楊 清，霍玉晶，何淑芳

(清華大學電子工程系，北京100084)

1 引言

在激光技術(shù)領(lǐng)域，電光開關(guān)被廣泛應用于主動調(diào)Q激光器［1－2］和再生放大器(普克爾盒)［3－4］等系統(tǒng)中，以及腔外的激光強度和相位調(diào)制［5－6］，它的性能很大程度上取決于其電路驅(qū)動系統(tǒng)——高壓快脈沖源［7－9］。

實際中為了從連續(xù)激光中獲取脈寬從數(shù)十納秒量級到微秒量級較大范圍可調(diào)節(jié)的雙快沿激光脈沖，可以通過兩級串聯(lián)式電光開關(guān)進行光學斬波(即腔外強度調(diào)制)來實現(xiàn)，基于小型化和低成本等方面考慮，本文研制了一種新型的可雙路輸出、相對時間抖動在納秒量級的兩級串聯(lián)式電光開關(guān)高壓快脈沖源。其中，為了防止高壓脈沖對低壓延時信號的干擾，采用光電隔離器將低壓延時電路與高壓開關(guān)電路隔離;所得高壓脈沖高電平最大值為1200 V，下降沿約為9 ns，零電平寬度在200 ns～15μs之間可調(diào)，同時兩路高壓脈沖相對時間抖動小于1 ns。試驗表明，該脈沖源性能優(yōu)良且工作穩(wěn)定。另外通過采用兩塊相同的LiNbO3作為電光晶體制作而成的兩級串聯(lián)式電光開關(guān)對連續(xù)激光進行腔外光學斬波，得到了重復頻率和脈寬分別在1～10 kHz和10～100 ns范圍內(nèi)可調(diào)的脈沖激光輸出。

2 高壓快脈沖源的設(shè)計

設(shè)計的高壓快脈沖源由低壓延時電路、兩個單路高壓脈沖產(chǎn)生電路(包括觸發(fā)電路和開關(guān)電路)和過渡電路等幾部分組成，其基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 脈沖源基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 structure of pusled source

該脈沖源的過渡電路為光電隔離轉(zhuǎn)化部分，它將前級的低壓延時電路與后級的高壓脈沖產(chǎn)生電路隔離開來，以防止后級產(chǎn)生的高壓脈沖對前級低壓延時信號的干擾，因而整個系統(tǒng)需采用兩個相互獨立的供電電源。由于前級的低壓延時電路部分所需電壓低且功耗小，因此采用干電池來供電，這樣既簡單又方便，同時穩(wěn)定性也很好;后級的高壓脈沖產(chǎn)生電路部分采用的是20～24 V直流電壓供電。另外開關(guān)電路設(shè)計為退壓工作方式，因此輸出的脈沖波形為高壓負脈沖波形，通過調(diào)節(jié)兩路低壓延時電路中延時信號的相對延時和脈寬，即可實現(xiàn)所輸出兩路高壓負脈沖的相對延時和各自零電平寬度(或脈寬)的調(diào)節(jié)。下面對脈沖源各部分電路分別進行介紹。

