CN116759881A - 一种实现opt均匀方波输出的脉冲激光电源 - Google Patents

Abstract

一种实现OPT均匀方波输出的脉冲激光电源，涉及脉冲激光电源技术领域，解决现有常规OPT设备存在激光功率不稳和设备在使用一段时间后会出现激光能量不足以及充电电源故障较多等问题。本发明通过控制充电电源对储能电容进行充电，同时读取储能电容反馈的实时电压；在设定时间内储能电容电压达到设定值后，则根据上位机输出的脉冲放电命令，控制脉冲驱动单元执行脉冲放电回路；当能量输出设定值减小或者长短脉冲切换放电时，调节储能电容电压值下降至设定值，电源控制板输出泄放命令，控制主动泄放电单元，对储能电容进行放电，并实时读取储能电容的电压值，达到设定之后停止泄放。本发明将长短脉冲激光集合到一台设备，降低成本，操作方便。

Description

一种实现OPT均匀方波输出的脉冲激光电源

技术领域

本发明涉及一种脉冲激光电源，特别涉及一种实现OPT均匀方波输出的脉冲激光电源。

背景技术

普通类型的激光电源应用在长脉冲激光时，输出的脉冲波形不规则，能量前高后低，高能量区域会造成皮肤灼伤，低能量区域的应用效果不明显，整体使用效果较低同时安全性得不到保证。为了解决普通电源型激光电源存在的上述问题，人们引入了完美脉冲的概念，即：OPT技术，OPT是一种均匀的方形信号，可在应用过程中全程进行有效控制：消除起始部分超出使用能量的峰值，提高了尾部低于使用能量部分的能量值，从而得整个应用过程中脉冲前后形成均匀的方波，但是常规OPT设备，存在如下问题：

1、为保证输出能量较为平直，采用了极大的储能电容，以保证在放电过程中储能电容产生的压降较低，从而使输出的波形接近方波。但是需要大能量输出时就无法保证储能电容电压下降范围较小，也就得不到接近平直的方波了。

2、由于在放电过程中注入氙灯的能量不受控，所以为防止瞬间能量过大，储能电压不宜过高，从而很多参数的能量点无法得到，如短脉冲的峰值功率不足。

3、放电脉宽不受控，长脉冲应用中，能量波形首脉冲过高而次脉冲能量又会不足。

4、放电环境不受控，回路电子元器件受到极大冲击，容易烧毁，造成设备工作不稳定。

5、长脉冲大能量放电过程中由于放电过程不受控会出现短时间内注入到氙灯的能量过大，从而导致氙灯的碎裂。

6、能量标定不准确，通常情况会根据激光器的光电效率，调整储能电容的电压值，以便调整注入的电功率从而得到想要的激光功率，但是激光器的光电效率随着使用的时间推移会有一定的衰减，同时储能电容的容值随着时间的推移也会出现减小的问题，另外设备在使用过程中对充电电压值的准确度要求极高，以便通过调整电压值来得到不同的激光功率。因此，常规OPT设备存在激光功率不稳和设备在使用一段时间以后会出现激光能量不足以及充电电源故障较多问题。

7、长脉冲激光和短脉冲激光在使用中存在配合使用的问题，常规OPT设备只能单纯的输出长脉冲激光或者短脉冲激光，在配合使用长短脉冲激光时，就需要准备两台设备，使用成本大大提高。

发明内容

本发明提供一种实现OPT均匀方波输出的脉冲激光电源，直接采用输出激光能量大小作为反馈自动动态调整电路注入能量，从而得到稳定输出的激光能量。

一种实现OPT均匀方波输出的脉冲激光电源，所述脉冲激光电源包括电源控制板、充电电源、氙灯预燃板、辅助电源板、储能电容、长脉冲驱动单元、短脉冲驱动单元、光反馈采样单元和主动泄放电单元；

电网电源为充电电源和辅助电源板供电，辅助电源板工作后为充电电源提供辅助电源，为电源控制板提供工作电源，为氙灯预燃板提供辅助电源和工作电源；所述电源控制板的供电电源正常后，与上位机通讯，并读取上位机设定的参数和命令，控制氙灯预燃板预燃氙灯；

