激光泵浦受电容残压影响及容限分析

张 雏，周 冰，林德江，陈 欣，陈 烁

激光泵浦受电容残压影响及容限分析

张 雏1，周 冰1，林德江1，陈 欣2，陈 烁3

（1.军械工程学院，河北石家庄050003；2.中国人民解放军73906部队，江苏南京210028；3.中国人民解放军72465部队，山东济南250022）

分析了激光泵浦系统中储能电容残压的产生原因，并通过长期试验研究，给出了电容残压的产生和增长规律。综合考虑电容残压增长规律和激光装备实际应用情况，明确提出了激光装备的实际残压容限值和维修决策原则；并依据电容残压增长规律和激光器泵浦氙灯工作特性，指出调高储能电容工作电压是一种不仅无益而且有损于激光装备工作寿命的维修方法。

激光泵浦系统；电容残压；激光装备；残压容限值

1 引 言

目前，军事激光装备在目标侦察与测量、精确制导、光电对抗等领域发挥着日趋重要的作用，而装备的有效作用距离与其激光发射器件的性能紧密相关［1］。因为装备所用固体激光器件的工作物质一般具有可靠性高、寿命长的特点，因而激光器件的工作稳定性主要取决于激光泵浦系统。当前，以储能电容供电的脉冲氙灯泵浦系统仍然广泛应用于激光装备，而且关于氙灯工作特性的研究已经比较深入，只是对储能电容影响激光泵浦系统的研究还比较少见，特别是关于储能电容残余电压的产生及其对激光泵浦影响方面的研究非常鲜见。

在激光装备的实际应用调研中发现：某些激光装备工作一段时间后，氙灯放电发光时的电容电压下降到一定程度就停止下降，即储能电容有了残余电压（简称“残压”）。残压的存在，使储能电容的放电不完全，导致氙灯的发光能量下降和光谱改变，严重时会影响激光器的出光稳定性或使其激光发射功率下降。因此，本文结合应力试验、残压测试和分析计算，研究了储能电容残压的产生机理、影响因素、增长规律及其在激光装备应用时的容限。

2 残压产生原因与影响因素分析

2.1 残压产生的原因

储能电容为脉冲氙灯提供泵浦电能的工作电路如图1所示。激光装备工作时，先给储能电容C充电至工作电压，然后发出触发信号控制触发电路产生上万伏的瞬时高压［2］，使氙灯内的气体预电离击穿，形成放电通道，使电容上储存的能量快速释放。在氙灯放电电流由零上升到最大的过程中，由于氙气被电离和加热，氙等离子体形成并扩张，电阻很快减小；当氙灯放电电流达到最大时，电阻降至最小并保持短暂时间；而在放电后期，氙灯电阻又迅速上升并最终趋向无穷大［3］。

图1 脉冲氙灯的工作电路Fig.1 Pump circuit of pumped-xenon lamp

分析氙灯工作的上述过程，可以设想：如果储能电容自身存在某些阻滞放电的因素，其效果就如电源自身存在内阻，会使本应全部降落在氙灯上的电压分出一部分降落在其自身而成为残压。研究表明：导致储能电容放电阻滞的因素包括介质吸收、缓慢极化、电极触点电阻增大、材料变化等诸多方面［4］。实际测试发现，储能电容新品的残压非常小，常用激光装备中的储能电容，出厂时的残压一般为零，这说明残压不是由电容的先天结构和材料决定的，而是在装备应用阶段，因加载到电容上的电应力、环境应力等因素的作用而产生和显现的。

2.2 残压增长的影响因素分析

为了研究应用阶段的电应力、环境应力等因素对储能电容残压增长的影响情况，选取某型激光装备的两批储能电容作为分析和测试对象。这两批电容的内部构造和技术性能完全一样，但是其中一批为金属壳密封封装，另一批则为塑料壳内灌胶封装。设定的试验条件包括三种情况：单纯电应力、高温环境加电应力、高温高湿环境加电应力。