2．1 單路高壓脈沖產(chǎn)生電路

單路高壓脈沖產(chǎn)生電路的功能是產(chǎn)生一個快下降沿的高壓負脈沖，它由觸發(fā)電路和開關(guān)電路兩部分組成，其電路原理圖如圖2所示。

圖2 高壓脈沖產(chǎn)生電路原理圖Fig．2 schematic of high-voltage pusle generating circuit

開關(guān)電路是高壓脈沖產(chǎn)生電路的核心部分，它通過開關(guān)器件快速放電來獲取高壓負脈沖，因此開關(guān)器件的選擇直接決定了該部分電路的性能。由于本文所需高壓負脈沖的高電平在1000 V左右，且對其下降沿要求也較低(在10 ns水平)，另外考慮到開關(guān)電路的復雜性和穩(wěn)定性等因素，最后選擇高壓功率場效應管APT7F120B作為開關(guān)器件。該功率場效應管最大耐壓值為1200 V，因此無需多管串聯(lián)，只需要單個管子就能滿足所需高電平的要求，這樣極大地簡化了開關(guān)電路，可靠性高，同時所需驅(qū)動電路也較簡單;常溫下其最大漏極電流為7 A，脈沖工作方式時最大可達28 A，因此可承受在很大電流情況下的快速放電，不易因擊穿而損壞;其柵源極間的電容Ciss的典型值約為2565 pF，所需驅(qū)動脈沖的能量較小;其導通電阻典型值僅為2．07Ω，開關(guān)損耗很小;其導通時間約為22 ns，關(guān)斷弛豫時間和電流下降時間分別為45 ns和13 ns，實驗表明，即使不采用過壓驅(qū)動［7－8］，也能滿足約 10 ns的放電時間要求。

開關(guān)電路中所需的高壓直流電平由實驗室自制的小體積高壓電源模塊提供，它也能采用20～24 V直流電壓供電，可輸出0～1500 V可調(diào)的直流高壓。限流電阻(如圖2中的R7)在開關(guān)電路導通時起到限流的作用，由于高壓電源的功率絕大部分都消耗在該電阻上，因此該電阻發(fā)熱比較嚴重，需選用大功率且散熱性好的金屬膜電阻或水泥電阻。電光晶體相當于一個小電容并聯(lián)在開關(guān)器件兩端，在開關(guān)電路閉合狀態(tài)下由高壓電源模塊通過限流電阻給其充電，并使它兩端積累一定量的電荷后呈現(xiàn)高壓狀態(tài);當開關(guān)電路導通時，其兩端積累的電荷會被瞬間釋放，所加的高壓也隨之消失。由于電光晶體和開關(guān)器件的連線上存在電感，在開關(guān)器件放電瞬間會引起較大的過沖和振蕩，從而導致在光學斬波時，所得的激光脈沖前后沿會有很大的畸變，為此在電光晶體兩端并聯(lián)了一個大電流的快速導通二極管，以抑制過沖和振蕩的產(chǎn)生。該二極管型號為RHRP32120，反向耐壓值為1200 V，正向?qū)娏鳛?0 A，當出現(xiàn)過沖和振蕩時，能迅速地導通而使電荷中和，從而起到抑制的作用。

觸發(fā)電路用于產(chǎn)生一個控制開關(guān)電路通斷的觸發(fā)脈沖，由于本文采用高壓功率場效應管作為開關(guān)器件，因此為了獲得很短的放電時間，要求觸發(fā)脈沖前沿陡峭且驅(qū)動電流大;同時還要求所輸出的高壓負脈沖的零電平寬度大范圍可調(diào)，因此觸發(fā)脈沖的脈寬也需要可調(diào)。從電路功能上講，觸發(fā)電路主要對低壓延時信號進行放大和整形，主要器件為兩個互補的晶體三級管［9］，其原理圖如圖3所示。首先由低壓延時信號驅(qū)動NPN管(BC337)瞬間導通，此時PNP管(BC327)的發(fā)射極和基極間產(chǎn)生電壓差后也隨之導通，電容C0上的電荷迅速加載到PNP管的集電極上輸出，從而得到一個上升沿在4 ns內(nèi)、峰值電壓為18 V的觸發(fā)脈沖。當滑動變阻器R3值不為零時，觸發(fā)脈沖的電量僅來自電容C0，因而其脈寬最短，此時得到的高壓負脈沖的零電平寬度也最短;當R3值為零時，PNP管的發(fā)射極直接連在穩(wěn)壓電源+18 V上，若NPN管和PNP管繼續(xù)處于導通狀態(tài)，觸發(fā)脈沖的電平也還會維持在高電平，直到NPN管和PNP管恢復到閉合狀態(tài)為止，因此通過調(diào)節(jié)低壓延時信號的脈寬即可控制觸發(fā)脈沖高電平的持續(xù)時間，繼而控制輸出高壓負脈沖的零電平寬度。這里電阻R5的選擇至關(guān)重要，若其取值太大，在NPN管導通時，它將會制約PNP管的導通速度，從而減緩所得觸發(fā)脈沖的上升沿;若其取值太小，在NPN管和PNP管都導通時，易因電流過大而損壞三極管，因此該電阻值需折中考慮。經(jīng)試驗，取R5值約為50Ω為宜，同時選用散熱較好的金屬膜電阻。

