0 引言

　　半导体泵浦激光器具有转换效率高、输出光束质量好、性能可靠、寿命长等优点，在激光领域得到越来越广泛的应用[1-2]。在军事应用上，高功率脉冲半导体泵浦激光器在激光测距、激光制导、激光雷达甚至激光武器等方面具有重要的应用前景，已成为各国研究的热点[3]。作为半导体泵浦激光器的重要组成部分，其驱动电源的研制也成为重要的核心技术[4]。与连续半导体激光器相比，脉冲半导体激光器驱动电源不仅涉及到电流的恒定与大小，而且要具有脉冲宽度、重复频率、脉冲形状、过冲控制、各种异常保护等功能，设计难度和复杂度大大增加。目前，较为成熟的脉冲半导体激光器驱动电源一般工作电压在300 V以内，工作电流在250 A以下[5]。

　　在激光相干合成技术的研究中，为实现6台脉冲半导体泵浦激光器并联工作，激光器阵列电源的总体技术指标要达到：工作电压0～300 V自适应调整、工作电流0～1 200 A、脉冲宽度200 s～1 000 s、重复频率1 Hz～20 Hz均可任意调整的高电压、大脉冲电流输出。

1 阵列电源的整体设计

　　阵列电源的整体设计如图1所示。

　　各阵列电源的工作是靠上位机控制的，上位机将限压、电流、频率、脉宽、温控等参数通过通信与同步信号分配器传输到各阵列电源。其中，每个电源的工作参数均可不同，通信与同步信号分配器的作用即是将用户指令分配到每个阵列电源，使每个电源都能按照用户的要求进行工作。与此同时，上位机检测每个电源的工作参数，并实时显示。阵列电源正常工作的最大难点在于6路电源同步泵浦，激光器同时出光，这样经过相干合成后的激光光束更集中，能量更强。另外，由于每台激光器作为负载工作时，对于电源而言，阻抗、容抗等参数均不同，所以每台电源的工作电压都不同，故每台电源都要根据负载情况自动调节高压，所以电源电压自适应问题也是需要解决的难点。最后，为保证六路电源均能正常工作，电源保护问题也不可忽略，保护包括过压保护、过流保护、温度保护等。

2 阵列电源同步问题

　　由于线路、元器件及激光器晶体泵浦存在一定的延时，由同步信号分配器输出的驱动信号虽然同步分配到各驱动电源，但最后激光器输出的脉冲激光并不一定同步，这给6路激光相干合成带来影响，所以一定要解决输出激光的同步问题。解决的方法在于每路激光器电源都能延时触发，并且延时可控。以其中某一台激光器A1为基准，同时测量A1和另一台激光器A2产生的脉冲信号。当检测到A2脉冲比A1超前Δt时，通过程序设定将A2输出的脉冲延后Δt时间，即可实现A1与A2的同步。以此类推，分别调整A3、A4、A5、A6的触发延时。具体实现过程可用图2表示。

      延时长短需要精确可控，该过程通过单片机实现。单片机采用dsPIC30F6012A，内含5个16位定时器，外部晶振采用12 MHz。系统时钟频率Fcv=，其中倍频值选择8倍频，可编程分频值选择2分频，故系统时钟可计算为12 MHz。16位定时器最大计时值为216/(12×106)=5 461 s，最小精度可以达到0.083 s。要实现延时脉冲输出，延时时间、脉冲宽度和频率都可控，1路16位定时器完全不够用，采用的dsPIC30F6012A单片机具有将两个定时器相连形成32位定时器的功能，这样最大定时值可以达到357.89 s，符合具体要求。如图3所示为单个周期内各计数器工作的区间。t1为延时时间，采用1个16位定时器可实现t1的范围为0.083 s≤t1≤5 461 s，线路及系统本身的延时一般在10 s左右，故1个16位定时器完全满足要求。t2为输出的激光脉冲，一般范围为200~1 000 s，1个16位定时器也可满足要求。t3=1/T-t1-t2，周期T的范围为1~20 Hz，故t3必须采用1个32位定时器才能实现。具体的实现过程是在每个计数周期满时进入相应的定时中断，并输出相应的电平，后经过放大整形后送到IGBT的栅极作为整个主回路的驱动，主回路即可相应输出同相位的驱动电流，供LD泵浦，最终输出脉冲激光。对于阵列电源而言，根据每台电源的固有延时不同，只需要改变t1的大小，就能改变t2的起始时刻，实现每台电源在同一时刻泵浦，即解决了阵列电源的同步问题。

