激光泵浦受電容殘壓影響及容限分析

張 雛，周 冰，林德江，陳 欣，陳 爍

激光泵浦受電容殘壓影響及容限分析

張 雛1，周 冰1，林德江1，陳 欣2，陳 爍3

（1.軍械工程學(xué)院，河北石家莊050003；2.中國人民解放軍73906部隊，江蘇南京210028；3.中國人民解放軍72465部隊，山東濟南250022）

分析了激光泵浦系統(tǒng)中儲能電容殘壓的產(chǎn)生原因，并通過長期試驗研究，給出了電容殘壓的產(chǎn)生和增長規(guī)律。綜合考慮電容殘壓增長規(guī)律和激光裝備實際應(yīng)用情況，明確提出了激光裝備的實際殘壓容限值和維修決策原則；并依據(jù)電容殘壓增長規(guī)律和激光器泵浦氙燈工作特性，指出調(diào)高儲能電容工作電壓是一種不僅無益而且有損于激光裝備工作壽命的維修方法。

激光泵浦系統(tǒng)；電容殘壓；激光裝備；殘壓容限值

1 引 言

目前，軍事激光裝備在目標(biāo)偵察與測量、精確制導(dǎo)、光電對抗等領(lǐng)域發(fā)揮著日趨重要的作用，而裝備的有效作用距離與其激光發(fā)射器件的性能緊密相關(guān)［1］。因為裝備所用固體激光器件的工作物質(zhì)一般具有可靠性高、壽命長的特點，因而激光器件的工作穩(wěn)定性主要取決于激光泵浦系統(tǒng)。當(dāng)前，以儲能電容供電的脈沖氙燈泵浦系統(tǒng)仍然廣泛應(yīng)用于激光裝備，而且關(guān)于氙燈工作特性的研究已經(jīng)比較深入，只是對儲能電容影響激光泵浦系統(tǒng)的研究還比較少見，特別是關(guān)于儲能電容殘余電壓的產(chǎn)生及其對激光泵浦影響方面的研究非常鮮見。

在激光裝備的實際應(yīng)用調(diào)研中發(fā)現(xiàn)：某些激光裝備工作一段時間后，氙燈放電發(fā)光時的電容電壓下降到一定程度就停止下降，即儲能電容有了殘余電壓（簡稱“殘壓”）。殘壓的存在，使儲能電容的放電不完全，導(dǎo)致氙燈的發(fā)光能量下降和光譜改變，嚴(yán)重時會影響激光器的出光穩(wěn)定性或使其激光發(fā)射功率下降。因此，本文結(jié)合應(yīng)力試驗、殘壓測試和分析計算，研究了儲能電容殘壓的產(chǎn)生機理、影響因素、增長規(guī)律及其在激光裝備應(yīng)用時的容限。

2 殘壓產(chǎn)生原因與影響因素分析

2.1 殘壓產(chǎn)生的原因

儲能電容為脈沖氙燈提供泵浦電能的工作電路如圖1所示。激光裝備工作時，先給儲能電容C充電至工作電壓，然后發(fā)出觸發(fā)信號控制觸發(fā)電路產(chǎn)生上萬伏的瞬時高壓［2］，使氙燈內(nèi)的氣體預(yù)電離擊穿，形成放電通道，使電容上儲存的能量快速釋放。在氙燈放電電流由零上升到最大的過程中，由于氙氣被電離和加熱，氙等離子體形成并擴張，電阻很快減?。划?dāng)氙燈放電電流達(dá)到最大時，電阻降至最小并保持短暫時間；而在放電后期，氙燈電阻又迅速上升并最終趨向無窮大［3］。

