KR100821563B1 - 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의ｑ-스위칭 드라이버 - Google Patents

고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의ｑ-스위칭 드라이버 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고압펄스의 스위칭 속도를 수 나노초(ns) 대의 고속으로 수행할 수 있도록 하며 포켈스 셀의 온도상승에 따라서 최적 고압치의 보상 제어를 수행할 수 있도록 하기에 적당하도록 한 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, DC 전압을 발생하는 전원공급부(110), 상기 전원공급부(110)에 의해서 발생된 DC전압을 승압하여 고압 직류전압을 출력하는 고압직류전압발생부(120), 레이저발진용 매질체로부터 발진되는 레이저광의 에너지 준위를 높이기 위하여 나노초(ns) 대의 스위칭 동작을 수행하기 위한 발진주파수를 생성하는 여진회로부(150), 상기 여진회로부(150)에 의해서 생성된 발진주파수에 따라서 나노초(ns) 대의 스위칭동작을 수행하는 고압스위칭부(160), 상기 고압스위칭부(160)의 스위칭동작에 따라서 상기 고압직류전압발생부(120)의 고압 직류전압을 부(-)의 고압으로 반전하는 '고압 위상 반전부'(170), 상기 '고압 위상 반전부'(170)에 의해서 위상 반전된 부의 고압 펄스를 전달하고, 상기 고압스위칭부(160)의 고속 스위칭동작에 의한 링깅(Ringing)이 나타나는 것을 상쇄하기 위하여 임피던스 매칭을 수행하는 '임피던스 매칭 및 고압펄스 전달부'(180), 상기 '임피던스 매칭 및 고압펄스 전달부'(180)로부터 인가되는 고압 펄스에 따라서 레이저발진용 매질체로부터 발진되는 레이저광을 선택적으로 통과시키는 포켈스 셀(190)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 구성에 의하면, 고압펄스의 스위칭 속도를 수 나 노초(ns) 대의 고속으로 수행할 수 있는 이점이 있다.
의료용 레이저, 레이저 발생장치, 포켈스 셀, Q-스위칭, 온도보상

Description

고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Ｑ-스위칭 드라이버{Q-Switching Driver for LASER Device Generating LASER with High Power }
본 발명은 의료용 레이저 발생장치의 Q-스위칭 드라이버에 관한 것으로, 특히 제품 신뢰성을 높이고 고압펄스의 스위칭 속도를 수 나노초(ns) 대의 고속으로 수행할 수 있도록 하며 포켈스 셀의 온도상승에 따라서 최적 고압치의 보상 제어를 수행할 수 있도록 하기에 적당하도록 한 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버에 관한 것이다.
의료용 레이저 발생장치에 있어서, 치료 목적에 따라서 에너지 준위가 매우 높은 반면에 광 출력펄스의 기간이 매우 짧은 형태로 발진시키는 경우가 있는데, 이와 같은 목적으로 사용되는 부속장치를 통칭 Q-스위칭 드라이버(Q-Switching Driver)라고 칭한다.
레이저 발진용 매질체가 강력한 섬광으로 여기되면 레이저가 발생될 수 있는 임계 상태에 도달하여 레이저가 발생되고 증폭작용이 일어난다.
그러나 이와 같은 임계상태를 넘었다고 하여도 레이저 광의 진행로를 차단하였을 경우에는 레이저 발진은 일어나기 어렵다.
이와 같이 광 진행로를 차단하고 있다가 매질체가 극도로 여기된 시점에서 대단히 빠른 속도로 상기 차단 조건을 제거하였을 때 대단히 큰 에너지 준위에 의하여 강력한 레이저 광이 발생하게 된다.
상기와 같은 기능을 발휘할 수 있는 부속장치로써 포켈스 셀(Pockels Cell)이라고 하는 크리스탈 셀(Crystal Cell)로 제작된 레이저광의 셔터 장치가 있다.