具体试验条件和试验对象为：

单纯电应力试验时，环境为良好实验室条件，温度20℃左右，相对湿度30%～50%，试验对象为金属壳封装电容。

高温环境加电应力试验时，环境为温度试验箱，温度变化范围30～80℃，试验对象为金属壳封装电容。

高温高湿环境加电应力试验时，环境为自制的恶劣自然环境模拟装置，温度范围30～45℃，相对湿度70%以上，试验对象为塑料壳内灌胶封装电容，并对封装一端稍有破坏，使潮气可缓慢渗入。

试验时，按照图1工作电路进行储能电容的充放电，至少间隔充放电240次测量电容残压变化情况。每次测量时，选取储能电容的10次充放电过程，测量每次放电的残余电压，得到残压波动范围。

经过长达一年的试验研究，发现各试验条件的应力效果显现速度差异非常大，因而针对每种试验条件截取其三个有代表性的试验节点和对应数据，列于表1中。

表1 应力试验中电容残压变化情况Tab.1 Changes of capacitor residual voltage at stress tests

由表1的数据可以看出：

1）在正常工作电压范围内，单纯电应力造成的残压增长非常不明显而且变化极其缓慢，高温环境加电应力造成的残压增长相对明显而且变化相对较快，高温高湿环境加电应力造成的残压增长非常明显而且变化很快。

2）随着试验进程的推进，电容残压的增长速度越来越快，增长幅度也越来越大。

3）只要电容产生了残压，无论哪个试验阶段，残压值都不是绝对固定不变，而是有一定波动范围；而且残压越大，波动范围也越大。

上述试验和测得的数据突出表明：单纯电应力对储能电容残压增长的贡献比较小。特别是考虑到上述单纯电应力试验采用的是金属壳封装电容，密封良好，可以排除湿度的影响，能够更加准确地反映单纯电应力的影响情况；因而，考虑进一步通过试验验证是否是单纯的环境应力导致了储能电容残压的增长。

为此，又从内部构造和性能完全相同的储能电容中选取一组塑料壳内灌胶封装的电容，破坏其封装后又用透明胶带严密缠绕以固定电容形态（缠绕和粘接的胶带也起到一定的密封作用但经不起长时间的高湿度渗透），置于温度设为35℃、相对湿度接近100%的环境试验箱内，不加电保存一周，取出后按照图1工作电路对该组电容进行充放电，测量其残余电压，结果发现：电容刚从试验箱取出充放电时，残压比较小，平均约为5 V；但是随着充放电过程的延续，残压快速增长，到充放电接近300次时，残压大多都超过了170 V。这一试验结果表明：环境因素（特别是高湿环境）对储能电容残压的增长有着显著影响，但是这种影响要在加上电应力之后才会很快显现出来。

3 残压对激光装备的影响和容限分析

如果储能电容残压为零，在其为氙灯提供泵浦电能时释放的能量E为：

式中，C为储能电容的容量值；V0为储能电容工作电压。

而在储能电容残压不为零的情况下，如果用Vs来表示其残压，则其为氙灯提供泵浦电能时释放的能量变为E′，有：

显然，由于电容残压的存在，导致了激光泵浦系统中氙灯放电发光时实际泵浦电能下降，这必然会造成氙灯发光功率的下降；在残压明显增大时，甚至会由于氙灯放电峰值电流的下降而造成氙灯发光光谱的改变［5］，导致激光工作物质泵浦能量和泵浦效率的双重下降，这必然影响激光器的出光稳定性，最终影响激光装备的可靠工作能力。

考虑到当前应用的脉冲激光装备中，单脉冲和重频低于5次／s的激光器一般采用吸收可饱和式调Q（以下称“调Q方式1”）器件，而重频高于5次／s的激光器一般采用电光调Q（以下称“调Q方式2”）器件，不同的调Q方式决定了泵浦能量下降时激光器的反应也不相同，因此下面分别进行研究。