3 电压自适应

　　激光器驱动电源的原理图如图4所示。阵列电源由于每个激光二极管存在差异，在同样的驱动电流ID情况下，激光二极管作为负载产生的压降UD均不同，如果每台驱动电源的直流高压源的电压UC都相等，不能自适应，则每台电源的驱动电流ID也不能保证相等。假设IGBT的导通压降用UCE表示，采样电阻的压降用UR=ID×0.01表示(阻值为0.01 Ω)。由公式UC=UCE+UR+UD可知，当负载压降UD不同时，只有改变直流电源的电压UD才能保证每个激光二极管的电流ID不变，这也就是电压自适应问题。

　　采样电阻压降UR=ID×0.01，对每一台电源而言都相同。当负载压降UD变化时，直接影响IGBT的导通压降UCE的变化。图5是采用的一款IGBT(型号为SKM100-GB12T4)的UCE、UGE、ID的关系图。当UCE=20 V时，在室温下，栅源电压UGE=10 V即可输出100 A的负载电流ID。此时IGBT处于最佳工作点，因此，只需要检测UCE的电压，并通过AD采样送给单片机进行算法处理，得出直流电源电压UC的控制量，再经过DA输出，即可使UC随着负载UD的变化而变化，从而满足每台激光器驱动电流ID不变的目的，实现电压的自适应。

4 电源故障保护

　　每一台电源都含有各种保护，包括过压保护、过流保护、温度保护。阵列电源的特殊之处在于当某一台电源发生故障时，其他电源均要获取故障信息，并同时进行保护。因为阵列电源主要应用于6路激光器相干合成研究中，当其中一台激光器发生异常，势必会对其他几台激光器产生不可预知的后果，诸如泵浦不均匀、光束质量下降、光斑缺失等。所以，阵列电源的故障保护要协调统一。故障保护的示意图如图6所示。当某一台发生故障时，该台电源首先切断高压直流电源，分析故障类型，并经过串口将故障信息上传至上位机；上位机根据故障类型判断需要的动作，进而将相应的动作经过串口传给其他电源，使其他电源做出反应。

5 结语

　　针对高功率脉冲半导体泵浦激光器相干合成的特殊需要，设计完成6路阵列电源。重点分析阵列电源的同步输出、电压自适应和可靠性保护等问题。该6路激光器阵列电源已在“六路激光相干合成”研究中得到应用。经过试验验证，同步误差少于1 s，电压可完全实现自适应，可靠性工作良好，相干合成后的激光能量可达到35 J。

　　参考文献

　　[1] 杨红伟，黄科，陈宏泰，等.高效率大功率连续半导体激光器[J].微纳电子技术，2010，47(2)：71-75.

　　[2] 姜晓华，陈瑜.准连续大功率半导体激光器电源[J].长春光学精密机械学院学报，2001，24(3)：1-4．

　　[3] 卢凯，刘百玉，白永林，等.大功率半导体激光器驱动电源的设计[J].红外与激光工程，2012，41(10)：2680-2684.

　　[4] 李亚维，丁明军，马成刚.80 kV可调节高压脉冲方波脉冲电源的研制[J].强激光与粒子束，2013，25(10)：2742-2746．

　　[5] 阎得科，孙传东，冯莉，等.高功率窄脉宽半导体激光激励器设计[J].应用光学，2011，32(1)：165-169．