2．2 低壓延時電路

低壓延時電路用于產(chǎn)生兩路延時精密且可調(diào)的低壓脈沖，同時所得脈沖的前沿要陡峭，寬度也需可調(diào)。其電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 低壓延時電路結(jié)構(gòu)圖Fig．3 structure of low-voltage delay circuit

由于該部分電路采用干電池供電，因此為節(jié)省電量以延長供電時間，電子器件類型選擇的主要是功耗較低的CMOS類型。首先由LM7555及其外圍電路來產(chǎn)生一個頻率1～10 kHz范圍可調(diào)的矩形脈沖，然后通過反相器將其分為兩路，最后分別對兩路脈沖信號進行延時和脈寬調(diào)整。延時和脈寬調(diào)整的器件采用的都是雙高精度單穩(wěn)多諧振蕩器CD74HCT4538，它的管腳功能圖如圖4所示，包括兩個獨立的單穩(wěn)多諧振蕩器，其延時時間 τ≈Rx Cx，實驗中 Cx采用1 pF電容，Rx選用100 kΩ滑動變阻器，最大延時約100 ns，這里相對時間抖動主要來源于電阻阻值的變化，但由于電容值極小，因此由該器件引起的時間抖動很小(ΔRx=200Ω，Δτ≈0．2 ns)。

圖4 CD74HCT4538管腳功能圖Fig．4 functional diagram of CD74HCT4538

2．3 過渡電路

過渡電路的功能就是將低壓延時信號無失真地傳輸?shù)礁邏好}沖產(chǎn)生電路，它包括整形和光電耦合轉(zhuǎn)換兩部分，其電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 過渡電路結(jié)構(gòu)圖Fig．5 structure of transition circuit

由于低壓延時電路與高壓脈沖產(chǎn)生電路分布在不同的印制電路板上，兩者之間采用導線來連接，這樣當?shù)蛪貉訒r信號從一塊電路板傳輸?shù)搅硪粔K電路板時，可能會因外界干擾而產(chǎn)生變形，因此在進行光電耦合轉(zhuǎn)換之前，需要先對其進行整形。這里采用的器件是超高速高精度比較器MXL1016，它具有非?？斓捻憫俣?約10 ns)，能很好地保持原脈沖的前沿。光電耦合轉(zhuǎn)換部分采用的器件是高速光電耦合器HCPL－2061，具有很短的上升沿響應時間(24 ns)，因此引入的時間抖動很小。總之，由于過渡電路中采用的都是高速器件，因此受該電路所用器件響應速度影響導致的時間抖動非常小。

3 電路性能測試

經(jīng)測試，所得高壓快脈沖源輸出的兩路高壓負脈沖重復頻率為1～10 kHz，高電平最大值可達1200 V。從圖6中可看到，輸出高壓負脈沖的下降沿約為9 ns，開關(guān)電路具有很快的放電速度，這也意味著在對連續(xù)光進行光學斬波時可得到前后沿非常陡峭的激光脈沖;從圖7(a)和圖7(b)的高壓負脈沖波形測量圖可知，其零電平寬度可在200 ns～15μs范圍可調(diào)，即高壓負脈沖具有很大的零電平調(diào)節(jié)范圍;兩路高壓負脈沖之間可實現(xiàn)正負的延時，圖8(a)和圖8(b)分別表示第一路高壓負脈沖比第二路超前1．7 ns和落后1 ns。

圖6 高壓負脈沖下降沿測量圖Fig．6 falling edgemeasurement diagram of negative high-voltage pulse

圖7 高壓負脈沖的零電平寬度測量圖Fig．7 zero-voltage level width measurement diagram of negative high-voltage pulse