3.1 调Q方式1激光装备

无论是单脉冲还是重频脉冲激光装备，都要求其每次发射激光是单脉冲，对调Q方式1激光器而言，就需要将其输入泵浦能量控制在合理范围内。否则，泵浦能量偏少会使激光器不出光，泵浦能量过多又会使激光器输出双脉冲甚至多脉冲［6］，这两种情况都会造成激光装备功能失常。因此，在激光装备生产过程中，都要测出激光器出光阈值和双脉冲临界值，并用储能电容工作电压来表征，分别记为V1和V2；另外，考虑军用装备工作温度范围宽，温度范围内激光器参数会发生漂移，为确保激光器可靠工作，一般将储能电容实际工作电压设置为：

而且，一般是要求V2比V1高出90～100 V。

实际的高低温试验测试发现，这类激光器的出光阈值在工作温度范围内的漂移一般为15～25 V，极个别情况接近30 V，所以当储能电容残压为零时，即使激光器阈值和双脉冲临界值发生漂移，仍然能可靠输出单脉冲。但若储能电容残压增长，情况则可能发生不好的变化。

考虑激光器阈值漂移量为ΔV（规定电压向上漂移时ΔV为正，反之为负），同时储能电容存在残压的情况下，要保证激光器仍然出光，需要满足：

因为在整个工作温度范围内ΔV可能有时为正有时为负，而ΔV为正时对电容残压的容限相对更小，因此，设ΔV为正时的最大值为ΔVPMAX，则储能电容残压需要满足（化简结果）：

显然，式（5）表征了该类激光装备对储能电容残压的容限。因为残压不会是负值，所以残压增大导致激光器输出双脉冲或多脉冲的情况不予考虑。

3.2 调Q方式2激光装备

采用调Q方式2的激光器，工作特性可以概括为：泵浦能量偏少会使激光器不出光，而在激光器出光后继续增大泵浦能量输入会使激光脉冲能量随之增大［6］，但不会出现双脉冲情况。因此，电容残压增长只会导致这类激光装备不出光。

这类激光装备确定泵浦电压时，主要是考虑阈值及其在工作温度范围内的变化；为保证工作可靠性，电压设定时有一定的冗余量。在实际条件不便马上更换储能电容的情况下，可以暂时借用这个冗余量来补偿电容残压升高对激光器工作的影响。

设这类激光器的阈值为V1，工作温度范围内其最大正漂移为ΔVPMAX，设定的电压冗余量为ΔVR，那么电容残压需要满足（化简结果）：

显然，式（6）表征了该类激光装备对储能电容残压的容限。

4 残压容限计算和实际情况分析

4.1 残压容限计算

以调Q方式1激光装备为例，当前这类装备新品的激光器阈值一般为600 V～700 V，如果取V1＝600V、ΔVPMAX＝30V、V2－V1＝90V，计算可知：Vs容限可达138 V。仅看计算结果，储能电容残压容限似乎非常高。

4.2 实际情况分析

结合表1的电容残压变化规律和激光装备实际应用情况，来分析和确定储能电容残压的实际容限。

由表1可见，从激光装备的储能电容残压达到20 V起算，大约经过2400次激光发射（储能电容充放电）后残压就达到50 V左右，其后再增加数百次激光发射，残压就会超过上述计算结果。因此，对单脉冲激光装备而言，如果年平均发射激光次数为500次，或一般不超过1000次，那从残压达到20 V起算，激光器能出光的时间可能维持3～5年，即激光装备可能维持到维修间隔期期满时再实施维修。而如果残压显著超过20 V，因残压增长速度是越来越快，那么激光装备维持正常工作的时间必将大大缩短，应尽早规划装备维修或根据备件条件合理确定更换储能电容的时间。而且试验结果显示，电容残压超过50 V后，继续使用会很快超过容限值，因此应立即更换储能电容。

如果是重频激光装备，即使其激光发射重复频率为5次／s或更低，但因这类装备的一个发射周期为数秒或数十秒，而且一次训练就会经历几到几十个发射周期，所以激光发射次数增加数千次甚至上万次所经历的时间非常有限，因而在重频激光装备电容残压接近或达到20 V时，就应更换储能电容。