이러한 포켈스 셀은 크리스탈 셀의 편파작용에 의하여 셔터 역할을 할 수 있는 장치로서 크리스탈의 전극에 약 3~5kV 정도의 고전압을 인가하면 수평 또는 수직 편파의 레이저광이 통과하고 전압인가를 제거하면 광이 통과할 수 없도록 작용하며 또는 그 반대로서도 작용할 수 있다.
상기와 같이 포켈스 셀을 작동하는 고전압을 대단히 빠른 속도로 스위칭(온-오프) 동작을 수행할 수 있는 장치를 전술한 바와 같이 Q-스위칭 드라이버라고 한다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술에 의한 일반적인 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버는 다음과 같은 문제점이 있었다.
첫째, 약 4kV의 직류고압을 발생하기 위하여 종래에는 고압변성기를 사용하였으나, 이는 고압 권선층간의 절연 확보가 어렵고 절연파괴 등의 고장이 빈발하였으며 고압변성기의 크기가 커지는 단점이 있었다.
둘째, 종래에는 고압 스위칭 펄스의 스위칭속도가 수 십 나노초(ns) 대에 불과하여 고속화가 어려웠다.
셋째, 고압펄스를 전달하는 과정에서 링깅(Ringing)이 발생하는 문제점이 있 었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로 본 발명에 의한 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버의 목적은, 첫째 고압변성기의 채용 없이도 간단한 구성에 의해서 직류고압을 발생할 수 있어서 제품의 신뢰성을 향상시키고 장치의 크기를 경박단소화 할 수 있도록 하며, 둘째 고압 스위칭 펄스의 스위칭속도를 수 나노초(ns) 대로 고속화할 수 있도록 하며, 셋째 고압 스위칭 펄스의 전달매체로서 동축케이블을 채용함으로써 펄스 특성의 균일화를 구현할 수 있음은 물론 임피던스를 매칭함으로써 불필요한 링깅(ringing)을 제거할 수 있도록 하며, 넷째 고압 스위칭 펄스의 전달매체로서 동축케이블을 사용함으로써 EMI의 방출을 효과적으로 감소시킬 수 있도록 하며, 다섯째 포켈스 셀의 온도상승에 따른 최적 고압치의 보상을 수행할 수 있도록 하며, 고압상승 제한부의 구성에 의해서 온도 보상에 따른 고압의 상승에도 불구하고 안전을 구현할 수 있도록 하며, 일곱째 직류배압부의 구성에 의해서 고압 발생의 용이성을 구현할 수 있도록 하기에 적당하도록 한 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버는, DC 전압을 발생하는 전원공급부, 상기 전원공급부에 의해서 발생된 DC전압을 승압하여 고압 직류전압을 출력하는 고압직류전압발생부, 레이저발진용 매질체로부터 발진되는 레이저광의 에너지 준위를 높이기 위하여 나노초(ns) 대의 스위칭 동작을 수행하기 위한 발진주파수를 생성하는 여진회로부, 상기 여진회로부에 의해서 생성된 발진주파수에 따라서 나노초(ns) 대의 스위칭동작을 수행하는 고압스위칭부, 상기 고압스위칭부의 스위칭동작에 따라서 상기 고압직류전압발생부의 고압 직류전압을 부(-)의 고압으로 반전하는 '고압 위상 반전부', 상기 '고압 위상 반전부'에 의해서 위상 반전된 부의 고압 펄스를 전달하고, 상기 고압스위칭부의 고속 스위칭동작에 의한 링깅(Ringing)이 나타나는 것을 상쇄하기 위하여 임피던스 매칭을 수행하는 '임피던스 매칭 및 고압펄스 전달부', 상기 '임피던스 매칭 및 고압펄스 전달부'로부터 인가되는 고압 펄스에 따라서 레이저발진용 매질체로부터 발진되는 레이저광을 선택적으로 통과시키는 포켈스 셀를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명인 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 약 4kV의 직류고압을 발생하기 위하여 종래와 같이 특수의 고압변성기를 채용할 필요가 없이 다이오드 및 콘덴서 등의 일반화된 간단한 소자의 조합으로 승압회로를 구성함으로써, 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며 또한 장치의 크기를 경박단소화할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 고압 스위칭 펄스의 스위칭속도가 종래의 수 십 나노초(ns)에서 수 나노초(ns) 대로 고속화할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 고압 스위칭 펄스의 전달매체로서 동축케이블을 채용함으로써, 펄스 특성의 균일화를 구현할 수 있음은 물론, 임피던스를 매칭함으로써 불필요한 링깅(ringing)을 1% 이하로 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
넷째, 고압 스위칭 펄스의 전달매체에서 EMI 현상에 의한 잡음의 방출이 많았으나 본 발명의 경우에는 동축케이블을 사용함으로써 EMI의 방출을 효과적으로 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
다섯째, 포켈스 셀의 온도상승에 따른 최적 고압치의 보상을 수행할 수 있는 효과가 있다.