控制充电电源对储能电容进行充电，同时读取储能电容反馈的实时电压；

在设定的时间内储能电容的电压达到设定值后，则根据上位机输出的长脉冲放电命令或短脉冲放电命令，对应控制长脉冲驱动单元或短脉冲驱动单元对应执行长脉冲放电回路或短脉冲放电回路；

当能量输出设定值减小或者长脉冲放电切换为短脉冲放电时，调节储能电容电压值下降至设定值，电源控制板输出泄放命令，控制主动泄放电单元，对储能电容进行放电，并实时读取储能电容的电压值，达到设定之后停止泄放。

本发明的有益效果：

1、本发明所述的脉冲激光电源，脉宽受控；脉冲幅值受控；输出能量受控。

2、本发明所述的脉冲激光电源，储能电容的容量可以得到充分有效利用，不用通过加入更多的储能电容来保证输出脉冲的平直度，只需要保证储能电容可以提供满足激光器所需能量即可。

3、本发明方法中，储能电压提高，短脉冲能量可以大幅提高，应用范围进一步提高。

4、本发明方法中，鉴于长脉冲激光在使用中有需要短脉冲激光配合应用的情况，本发明可以将长短脉冲激光集合到一台设备，降低成本，操作方便。

5、本发明通过光反馈采样单元，设备直接采用输出激光能量大小作为反馈来自动动态调整电路注入能量，从而得到稳定输出的激光能量。这种闭环反馈设计大大降低了对充电电源的充电准确度要求，并减少了设备后续的运营维护成本。在激光器光电效率出现衰减后，设备会自动调节注入能量以保持稳定的输出激光能量，而不需要频繁找专业人士进行设备维护。

附图说明

图1为本发明所述的一种实现OPT均匀方波输出的脉冲激光电源的组成结构示意图。

图2为长短脉冲放电回路图。

图3为长脉冲放电回路图。

图4为短脉冲放电回路图。

图5为100mS脉宽激光波形示意图。

图6为5mS脉宽激光波形示意图。

图中，1、电源控制板；2、充电电源；3、氙灯预燃板；4、辅助电源板；5、储能电容；6、续流电感；7、长脉冲驱动单元；8、短脉冲驱动单元；9、电流采样单元I；10、电流采样单元II；11、光反馈采样单元；12、主动泄放电单元；13、氙灯。

具体实施方式

结合图1至图6说明本实施方式，一种实现OPT均匀方波输出的脉冲激光电源，包括电源控制板1、充电电源2、氙灯预燃板3、辅助电源板4、储能电容5、续流电感6、长脉冲驱动单元7、短脉冲驱动单元8、电流采样单元I 9、电流采样单元II 10、光反馈采样单元11、主动泄放电单元12和氙灯13；

如图1所示，脉冲激光电源结构组成图，此流程图中的空心箭头代表强电回路，细线箭头代表弱电及控制信号。网电源给充电电源2和辅助电源板供电4，辅助电源板4工作后会给充电电源2提供辅助电源；给电源控制板1提供工作电源；给氙灯预燃板3提供辅助电源和工作电源(用于氙灯预燃工作使用)电源控制板1的供电电源正常后，可与上位机通讯，并读取上位机操作者设定的相关参数和命令，开始控制各部分工作：

控制氙灯预燃板3预燃氙灯13；控制充电电源2对储能电容5进行充电，同时读取储能电容5反馈的实时电压；在规定时间内储能电容5的电压达到设定值后，会根据上位机给出的相关放电命令(包含长脉冲放电和短脉冲放电)，在长脉冲放电过程中，给长脉冲驱动单元发出相关的设定值和放电命令，形成上述长脉冲驱动单元工作简介中的放电方式；短脉冲放电工作方式为上述短脉冲放电的工作方式。

在能量输出设定值减小或者长脉冲放电切换为短脉冲放电的时候，涉及到充电电压的下降时，需要调节储能电容5电压值下降至设定值，电源控制板1会放出相关泄放命令，控制主动泄放电单元12，对储能电容5进行放电，并实时读取储能电容5的电压值，达到设定之后停止泄放。