圖8 不同延時狀態(tài)下的兩路高壓負脈沖波形圖Fig．8 waveform of two negetive high-voltage pulses with different delay time

高壓快脈沖源輸出的兩路高壓負脈沖的相對時間抖動主要來源于低壓延時電路中延時器件的延時抖動、過渡電路中受器件響應速度影響導致的時間抖動和開關(guān)器件自身導通時的時間波動等。如圖9所示，以第一路高壓負脈沖下降沿為觸發(fā)沿時，測得的第二路高壓負脈沖下降沿多次疊加的波形，經(jīng)測量，該波形寬度小于1 ns，這表明兩路高壓負脈沖之間具有良好的延時穩(wěn)定性，從而由兩級串聯(lián)式電光開關(guān)光學斬波得到的激光脈沖的寬度將具有良好的穩(wěn)定性。

圖9 兩路高壓負脈沖相對時間抖動測量圖Fig．9 relative time jitter of two negative high-voltage pulses

4 光學斬波實驗

采用兩塊LiNbO3作為電光晶體分別并聯(lián)在兩個開關(guān)電路的開關(guān)器件兩端，組成兩級串聯(lián)式電光開關(guān)對連續(xù)激光進行腔外光學斬波實驗，其原理圖如圖10所示。其中LiNbO3晶體采用橫向加壓方式，尺寸為3 cm×3 cm×20 cm，對于1064 nm激光，其半波電壓Vλ/2約為1060 V。

圖10 兩級串聯(lián)式電光開關(guān)Fig．10 two electro-optic switches in series

從圖10中可知，實驗裝置中還包括三個偏振片，其中偏振片1作為起偏器將連續(xù)光轉(zhuǎn)化成線偏振光(若連續(xù)光本身即為線偏振光，此器件可省略);偏振片2為第一級檢偏器，與偏振片1偏振方向平行，當?shù)谝患夒姽忾_關(guān)處于半波電壓狀態(tài)時，連續(xù)光不通過偏振片2，當一個快下降沿到來時，輸出一個快上升沿的光脈沖;偏振片3作為第二級檢偏器，與偏振片1、2偏振方向垂直，當?shù)诙夒姽忾_關(guān)處于半波電壓狀態(tài)時，激光通過偏振片3，在一個快下降沿過后，前一級輸出的光脈沖將獲得一個快的下降沿，從而實現(xiàn)雙快沿激光脈沖的輸出。

通過上述光學斬波實驗，獲得了重復頻率為1～10 kHz、上升沿和下降沿均在10 ns左右的激光脈沖輸出，其脈寬在10～100 ns之間連續(xù)可調(diào)。如圖11所示為激光脈沖在重復頻率為10 kHz時的波形圖;圖12(a)和圖12(a)(b)分別為脈寬在約10 ns和100 ns時的激光脈沖波形輸出圖。另外通過加高精度延時線或延時芯片，還能實現(xiàn)脈寬在100 ns～10μs超大范圍的激光脈沖輸出。

圖11 激光脈沖在重復頻率為10 kHz時的波形圖Fig．11 waveform of laser pulse with frequency at10 kHz

5 總結(jié)

本文通過采用大電流高壓快速開關(guān)二極管RHRP32120與開關(guān)器件并聯(lián)和高速光電隔離器HCPL－2061將高壓脈沖與低壓延時信號隔離等措施研制了一種可雙路輸出、相對延時精度高、單路高壓負脈沖重復頻率和零電平寬度分別在1～10 kHz和200 ns～15μs范圍內(nèi)可調(diào)且低過沖和振蕩電壓的新型高壓快脈沖源。該脈沖源設(shè)計簡單，調(diào)試方便，所需元器件少，且體積小、成本低、穩(wěn)定性好，具有良好的實用化前景。另外將采用LiNbO3作為電光晶體制做而成的兩級串聯(lián)式電光開關(guān)應用于連續(xù)激光的腔外光學斬波，得到了重復頻率和脈寬分別在1～10 kHz和10～100 ns范圍內(nèi)可調(diào)的雙快沿激光脈沖輸出。

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