여섯째, 고압상승 제한부의 구성에 의해서, 온도 보상에 따른 고압의 상승에도 불구하고 안전을 구현할 수 있는 효과가 있다.
일곱째, 직류배압부의 구성에 의해서 고압 발생의 용이성을 구현할 수 있는 효과가 있다.
다음은 본 발명인 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 기초로 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 의한 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버의 블록 구성도가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버는, DC 전압을 발생하는 전원공급부(110)와, 상기 전원공급부(110)에 의해서 발생된 DC전압을 승압하여 고압 직류전압을 출력하는 고압직류전압발생부(120)와, 레이저발진용 매질체로부터 발진되는 레이저광의 에너지 준위를 높이기 위하여 수 나노초(ns) 대의 스위칭 동작을 수행하기 위한 발진주파수를 생성하는 여진회로부(150)와, 상기 여진회로부(150)에 의해서 생성된 발진주파수에 따라서 나노초(ns) 대의 빠른 스위칭동작을 수행하는 고압스위칭부(160)와, 상기 고압스위칭부(160)의 스위칭동작에 따라서 상기 고압직류전압발생부(120)의 고압 직류전압을 부(-)의 고압으로 반전하는 '고압 위상 반전부'(170)와, 상기 '고압 위상 반전부'(170)에 의해서 위상 반전된 부의 고압 펄스를 전달하고, 상기 고압스위칭부(160)의 고속 스위칭동작에 의한 링깅(Ringing)이 나타나는 것을 상쇄하기 위하여 임피던스 매칭을 수행하는 '임피던스 매칭 및 고압펄스 전달부'(180)와, 상기 '임피던스 매칭 및 고압펄스 전달부'(180)로부터 인가되는 고압 펄스에 따라서 레이저발진용 매질체로부터 발진되는 레이저광을 선택적으로 통과시키는 포켈스 셀(190)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 전원공급부(110)는, 예컨대 15V의 DC SELV(safety extra low voltage) 전원으로 구성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 고압직류전압발생부(120)는, 전원공급부(110)로부터 공급된 직류전압을 배압하는 직류배압부(122)와, 상기 직류배압부(122)에 의해서 배압된 직류전압을 고주파 펄스폭 변조 스위칭 동작을 수행하며 승압된 펄스전압을 발생하는 'PWM 스위칭 펄스 발생부'(124)와, 상기 'PWM 스위칭 펄스 발생부'(124)에 의해서 승압된 펄스전압을 승압하여 고압 직류전압을 출력하는 '다배압 및 고압 발생부'(126)로 구성된다.
상기 여진회로부(150)는, 상기 고압스위칭부(160)의 스위칭 동작을 빠른 속도로 턴온(turn on)시키는 펄스드라이버회로부(154)와, 상기 펄스드라이버회로부(154)의 드라이버 펄스의 폭을 결정하고, 드라이버 펄스의 스위칭 속도를 빠르게 하기 위해서 증폭하는 '드라이브펄스 정형 및 증폭 회로부'(152)로 구성된다.