本实施方式中，所述电源控制板1负责与上位机通讯，控制电源内部其他单元执行相关工作，并监测其他单元工作状态；所述充电电源通过市电网电源(220VAC)供电，根据所述电源控制板1给出的命令，转换为0-800VDC，并存储在储能电容中，要求：充电电源给储能电容，要有抗短路的能力，根据整机设备的使用参数，要求其充电能力在输出0-800VDC的内输出功率在3KW以上。

所述氙灯预燃板3由上述辅助电源板4供电，接收电源控制板1发出的预燃使能信号，并反馈给电源控制板1相应预燃状态信号；辅助电源板4输入电网电源，给上述各个单元提供工作用的辅助电源。

所述储能电容5为氙灯13放电提供充足的能量，其特点是可以在短时间内完成大能量的输出；续流电感6在氙灯13处于OPT放电过程中存储和提供能量，使氙灯放电处于可控状态。

所述长脉冲驱动单元7，收到电源控制板设定的放电脉宽和幅值后，通过读取光反馈采样单元反馈的实时激光强度信号，控制放电回路放电与否，以达到输出OPT方波的目的；短脉冲驱动单元8，可以根据使用要求，进行短脉冲放电，在操作者切换为短脉冲放电后，电源控制板1中有硬件电路实时检测储能电容电压值，小于安全电压之后才能正常放电，以便对氙灯起到保护，防止出现过高电压状态下放电发生氙灯碎裂的问题。

所述电流采样单元I 9和电流采样单元II 10，实时反馈给上述长脉冲驱动单元7和短脉冲驱动单元8以及电源控制板1放电回路的电源值大小，以便相关单元在电流值过大时作出保护动作，其中电流采样单元I 9，读取实时电流值后反馈到长脉冲驱动单元7，长脉冲驱动单元7通过读取相关数值，判断实时电流，当电流超过设定的最大电流值后，长脉冲驱动单元7控制图3中的V1，停止放电工作，以起到对回路电子元器件的过流保护作用；电流采样单元II 10，实时监控氙灯放电的电流，反馈到电源控制板2，提供给上位机。

所述光反馈采样单元11安装在设备固定位置，实时把激光强度以电压值的形式反馈给上述电源控制板1和长脉冲驱动单元7，采用光反馈作为氙灯放电控制的依据，在设备使用老化过程中激光效率逐渐降低，设备会自适应的调整注入的电能，以调整输出的激光功率满足设定要求，不会出现输出能量的衰减。

所述主动泄放电单元，当储能电容电压超出设定值得时候，根据电源控制板1的控制，对储能电容5进行泄放；或者在整机设备断电后，自动将储能电容电压进行放电工作。

如图2所示，鉴于长脉冲激光在使用中有需要短脉冲激光配合使用的情况，本实施方式可以将长短脉冲激光集合到一台设备，降低成本，操作方便。图2为长短脉冲放电回路图：长脉冲放电回路和短脉冲放电回路集成在一个激光电源内部，作为两个相互独立的系统，共同受到电源控制板的控制；两路放电回路可以服务于同一只氙灯，共用激光电源的其他部分包括：充电电源2、电源控制板1，辅助电源板4、储能电容5等，既能节省了空间和成本，还能丰富设备的功能性和实用性。

如图3所示，图3为长脉冲放电回路图：长脉冲驱动单元由长脉冲驱动板和IGBT管V1；储能电容5为氙灯的放电提供能量，在长脉冲驱动板收到电源控制板1给出的设定值和出光命令后，控制V1导通，储能电容提供的电能，通过氙灯13和续流电感L1分别转换为光和电磁能量(存储在续流电感L1中)；整个回路经由储能单元的正极-氙灯XD-电流采样单元I-续流电感L1-防反二极管DP2-V1-储能电容的负极GND，形成回路此工作过程为t0；光反馈采样单元11实时反馈给长脉冲驱动板光强度，当长脉冲驱动板读取的光反馈采样单元11反馈的电压值达到设定目标后会停止给V1发出驱动信号；