圖1 脈沖氙燈的工作電路Fig.1 Pump circuit of pumped-xenon lamp

分析氙燈工作的上述過程，可以設(shè)想：如果儲能電容自身存在某些阻滯放電的因素，其效果就如電源自身存在內(nèi)阻，會使本應(yīng)全部降落在氙燈上的電壓分出一部分降落在其自身而成為殘壓。研究表明：導(dǎo)致儲能電容放電阻滯的因素包括介質(zhì)吸收、緩慢極化、電極觸點電阻增大、材料變化等諸多方面［4］。實際測試發(fā)現(xiàn)，儲能電容新品的殘壓非常小，常用激光裝備中的儲能電容，出廠時的殘壓一般為零，這說明殘壓不是由電容的先天結(jié)構(gòu)和材料決定的，而是在裝備應(yīng)用階段，因加載到電容上的電應(yīng)力、環(huán)境應(yīng)力等因素的作用而產(chǎn)生和顯現(xiàn)的。

2.2 殘壓增長的影響因素分析

為了研究應(yīng)用階段的電應(yīng)力、環(huán)境應(yīng)力等因素對儲能電容殘壓增長的影響情況，選取某型激光裝備的兩批儲能電容作為分析和測試對象。這兩批電容的內(nèi)部構(gòu)造和技術(shù)性能完全一樣，但是其中一批為金屬殼密封封裝，另一批則為塑料殼內(nèi)灌膠封裝。設(shè)定的試驗條件包括三種情況：單純電應(yīng)力、高溫環(huán)境加電應(yīng)力、高溫高濕環(huán)境加電應(yīng)力。

具體試驗條件和試驗對象為：

單純電應(yīng)力試驗時，環(huán)境為良好實驗室條件，溫度20℃左右，相對濕度30%～50%，試驗對象為金屬殼封裝電容。

高溫環(huán)境加電應(yīng)力試驗時，環(huán)境為溫度試驗箱，溫度變化范圍30～80℃，試驗對象為金屬殼封裝電容。

高溫高濕環(huán)境加電應(yīng)力試驗時，環(huán)境為自制的惡劣自然環(huán)境模擬裝置，溫度范圍30～45℃，相對濕度70%以上，試驗對象為塑料殼內(nèi)灌膠封裝電容，并對封裝一端稍有破壞，使潮氣可緩慢滲入。

試驗時，按照圖1工作電路進行儲能電容的充放電，至少間隔充放電240次測量電容殘壓變化情況。每次測量時，選取儲能電容的10次充放電過程，測量每次放電的殘余電壓，得到殘壓波動范圍。

經(jīng)過長達(dá)一年的試驗研究，發(fā)現(xiàn)各試驗條件的應(yīng)力效果顯現(xiàn)速度差異非常大，因而針對每種試驗條件截取其三個有代表性的試驗節(jié)點和對應(yīng)數(shù)據(jù)，列于表1中。

表1 應(yīng)力試驗中電容殘壓變化情況Tab.1 Changes of capacitor residual voltage at stress tests

由表1的數(shù)據(jù)可以看出：

1）在正常工作電壓范圍內(nèi)，單純電應(yīng)力造成的殘壓增長非常不明顯而且變化極其緩慢，高溫環(huán)境加電應(yīng)力造成的殘壓增長相對明顯而且變化相對較快，高溫高濕環(huán)境加電應(yīng)力造成的殘壓增長非常明顯而且變化很快。

2）隨著試驗進程的推進，電容殘壓的增長速度越來越快，增長幅度也越來越大。

3）只要電容產(chǎn)生了殘壓，無論哪個試驗階段，殘壓值都不是絕對固定不變，而是有一定波動范圍；而且殘壓越大，波動范圍也越大。

上述試驗和測得的數(shù)據(jù)突出表明：單純電應(yīng)力對儲能電容殘壓增長的貢獻比較小。特別是考慮到上述單純電應(yīng)力試驗采用的是金屬殼封裝電容，密封良好，可以排除濕度的影響，能夠更加準(zhǔn)確地反映單純電應(yīng)力的影響情況；因而，考慮進一步通過試驗驗證是否是單純的環(huán)境應(yīng)力導(dǎo)致了儲能電容殘壓的增長。