상기 '임피던스 매칭 및 고압펄스 전달부'(180)는, 상기 고압스위칭부(160)의 고속 스위칭동작에 의한 링깅(Ringing)이 나타나는 것을 상쇄하기 위하여 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스매칭저항(R1)와, 상기 임피던스매칭저항(R1)에 연결되고, 상기 '고압 위상 반전부'(170)에 의해서 위상 반전된 부의 고압 펄스를 포켈스 셀(190)로 전달하기 위한 동축선로(181)로 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버는, 포켈스 셀(190)의 온도 변화에 따라서 'PWM 스위칭 펄스 발생부'(124)의 펄스폭 변조 스위칭 동작을 제어하여 상기 '다배압 및 고압 발생부'(126)에서 출력되는 고압 직류전압을 제어하는 온도보상 고압제어부(130)가 더 포함되어서 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 온도보상 고압제어부(130)는, 상기 포켈스 셀(190)의 온도를 검출하는 온도검출기(132)와, 상기 온도검출기(132)에 의해서 검출된 온도를 기초로 기준전압을 발생하는 기준전압발생부(134)와, 상기 기준전압발생부(134)에 의해서 발생된 기준전압과, 상기 '다배압 및 고압 발생부'(126)에서 출력되는 고압 직류전압을 비교한 후, 설정된 전압으로 조정하여 안정화를 이루기 위하여 상기 'PWM 스위칭 펄스 발생부'(124)의 펄스폭 변조 스위칭 동작을 제어하기 위한 피드백 제어신호를 출력하는 '고압안정용 비교기'(136)로 구성된다.
또한 '고압안정용 비교기'(136)는, 온도검출기(132)에 의해서 검출된 온도 변화율에 비례하여 상기 '다배압 및 고압 발생부'(126)가 고압 직류전압을 출력하도록, 상기 'PWM 스위칭 펄스 발생부'(124)의 펄스폭 변조 스위칭 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버는, 상기 '다배압 및 고압 발생부'(126)의 출력값이 설정된 전압값을 넘지 않도록 상기 'PWM 스위칭 펄스 발생부'(124)의 펄스폭 변조 스위칭 동작을 제어하는 '고압상승 제한부'(140)가 더 포함되어서 구성되는 것을 특징으로 한다.
다음은 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명인 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버의 상세 동작에 대하여 기술한다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 의한 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버의 상세 회로 구성도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명에 의한 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버의 동작 특성을 나타내는 그래프가 도시되어 있다.
전원공급부(110)는 DC SELV(safety extra low voltage) 전원으로서 사용하기 편리한 전압을 택하여 사용할 수 있으나, 본 실시예에서는 15(V)를 사용한다.
직류배압부(122)는 종래처럼 승압용 트랜스포머를 사용하지 않으면서도 직류전압을 2 배로 승압할 수 있는 회로로서 직류 30(V)를 출력한다.
'PWM 스위칭 펄스 발생부'(124)는 약 50(kHz) ~ 100(kHz) 정도의 고주파 펄스폭 변조 스위칭 동작을 수행하며 DC 30(V)의 전압을 사용하여 200 ~ 250(V) 정도까지 승압된 펄스전압을 발생시킨다.
'다배압 및 고압 발생부'(126)는 'PWM 스위칭 펄스 발생부'(124)에 의해서 발생된 펄스전압을 약 20 배 승압하여 약 4(kV) 정도의 고압 직류전압을 출력한다.
그리고, '다배압 및 고압 발생부'(126)에서 출력된 고압출력은 '고압안정용 비교기'(136)에 의해서 안정화 제어가 이루어지며, 온도검출기(132)로부터 온도상승이 검출되면 고압을 30V/℃ 비율로 상승시키도록 제어되는데, '고압상승 제한부'(140)에 의해서 약 4kV를 넘지 않도록 제한 동작이 이루어진다.
상술한 온도에 따른 고압 제어는 상기 포켈스 셀(190)의 광투과율이 온도에 따라 적정 고압이 변동하는 특성을 보상하기 위한 목적이다.