在经过一个固定时间t1内不再给V1发送驱动信号，在此时间段，氙灯13的能量由续流电感L1中存储的电磁能提供，此时的放电回路为：氙灯-续流电感L1-防反二极管DP2-续流二极管DP1；在此过程中输出的激光能量会逐渐减小，在经历t1时间后,长脉冲驱动板会再次给出驱动信号驱动V1导通，再形成放电环路：储能电容5的正极-氙灯XD-电流采样单元I-续流电感L1-防反二极管DP2-V1-储能电容5的负极GND，由储能电容5给放电回路提供能量，续流电感L1再次加大能量存储，直至长脉冲驱动板读取的光反馈值达到设定目标后会停止给V1发出驱动信号此时间为t2；

重复经历t1-t2时间段工作状态；综上在长脉冲放电时间区间内的工作流程为:刚开始第一个区间段为：t0,；之后重复t1和t2,直至完成本次长脉冲放电，即：t0-t1-t2-t1-t2……调整频率在20KHZ以上，由于调整的频率足够高，所以每个工作周期会非常短，激光的实时功率变化量很小，不会影响实际输出的激光波形有效值和实际应用效果。其中，电流采样单元I实时的将回路电流值反馈到长脉冲驱动板，当环路电流过大时，长脉冲驱动板会关闭V1，阻止储能电容的能量继续注入到回路中，起到对整个回路的保护作用。长脉冲放电得到的激光波形如图5。

如图4所示，如图4为短脉冲放电回路图，短脉冲驱动板收到出光信号后，开始驱动IGBT管V2导通，放电回路为：上述的储能电容的正极-氙灯XD-IGBT管V2-储能单元的负极GND；直至短脉冲放电结束，结束瞬间的续流环路为：氙灯以及环路导线和续流二极管DP3，防止出现过高的关断过电压(di/dt)烧毁IGBT管V2。短脉冲放电得到的激光波形如图6。

本实施方式所述的脉冲激光电源，标定方法简单准确，设备正常装配后，光反馈采样单元位置调整好后，采样的参数比也就固定了。首先根据外置标准能量计测试某个设定参数的实时输出的能量值，然后通过测出的能量值与激光的脉冲宽度比值，可以得到此脉冲平均激光功率值，由于此设备是OPT技术，所以此平均值就是在此参数下的激光功率的光反馈实时值。按照这个方法，再测出一个点的功率值对应的反馈值，由于光反馈的电压值与实际的激光功率值是线性对应的，所以根据这两个点的数据，可以得到实际的激光功率值与光反馈电压值的函数关系式。在标定过程中，首先根据目标能量和输出脉冲的目标宽度，计算出该设定值的实际输出的激光实时功率，再根据这个实时功率值就可以计算出光反馈电压值，使用这个计算出来的光反馈电压值作为相应的给定值，就可以完成不同参数的标定。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种实现OPT均匀方波输出的脉冲激光电源，其特征是：所述脉冲激光电源包括电源控制板(1)、充电电源(2)、氙灯预燃板(3)、辅助电源板(4)、储能电容(5)、长脉冲驱动单元(7)、短脉冲驱动单元(8)、光反馈采样单元(11)和主动泄放电单元(12)；

电网电源为充电电源(2)和辅助电源板(4)供电，辅助电源板(4)工作后为充电电源(2)提供辅助电源，为电源控制板(1)提供工作电源，为氙灯预燃板(3)提供辅助电源和工作电源；所述电源控制板(1)的供电电源正常后，与上位机通讯，并读取上位机设定的参数和命令，控制氙灯预燃板(3)预燃氙灯(13)；

控制充电电源(2)对储能电容(5)进行充电，同时读取储能电容(5)反馈的实时电压；

在设定的时间内储能电容(5)的电压达到设定值后，则根据上位机输出的长脉冲放电命令或短脉冲放电命令，对应控制长脉冲驱动单元(7)或短脉冲驱动单元(8)对应执行长脉冲放电回路或短脉冲放电回路；

当能量输出设定值减小或者长脉冲放电切换为短脉冲放电时，调节储能电容(5)电压值下降至设定值，电源控制板(1)输出泄放命令，控制主动泄放电单元(12)，对储能电容(5)进行放电，并实时读取储能电容(5)的电压值，达到设定之后停止泄放。

