Sistema de Bombeo Óptico para Láser de Nd:YAG

Sistema de Bombeo Óptico para Láser de
Nd:YAG
GLOmAe
Laboratorio de Láser
Francisco Albani1, Francisco E. Veiras1, Martı́n G. González1, Guillermo D.
1
Santiago
1
GlOmAe, Departamento de Fı́sica, Facultad de Ingenierı́a, UBA
Punto de partida y Limitaciones
Objetivo
Construir un sistema de
bombeo óptico para la
excitación de una barra de
Nd:YAG mediante una
lámpara flash capaz de
entregar alrededor de 70J, con
una repetición de ∼ 1Hz.
Lámpara flash de Xenón a 450 Torr y tensión de ruptura desconocida.
I Capacitor de 100µF (2,5kV).
I Fuente de 150W para cargar capacitores. Tiempo de carga = 334ms.
I Tiristor.
I Cavidad elı́ptica.
I El sistema necesita ser refrigerado =⇒ no es posible disparar la lámpara con un filamento
externo.
I
lámpara
barra
Figura: Cavidad elı́ptica
Esquema implementado
Control de
descarga
Integración de disparo y descarga en un mismo circuito.
I Disparo mediante transformador en serie.
I Durante la descarga, el núcleo del transformador se satura y la inductancia del
secundario pasa a servir para formar el pulso.
I Descargas controladas por un tiristor.
I Modelo eléctrico de la lámpara tomado de Koechner[1]:
√
1/2
V = K0 · i
con
K0 = 19,2 ΩA
Lámpara flash
K0 ≈ 19.2 Ω A1\2
I
Fuente para
carga de
capacitor
Simmer
(pendiente)
Circuito de disparo
60:1
+
-
+
T
C ≈ 100µF
-
Lsat ≈ 66µHy
R ≈ 0.52Ω
Control de
disparo
Figura: Esquemático completo
Transformador de disparo
Se utilizó en los ensayos para conocer la tensión de ruptura de la lámpara
(∼ 11kV).
2
I Construido con un núcleo E de material N27 de sección 5,3cm y camino
medio 16,2cm.
R
I Aislación con varias capas de Mylar
y barniz acrı́lico.
I Relación 1 : 60 donde el primario es una faja para concatenar mejor el
flujo.
I Diseñado para que al saturarse, la inductancia del secundario sea ∼ 66µH
y pueda usarse en la formación del pulso.
I
Bobina de Rogowski
Necesaria para la medición de
corrientes transitorias elevadas.
I Diseñada para lograr una
transresistencia de
∼ 10mV/100A.
I Se hizo un estudio de su
respuesta en frecuencia y un
modelo para incluir en las
simulaciones.
I
Formación del pulso
Circuito cuasi-RLC crı́ticamente amortiguado para lograr concentrar la energı́a en un tiempo
similar a la duración de fluorescencia del Nd:YAG (∼ 230µs).
I Alinealidades de la lámpara obligan a buscar numéricamente los parámetros necesarios. Seguimos
el desarrolo de Brown[2] y vemos que necesitamos una tensión de descarga de ∼ 1180V.
I Verificamos que no dista mucho del amortiguamiento crı́tico, pero se puede mejorar.
I Realizamos mediciones sobre una carga fantasma de impedancia representativa ∼ 1,47Ω, tal
como sugiere la hoja de datos de un fabricante de lámparas (Sintec Optronics).
I Se observa que a medida que la corriente disminuye, el núcleo ferromagnético vuelve a la zona de
histéresis aumentando la inductancia aparente, lo que da lugar a un pulso que tarda más en caer.
I
400
Simulado
Medido [Volt]
R=0.52 L=66u
300
C=100u
V=715
Bobinado
secundario
R=1.47
Carga
fantasma
200
100
0
0
1e-4
2e-4
3e-4
4e-4
5e-4
Tiempo [s]
6e-4
7e-4
8e-4
9e-4
Prospectiva
Mejorar aislación del transformador.
I Desarrollo del simmer.
I Mejorar la inmunidad frente a la interferencia en la Bobina de Rogowski.
I Lograr una forma de pulso más cercana al amortiguamiento crı́tico.
I Desarrollo de modelos circuitales para simular mejor los comportamientos alineales de la lámpara y del núcleo ferromagnético.
I
Bibliografı́a
[1] W. Koechner. State Laser Engineering. Springer, New York, 2006.
[2] D. C. Brown and T.-S. N. Nee. Design of single mesh flashlamp driving circuits with resistive losses. IEEE Transactions on Electron Devices, 24:1285–1287,
November 1977.
http://www.fi.uba.ar/laboratorios/glomae/
[email protected]