이렇게 하여 만들어진 직류고압은 고압스위칭부(160)를 1~10Hz 정도의 주기로 스위칭동작을 시켜줌에 따라서 '고압 위상 반전부'(170)를 거치면서 부(-)의 고압으로 반전된 펄스형태로 된 후, '임피던스매칭 및 고압펄스 전달부'(180)를 통과하여 포켈스 셀(190)에 인가된다.
이 과정에서 중요한 것은 고압스위칭부(160)의 턴온(turn on)되는 스위칭 속도의 특성인 바, 상기 레이저의 에너지 준위를 최대로 높이기 위하여는 수 나노 초(ns) 정도의 빠른 스위칭 속도가 필요하다.
'드라이브 펄스 정형 및 증폭 회로부'(152) 및 펄스드라이버회로부(154)는 상기와 같은 수 나노초 정도의 빠른 스위칭을 목적을 달성하기 위한 회로이다.
다음은 상세 회로 동작에 대하여 설명한다.
DC 15V 전원의 입력부의 인덕터(L2) 및 콘덴서(C6, C5) 등은 전원라인을 통한 잡음전압의 출입을 차단하기 위한 노이즈 필터이며, 돌입전류를 제한하기 위한 저항(R23)을 거쳐서 입력된 직류 15V 전원전압은 다이오드(D41)를 거쳐서 콘덴서(C47, C46)에 충전 저장되는데, 이 때에는 IC칩(U3) 내에 내장되어 있는 MOS FET(metal oxide semiconductor FET)(N 채널)가 도통되도록 PWM발진기(U1)의 14번 단자에서 출력된 펄스출력이 인가된다. 다음 순간 PWM발진기(U1)의 11번 단자에는 14번 단자와 주기적으로 상보되는 PWM 펄스출력이 나타나는데, 이 순간에는 IC칩(U3)에 내장되어 있는 또 다른 MOS FET(N 채널)가 도통되고 전술한 MOS FET는 오프되면서 다이오드(D43)를 통하여 트랜지스터(Q22)가 도통됨에 따라서 IC칩(U4) 안에 내장되어 있는 MOS FET(P 채널)가 도통됨으로 인하여 IC칩(U4)의 1, 2 및 3 번 단자에 유입되어 있는 15V 전원은 5, 6, 7 및 8 번 단자쪽으로 도통되어 전술한 콘덴서(C46, C47)에 충전 저장되어 있는 15V와 직렬전압이 되어 다이오드(D42)를 통하여 평활콘덴서(C2, C3 및 C4)에 DC 30V를 충전하게 된다.
이렇게 하여 발생된 30V 전원은 인덕터(L1) 및 트랜지스터(Q26) 그리고 이를 드라이브하기 위한 PWM발진기(U1)에 의해서 PWM 방식의 스위칭 동작이 실행되고, 트랜지스터(Q26)의 드레인 단자측에는 약 200V~250V의 승압된 펄스전압이 발생하게 된다.
한편, '다배압 및 고압 발생부'(126)에서는 콘덴서(C35)를 제외한 모든 콘덴서에 전술한 200V~250V의 전압이 순차적으로 충전되게 되어 있는 바, 이들은 모두 2 조의 직렬접속으로 되어 있기 때문에 다배압이 구현되게 된다.
본 실시예에서는 19 배압이 가능하도록 고안되어 있으나 배압율은 필요에 따라서 다이오드, 콘덴서들의 조합을 가감함에 의하여 임의로 조절이 가능함은 물론이다.
최종적인 고압은 콘덴서(C35)에 충전되며 평활되어 진다. 그리고 상기 고압은 안정화를 위하여 저항(R33~R46) 및 콘덴서(C71)를 개재하여 입력된 기준전압(Q-HV 가변전압)과 비교되어 원하는 고압으로 조정 및 안정화를 도모하기 위한 PWM 제어단자(PWM발진기(U1)의 2번 단자)에 피드백 제어된다.
또한 온도검출기(132)에 의한 저항성분의 변화량은 저항(R48)을 통하여 상술한 피드백 제어동작을 관여하게 되는데, 전술한 바와 같이 1℃ 상승시 고압은 약 30V 정도 상승하도록 작용한다.