為此，又從內(nèi)部構(gòu)造和性能完全相同的儲能電容中選取一組塑料殼內(nèi)灌膠封裝的電容，破壞其封裝后又用透明膠帶嚴(yán)密纏繞以固定電容形態(tài)（纏繞和粘接的膠帶也起到一定的密封作用但經(jīng)不起長時間的高濕度滲透），置于溫度設(shè)為35℃、相對濕度接近100%的環(huán)境試驗箱內(nèi)，不加電保存一周，取出后按照圖1工作電路對該組電容進行充放電，測量其殘余電壓，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：電容剛從試驗箱取出充放電時，殘壓比較小，平均約為5 V；但是隨著充放電過程的延續(xù)，殘壓快速增長，到充放電接近300次時，殘壓大多都超過了170 V。這一試驗結(jié)果表明：環(huán)境因素（特別是高濕環(huán)境）對儲能電容殘壓的增長有著顯著影響，但是這種影響要在加上電應(yīng)力之后才會很快顯現(xiàn)出來。

3 殘壓對激光裝備的影響和容限分析

如果儲能電容殘壓為零，在其為氙燈提供泵浦電能時釋放的能量E為：

式中，C為儲能電容的容量值；V0為儲能電容工作電壓。

而在儲能電容殘壓不為零的情況下，如果用Vs來表示其殘壓，則其為氙燈提供泵浦電能時釋放的能量變?yōu)镋′，有：

顯然，由于電容殘壓的存在，導(dǎo)致了激光泵浦系統(tǒng)中氙燈放電發(fā)光時實際泵浦電能下降，這必然會造成氙燈發(fā)光功率的下降；在殘壓明顯增大時，甚至?xí)捎陔療舴烹姺逯惦娏鞯南陆刀斐呻療舭l(fā)光光譜的改變［5］，導(dǎo)致激光工作物質(zhì)泵浦能量和泵浦效率的雙重下降，這必然影響激光器的出光穩(wěn)定性，最終影響激光裝備的可靠工作能力。

考慮到當(dāng)前應(yīng)用的脈沖激光裝備中，單脈沖和重頻低于5次／s的激光器一般采用吸收可飽和式調(diào)Q（以下稱“調(diào)Q方式1”）器件，而重頻高于5次／s的激光器一般采用電光調(diào)Q（以下稱“調(diào)Q方式2”）器件，不同的調(diào)Q方式?jīng)Q定了泵浦能量下降時激光器的反應(yīng)也不相同，因此下面分別進行研究。

3.1 調(diào)Q方式1激光裝備

無論是單脈沖還是重頻脈沖激光裝備，都要求其每次發(fā)射激光是單脈沖，對調(diào)Q方式1激光器而言，就需要將其輸入泵浦能量控制在合理范圍內(nèi)。否則，泵浦能量偏少會使激光器不出光，泵浦能量過多又會使激光器輸出雙脈沖甚至多脈沖［6］，這兩種情況都會造成激光裝備功能失常。因此，在激光裝備生產(chǎn)過程中，都要測出激光器出光閾值和雙脈沖臨界值，并用儲能電容工作電壓來表征，分別記為V1和V2；另外，考慮軍用裝備工作溫度范圍寬，溫度范圍內(nèi)激光器參數(shù)會發(fā)生漂移，為確保激光器可靠工作，一般將儲能電容實際工作電壓設(shè)置為：

而且，一般是要求V2比V1高出90～100 V。

實際的高低溫試驗測試發(fā)現(xiàn)，這類激光器的出光閾值在工作溫度范圍內(nèi)的漂移一般為15～25 V，極個別情況接近30 V，所以當(dāng)儲能電容殘壓為零時，即使激光器閾值和雙脈沖臨界值發(fā)生漂移，仍然能可靠輸出單脈沖。但若儲能電容殘壓增長，情況則可能發(fā)生不好的變化。