2.根据权利要求1所述的一种实现OPT均匀方波输出的脉冲激光电源，其特征在于：所述脉冲激光电源还包括续流电感、电流采样单元I(9)和电流采样单元II(10)；所述电流采样单元I(9)和电流采样单元II(10)实时反馈给长脉冲驱动单元(7)和短脉冲驱动单元(8)电流；并实时向电源控制板(1)反馈实时放电回路的电流值大小；

所述电流采样单元I(9)，读取续流电感的实时电流值后反馈到长脉冲驱动单元(7)，长脉冲驱动单元(7)判断实时电流，当电流超过设定的最大电流值后，长脉冲驱动单元(7)控制放电回路停止放电工作；

电流采样单元II(10)，实时监控氙灯(13)放电的电流，并反馈到电源控制板(2)，提供给上位机。

3.根据权利要求2所述的一种实现OPT均匀方波输出的脉冲激光电源，其特征在于：所述脉冲激光电源还包括光反馈采样单元(11)，所述光反馈采样单元(11)实时将激光强度以电压值的形式反馈给所述电源控制板(1)和长脉冲驱动单元(7)，采用光反馈信号作为氙灯放电控制的依据；

在长脉冲放电过程中，所述长脉冲驱动单元(7)接收电源控制板(1)设定的放电脉宽和幅值后，通过读取光反馈采样单元(11)实时反馈的激光强度信号，控制长脉冲驱动单元的放电回路是否放电，以实现输出OPT方波。

4.根据权利要求3所述的一种实现OPT均匀方波输出的脉冲激光电源，其特征在于：所述脉冲激光电源还包括续流二极管DP1和防反二极管DP2；所述长脉冲放电单元由长脉冲放电驱动板和IGBT管V1；

所述长脉冲放电回路的放电方式为：

储能电容(5)为氙灯(13)的放电提供能量，在长脉冲驱动板收到电源控制板(1)给出的设定值和出光命令后，控制IGBT管V1导通，储能电容(5)提供的电能，通过氙灯(13)和续流电感分别转换为光信号和电磁能量；长脉冲放电回路经由储能电容(5)的正极、氙灯(13)、电流采样单元I(9)、续流电感、防反二极管DP2、IGBT管V1、储能电容(5)的负极，同时光反馈采样单元(11)实时反馈给长脉冲驱动板激光强度信号，当长脉冲驱动板读取的光反馈采样单元(11)反馈的电压值达到设定目标值后，停止给IGBT管V1发出驱动信号，此时间段为t0；

在t0时间段结束开始，会有一个固定时间t1,在t1时间段内长脉冲驱动板不再给IGBT管V1输出驱动信号，在所述固定时间t1的时间段中，氙灯(13)的能量由续流电感中存储的电磁能提供，此时的放电回路为：氙灯(13)、续流电感(6)、防反二极管DP2、续流二极管DP1；

经过固定时间t1后，长脉冲驱动板再次输出驱动信号驱动IGBT管V1导通，再形成放电回路：储能电容(5)的正极、氙灯(13)、电流采样单元I(9)、续流电感(6)、防反二极管DP2、IGBT管V1、储能电容(5)的负极，由储能电容(5)给放电回路提供能量；

增加存储在续流电感的电磁能量，直至长脉冲驱动板读取的光反馈采样单元11反馈的电压值达到设定目标值后会停止给IGBT管V1输出驱动信号，此时间作为t2；重复t1和t2时间段的工作状态。

5.根据权利要求1所述的一种实现OPT均匀方波输出的脉冲激光电源，其特征在于：所述短脉冲驱动单元(8)包括短脉冲驱动板和IGBT管V2，短脉冲放电回路的放电方式为：

短脉冲驱动板接收光信号后，驱动IGBT管V2导通，放电回路为：储能电容(5)的正极、氙灯、IGBT管V2、储能电容的负极；直至短脉冲放电结束，结束瞬间的续流回路为：氙灯、回路导线、续流二极管DP3。

6.根据权利要求1所述的一种实现OPT均匀方波输出的脉冲激光电源，其特征在于：所述长脉冲放电回路和短脉冲放电回路集成在一个激光电源内部，作为两个相互独立的系统，共同由电源控制板控制。

7.根据权利要求1所述的一种实现OPT均匀方波输出的脉冲激光电源，其特征在于：所述充电电源输出0-800VDC的电源，输出功率在3KW以上。