또한 이상과 같은 고압의 상승이 안전영역을 넘지 않도록 하기 위하여 IC칩(U5), 트랜지스터(Q24), 저항(R54, R55, R53, R56) 및 콘덴서(C17) 등으로 구성되는 고압상승 제한부(140)를 구비하였다.
또한 '드라이브 펄스 정형 및 증폭 회로부'(152)의 IC칩(U7/A)은 드라이브 펄스의 폭을 결정하는 동작을 하며, IC칩(U2)은 상기 펄스의 스위칭 속도를 빠르게 하기 위한 증폭기이다.
상기 펄스 출력을 펄스드라이브회로부(154)에 병렬적으로 동시에 입력되어 증폭된 후 펄스 트랜스포머(T1, T2, T3 및 T4)를 매개체로 하여 고압스위칭부(160)의 트랜지스터(Q1, Q2, Q3 및 Q4)를 동시에 빠른 속도로 턴온시키는 동작을 하게 된다.
그 결과 콘덴서(C1)에 다이오드(D1)를 통하여 충전되어 있던 고압은 위상 반전이 되어서 부(-)의 고압펄스가 저항(R1)에 입력되는 결과가 된다.
따라서 포켈스 셀(190)은 부(-)의 고압펄스로써 짧은 시간 동안 바이어스되어진 후 복귀 상태로 전환된다.
임피던스매칭저항(R1)은 빠른속도로 고압이 스위칭(수 나노초)될 때 수 백(MHz)의 정재파(Voltage Standing Wave)가 발생되어 불필요한 링깅(Ringing)이 나타나는 것을 상쇄하기 위한 임피던스 매칭의 역할을 하기 위한 소자임은 전술한 바와 같다.
도 3에는 포켈스 셀(190)에 입력되는 부(-) 펄스의 하강속도를 표시하였다.
고압크기의 10% → 90%의 하강구간을 Δt로 표시하였는데, Δt가 수 나노초 대까지 짧게 구현할 수 있음을 알 수 있다.
상기의 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 일실시예에 불과하며, 동업계의 통상의 기술자에 있어서는, 본 발명의 기술적인 사상 내에서 다른 변형된 실시가 가능함은 물론이다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 의한 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버의 블록 구성도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 의한 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버의 상세 회로 구성도이다.
도 3은, 본 발명에 의한 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버의 동작 특성을 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110 ; 전원공급부
120 ; 고압직류전압발생부
122 ; 직류배압부
124 ; PWM 스위칭 펄스 발생부
126; 다배압 및 고압 발생부
130 ; 온도보상 고압제어부
132 ; 온도검출기
134 ; 기준전압발생부
136; ; 고압안정용 비교기
140 ; 고압상승 제한부
150 ; 여진회로부
152 ; 드라이브펄스 정형 및 증폭 회로부
154 ; 펄스드라이버회로부
160 ; 고압스위칭부
170 ; '고압 위상 반전부'
180 ; 임피던스 매칭 및 고압펄스 전달부
181 ; 동축선로
R1 ; 임피던스매칭저항
190 ; 포켈스 셀

Claims (8)

  1. DC 전압을 발생하는 전원공급부(110);
    상기 전원공급부(110)에 의해서 발생된 DC전압을 승압하여 고압 직류전압을 출력하는 고압직류전압발생부(120);
    레이저발진용 매질체로부터 발진되는 레이저광의 에너지 준위를 높이기 위하여 나노초(ns) 대의 스위칭 동작을 수행하기 위한 발진주파수를 생성하는 여진회로부(150);
    상기 여진회로부(150)에 의해서 생성된 발진주파수에 따라서 나노초(ns) 대의 스위칭동작을 수행하는 고압스위칭부(160);
    상기 고압스위칭부(160)의 스위칭동작에 따라서 상기 고압직류전압발생부(120)의 고압 직류전압을 부(-)의 고압으로 반전하는 '고압 위상 반전부'(170);
    상기 '고압 위상 반전부'(170)에 의해서 위상 반전된 부의 고압 펄스를 전달하고, 상기 고압스위칭부(160)의 고속 스위칭동작에 의한 링깅(Ringing)이 나타나는 것을 상쇄하기 위하여 임피던스 매칭을 수행하는 '임피던스 매칭 및 고압펄스 전달부'(180); 및