考慮激光器閾值漂移量為ΔV（規(guī)定電壓向上漂移時ΔV為正，反之為負(fù)），同時儲能電容存在殘壓的情況下，要保證激光器仍然出光，需要滿足：

因為在整個工作溫度范圍內(nèi)ΔV可能有時為正有時為負(fù)，而ΔV為正時對電容殘壓的容限相對更小，因此，設(shè)ΔV為正時的最大值為ΔVPMAX，則儲能電容殘壓需要滿足（化簡結(jié)果）：

顯然，式（5）表征了該類激光裝備對儲能電容殘壓的容限。因為殘壓不會是負(fù)值，所以殘壓增大導(dǎo)致激光器輸出雙脈沖或多脈沖的情況不予考慮。

3.2 調(diào)Q方式2激光裝備

采用調(diào)Q方式2的激光器，工作特性可以概括為：泵浦能量偏少會使激光器不出光，而在激光器出光后繼續(xù)增大泵浦能量輸入會使激光脈沖能量隨之增大［6］，但不會出現(xiàn)雙脈沖情況。因此，電容殘壓增長只會導(dǎo)致這類激光裝備不出光。

這類激光裝備確定泵浦電壓時，主要是考慮閾值及其在工作溫度范圍內(nèi)的變化；為保證工作可靠性，電壓設(shè)定時有一定的冗余量。在實際條件不便馬上更換儲能電容的情況下，可以暫時借用這個冗余量來補償電容殘壓升高對激光器工作的影響。

設(shè)這類激光器的閾值為V1，工作溫度范圍內(nèi)其最大正漂移為ΔVPMAX，設(shè)定的電壓冗余量為ΔVR，那么電容殘壓需要滿足（化簡結(jié)果）：

顯然，式（6）表征了該類激光裝備對儲能電容殘壓的容限。

4 殘壓容限計算和實際情況分析

4.1 殘壓容限計算

以調(diào)Q方式1激光裝備為例，當(dāng)前這類裝備新品的激光器閾值一般為600 V～700 V，如果取V1＝600V、ΔVPMAX＝30V、V2－V1＝90V，計算可知：Vs容限可達(dá)138 V。僅看計算結(jié)果，儲能電容殘壓容限似乎非常高。

4.2 實際情況分析

結(jié)合表1的電容殘壓變化規(guī)律和激光裝備實際應(yīng)用情況，來分析和確定儲能電容殘壓的實際容限。

由表1可見，從激光裝備的儲能電容殘壓達(dá)到20 V起算，大約經(jīng)過2400次激光發(fā)射（儲能電容充放電）后殘壓就達(dá)到50 V左右，其后再增加數(shù)百次激光發(fā)射，殘壓就會超過上述計算結(jié)果。因此，對單脈沖激光裝備而言，如果年平均發(fā)射激光次數(shù)為500次，或一般不超過1000次，那從殘壓達(dá)到20 V起算，激光器能出光的時間可能維持3～5年，即激光裝備可能維持到維修間隔期期滿時再實施維修。而如果殘壓顯著超過20 V，因殘壓增長速度是越來越快，那么激光裝備維持正常工作的時間必將大大縮短，應(yīng)盡早規(guī)劃裝備維修或根據(jù)備件條件合理確定更換儲能電容的時間。而且試驗結(jié)果顯示，電容殘壓超過50 V后，繼續(xù)使用會很快超過容限值，因此應(yīng)立即更換儲能電容。

如果是重頻激光裝備，即使其激光發(fā)射重復(fù)頻率為5次／s或更低，但因這類裝備的一個發(fā)射周期為數(shù)秒或數(shù)十秒，而且一次訓(xùn)練就會經(jīng)歷幾到幾十個發(fā)射周期，所以激光發(fā)射次數(shù)增加數(shù)千次甚至上萬次所經(jīng)歷的時間非常有限，因而在重頻激光裝備電容殘壓接近或達(dá)到20 V時，就應(yīng)更換儲能電容。

