效率低、无故障寿命较短等问题是不容忽视的，客观限制了其推广与应用。因此，在今后的技术研究工作中，必须注重YAG激光器电源节能的问题，以实现耗能少、无故障寿命长的基本要求。

1、YAG激光器的工作原理及对于电源的基本性能要求

在YAG激光器光源的选择中，气体连续放电灯管因具有良好的性能而成为首先，此类激光灯管必须配备专业的电源才能保证稳定、安全、高效工作。YAG激光器的工作原理为：YAG激光器普遍是采用气体放电灯激励的，较为常见的YAG连续激光器多是应用连续氖灯泵浦，在满负荷情况下试灯的使用寿命约为200h，在70%的负荷下使用寿命约为1000h。一般情况下，YAG激光器采用灯激励每秒几十次重复频率的激光器，其最大峰值功率可达几百兆瓦，连续输出的最高功率已超过1000W，串联激光器的连续输出功率可达数千瓦。YAG激光器应用的电源为专用电源，其基本性能要求主要包括以下几方面：

1.1气体放电电流波纹应尽可能小，在激光打标、精密加工等过程中，对于激光功率的稳定性要求较为严格，由于受到热惯性作用的影响，激光灯所输出的激光功率波纹会明显低于激光灯管气体放电电流波纹，所以，YAG激光器的电源必须具有理想的高频及低频波纹抑制与调节功能，以实现对于气体放电电流波纹的有效调控。比如在精细网纹辊的精细打孔工业中，必须要求极其优异的接近衍射极限的光束质量，标准的TEM00单模输出，输出波长为1.06微米，单脉冲能量1MJ，准直后光束直径10mm，M21.8，光束发散角0.24mrad；经焦距为50mm的透镜聚焦后，光斑直径可以小于6微米（只有多模的Nd:YAG激光器的1/10左右），工作点的峰值功率密度非常高，达109W/cm2,使20瓦平均功率的脉冲光纤激光器用于激光制辊时的效果超过平均功率100瓦的YAG激光器，才可以适合于进行精细网纹辊的精细打孔等应用。

1.2提升引燃灯管的可靠性，并且保证其平滑的过渡至连续放电状态，由于YAG激光器的引燃系统、恒流系统共用一个输出，应特别注意的是在引燃过程中，必须关注恒流控制系统的安全性问题。

1.3大功率、高效率、节能，根据国家的相关规定与要求，要求YAG激光器专用电源的实际工作效率必须保持在93%以上。

1.4软启动的特性，在初次进行电源与启动连接时，电源的输入电流必须小于负荷电流，应避免对于电网产生任何冲击。

1.5高精度、快速的电流跟踪能力，YAG激光器是否输出激光或者激光输出功率的大小，主要是由流经激光灯管的电流量决定。因此，在YAG激光器的设计中，必须采取有效的措施进行输出电流的调控，并且注重输出电流与电流给定信号的快速跟随。在激光功率调定电流的情况下，激光灯管的直流电流必须稳定在调定电流的范围内。

1.6全方位保护性，YAG激光器的电源必须保证安全性与可靠性，因为一旦出现电源质量或安全问题，极有可能导致整套激光设备处于瘫痪状态，所以，在YAG激光器的设计中，必须对于电源采取全方位保护性的措施，例如：输出/输入保险管、电压电流保护、电源监测保护、频率快速保护及双重电流保护等。

2、YAG激光器中的电源节能技术分析

YAG激光器的电源系统主要由开关型主电源电路、CPU控制电路、预燃电源电路、触发电源电路、储能电容放电时间控制电路等组成（见图1）。泵浦氪灯作为整个YAG激光器电源的负载，根据气体氪灯的伏安特性要求，氪灯必须保证有效点燃，进而产生泵浦光波。YAG激光器电源的基本工作流程为：1）触发电源部分提供的高压（约为2万千伏），电离击穿激光灯管内的惰性氪气，以实现触发；2）在电离触发过程中，输出电压（约为2千伏）的预燃电源部分，促使氪灯处于低燃弧预燃的状态；3）打开晶体管开关，使得储能电容器内部的主电源能量迅速通过氪灯，以形成放电回路，氪灯此时处于强辉光放电的状态。以国内自主生产的某品牌YAG激光器为例，对比传统的电源形式，笔者提出了具体的节能改造措施。

2.1常用的YAG激光器电源形式

本款YAG激光器的氪灯采用原有电源，点灯的可靠性为96%，维持电流为45A。在500h出现偶尔熄灯的现象，氪灯寿命约为900h。在维持电流＜3.6A的情况下，激光器基本上无法保持正常工作。

2.2YAG激光器电源的节能技术改造

在本款YAG激光器的节能技术改造中，采用新型的节能电源，符合其节能运行的相关要求。经过节能技术改造后，其点灯可靠性为99.6%，维持电流为0.5A，1200h出现偶尔熄灯的现象，氪灯寿命延长至1800h，有效降低了待机电流，并且提高了点灯的高可靠性。本款YAG激光器的电源节能技术改造后，取得了较为良好的实际效果，具体表现为：1）YAG激光器的电源耗能明显减少，约为改造前的1/4左右；2）YAG激光器的无故障运行时间明显延长，氪灯的使用寿命延长平均近一倍；3)YAG激光器的实际功耗明显下降，出激光时间约为总开机时间的20%左右，能耗下降40%左右，激光器自身的发热量也明显降低。

总之，YAG激光器电源节能的问题是十分重要的，为了