    상기 '임피던스 매칭 및 고압펄스 전달부'(180)로부터 인가되는 고압 펄스에 따라서 레이저발진용 매질체로부터 발진되는 레이저광을 선택적으로 통과시키는 포켈스 셀(190)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 고압직류전압발생부(120)는,
    전원공급부(110)로부터 공급된 직류전압을 배압하는 직류배압부(122);
    상기 직류배압부(122)에 의해서 배압된 직류전압을 고주파 펄스폭 변조 스위칭 동작을 수행하며 승압된 펄스전압을 발생하는 'PWM 스위칭 펄스 발생부'(124);
    상기 'PWM 스위칭 펄스 발생부'(124)에 의해서 승압된 펄스전압을 승압하여 고압 직류전압을 출력하는 '다배압 및 고압 발생부'(126)로 구성되는 것을 특징으로 하는 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 여진회로부(150)는,
    상기 고압스위칭부(160)의 스위칭 동작을 턴온(turn on)시키는 펄스드라이버회로부(154); 및
    상기 펄스드라이버회로부(154)의 드라이버 펄스의 폭을 결정하고, 증폭하는 '드라이브펄스 정형 및 증폭 회로부'(152)로 구성되는 것을 특징으로 하는 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버.
  4. 청구항 3에 있어서,
    포켈스 셀(190)의 온도 변화에 따라서 'PWM 스위칭 펄스 발생부'(124)의 펄스폭 변조 스위칭 동작을 제어하여 상기 '다배압 및 고압 발생부'(126)에서 출력되는 고압 직류전압을 제어하는 온도보상 고압제어부(130)가 더 포함되어서 구성되는 것을 특징으로 하는 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 온도보상 고압제어부(130)는,
    상기 포켈스 셀(190)의 온도를 검출하는 온도검출기(132);
    상기 온도검출기(132)에 의해서 검출된 온도를 기초로 기준전압을 발생하는 기준전압발생부(134);
    상기 기준전압발생부(134)에 의해서 발생된 기준전압과, 상기 '다배압 및 고압 발생부'(126)에서 출력되는 고압 직류전압을 비교한 후, 설정된 전압으로 조정하여 안정화를 이루기 위하여 상기 'PWM 스위칭 펄스 발생부'(124)의 펄스폭 변조 스위칭 동작을 제어하기 위한 피드백 제어신호를 출력하는 '고압안정용 비교기'(136)로 구성되는 것을 특징으로 하는 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 '고압안정용 비교기'(136)는,
    상기 온도검출기(132)에 의해서 검출된 온도 변화율에 비례하여 상기 '다배압 및 고압 발생부'(126)가 고압 직류전압을 출력하도록, 상기 'PWM 스위칭 펄스 발생부'(124)의 펄스폭 변조 스위칭 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 '다배압 및 고압 발생부'(126)의 출력값이 설정된 전압값을 넘지 않도록 상기 'PWM 스위칭 펄스 발생부'(124)의 펄스폭 변조 스위칭 동작을 제어하는 '고압상승 제한부'(140)가 더 포함되어서 구성되는 것을 특징으로 하는 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 '임피던스 매칭 및 고압펄스 전달부'(180)는,
    상기 고압스위칭부(160)의 고속 스위칭동작에 의한 링깅(Ringing)이 나타나는 것을 상쇄하기 위하여 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스매칭저항(R1)와,
    상기 임피던스매칭저항(R1)에 연결되고, 상기 '고압 위상 반전부'(170)에 의해서 위상 반전된 부의 고압 펄스를 포켈스 셀(190)로 전달하기 위한 동축선 로(181)로 구성되는 것을 특징으로 하는 고밀도 에너지의 레이저 발생을 위한 레이저발생장치의 Q-스위칭 드라이버.
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