上述分析結(jié)果，雖然是以調(diào)Q方式1激光裝備為例，但考慮到調(diào)Q方式2激光裝備的發(fā)射重復(fù)頻率相對更高，因而更有借鑒意義。

另外，對激光裝備的實際維修調(diào)研發(fā)現(xiàn)：由于現(xiàn)地維修備件不足，當(dāng)測量發(fā)現(xiàn)儲能電容殘余電壓明顯升高時，經(jīng)常采用調(diào)高儲能電容工作電壓的方法來維持激光裝備的正常工作。而根據(jù)上述分析可以看出，調(diào)高儲能電容工作電壓雖然能在當(dāng)時解決激光器的出光問題，但是如果單脈沖激光裝備的電容殘壓已經(jīng)接近或達(dá)到50 V，或是重頻激光裝備的電容殘壓接近或達(dá)到20 V，在其后的工作過程中電容殘壓必將很快超過容限值而使激光裝備喪失功能，因此調(diào)高儲能電容工作電壓是一種無益的維修方法。而且，考慮到氙燈放電的阻尼因子與儲能電容工作電壓密切相關(guān)，調(diào)高電壓必然導(dǎo)致阻尼因子變化，會導(dǎo)致氙燈放電效率下降或燈的壽命縮短［5］。由此可見，調(diào)高儲能電容工作電壓不僅無益，反而有損于激光裝備的工作壽命。

5 結(jié) 論

研究證明：激光泵浦系統(tǒng)中的儲能電容，會因高溫特別是高濕環(huán)境加上電應(yīng)力的合作用，致其殘壓產(chǎn)生并呈越來越快的增大趨勢。因而，雖然計算給出的電容殘壓容限值比較高，但還要同時考慮殘壓的增大規(guī)律及其對激光裝備工作的影響，因此實際的電容殘壓容限值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于計算值。一般而言，單脈沖激光裝備的儲能電容殘壓在20 V左右尚可容忍，但增大到50 V必須立即更換；而重頻激光裝備的殘壓容限應(yīng)在20 V以下，超出時必須更換；唯此才能保證激光器的出光穩(wěn)定性和激光裝備的功能可靠性。目前裝備維修中采用提高儲能電容工作電壓的方法來應(yīng)對殘壓升高致激光器不出光問題，不但不能真正解決問題，而且會對激光裝備的長期可靠工作造成危害。

上述研究結(jié)果，將對今后激光裝備的正常應(yīng)用和合理維修提供非常重要的決策依據(jù)。

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Influence of capacitor residual voltage on laser pum ping system and tolerance analysis

ZHANG Chu1，ZHOU Bing1，LIN De-jiang1，CHEN Xin2，CHEN Shuo3
（1.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；2.No.73906 Unit of PLA，Nanjing 210028，China；3.No.72465 Unit of PLA，Ji’nan 250022，China）

The reason of residual voltage of storage capacitor in laser pumping system is analyzed.After long-term experiments and research，the occurring reason and increasing regularity of residual voltage are given.Furthermore，considering the increasing regularity of residual voltage with the practical application of laser equipment，the actual tolerance of residual voltage in practice are given，and maintenance decision-making principles of laser equipment are defined.It is pointed that increasing the voltage of storage capacitor is useless and detrimental to the working life of laser equipment in maintaining，according to the increasing regularity of residual voltage and the working characteristics of pumped xenon lamp.

laser pumping system；capacitor residual voltage；laser equipment； tolerance of residual voltage

TN245

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2013.11.04

1001-5078（2013）11-1217-05

張 雛（1964－），女，碩士，副教授，主要從事激光裝備技術(shù)保障和發(fā)展等方面的研究。E-mail：zhangchu625＠sina.com

2013-04-15；

2013-05-15