上述分析结果，虽然是以调Q方式1激光装备为例，但考虑到调Q方式2激光装备的发射重复频率相对更高，因而更有借鉴意义。

另外，对激光装备的实际维修调研发现：由于现地维修备件不足，当测量发现储能电容残余电压明显升高时，经常采用调高储能电容工作电压的方法来维持激光装备的正常工作。而根据上述分析可以看出，调高储能电容工作电压虽然能在当时解决激光器的出光问题，但是如果单脉冲激光装备的电容残压已经接近或达到50 V，或是重频激光装备的电容残压接近或达到20 V，在其后的工作过程中电容残压必将很快超过容限值而使激光装备丧失功能，因此调高储能电容工作电压是一种无益的维修方法。而且，考虑到氙灯放电的阻尼因子与储能电容工作电压密切相关，调高电压必然导致阻尼因子变化，会导致氙灯放电效率下降或灯的寿命缩短［5］。由此可见，调高储能电容工作电压不仅无益，反而有损于激光装备的工作寿命。

5 结 论

研究证明：激光泵浦系统中的储能电容，会因高温特别是高湿环境加上电应力的合作用，致其残压产生并呈越来越快的增大趋势。因而，虽然计算给出的电容残压容限值比较高，但还要同时考虑残压的增大规律及其对激光装备工作的影响，因此实际的电容残压容限值要远远小于计算值。一般而言，单脉冲激光装备的储能电容残压在20 V左右尚可容忍，但增大到50 V必须立即更换；而重频激光装备的残压容限应在20 V以下，超出时必须更换；唯此才能保证激光器的出光稳定性和激光装备的功能可靠性。目前装备维修中采用提高储能电容工作电压的方法来应对残压升高致激光器不出光问题，不但不能真正解决问题，而且会对激光装备的长期可靠工作造成危害。

上述研究结果，将对今后激光装备的正常应用和合理维修提供非常重要的决策依据。

［1］ Zhang Chu，Shen Hongbin，etal.Study on evaluatingmaximum range of laser range finder［J］.Laser＆Infrared，2008，38（12）：1196－1198.（in Chinese）张雏，沈洪斌，等.激光测距机最大测程评估方法研究［J］.激光与红外，2008，38（12）：1196－1198.

［2］ Liu Tiejun，Zhou Zhe，Wang Xu.Simmer circuit design of solid state lasers［J］.Laser＆Infrared，2010，40（4）：373－375.（in Chinese）刘铁军，周哲，王旭.固体激光器预燃电路的分析与设计［J］.激光与红外，2010，40（4）：373－375.

［3］ Chen Jia，Li Haibing，et al.Research on the impedance of plasma in xenon flash lamp during discharging［J］.Laser＆Infrared，2009，39（2）：190－193.（in Chinese）陈佳，李海兵，等.脉冲氙灯放电时等离子体电阻的研究［J］.激光与红外，2009，39（2）：190－193.

［4］ Xie Daohua.Performance，design and calculation of capacitor［M］.Beijing：Standards Press of China，1987.（in Chinese）谢道华.电容器性能与设计计算［M］.北京：中国标准出版社，1987.

［5］ Yang Haifeng，Wang Maopu.Xenon flash lamp and its pumping properties［J］.Laser technology，1997，21（1）：62－64.（in Chinese）杨海峰，王茂蒲.脉冲氙灯及泵浦性能评价［J］.激光技术，1997，21（1）：62－64.

［6］ WeiGuanghui，Yang Peigen，etal.The application of laser technology in the weapons industry［M］.Beijing：Weapons industry press，1995.（in Chinese）魏光辉，杨培根，等.激光技术在兵器工业中的应用［M］.北京：兵器工业出版社，1995.

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

张 雏（1964－），女，硕士，副教授，主要从事激光装备技术保障和发展等方面的研究。E-mail：zhangchu625＠sina.com

2013-04-15；

2013-05-15