氦氖激光器電源設(shè)計(jì)報(bào)告

1、通信與信息工程學(xué)院激光器件與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)班 級(jí)：電子科學(xué)與技術(shù)姓 名：學(xué) 號(hào)：1207060221指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)時(shí)間：2016.1.4-2016.1.15成 績(jī)：評(píng) 語(yǔ)：通信與信息工程學(xué)院二一六年氦氖激光器電源設(shè)計(jì)1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?)熟悉激光器的基本原理和組成；2)掌握氦氖激光器工作原理；3)掌握氣體激光器對(duì)電源的要求；4)學(xué)會(huì)氣體激光器電源的設(shè)計(jì)和制作方法；5)完成3mW氦氖激光器放電電源的制作與調(diào)試。2實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備He-Ne激光器、萬(wàn)用表、線路板 、1N4007型二極管、0.022µF瓷片容器10uF電解電容、1M電阻、44K10W碳膜電阻。3 氦氖激光器的工作原理3.1 氦氖激光器的

2、基本組成1)放電管放電管由放電毛細(xì)管和貯氣管構(gòu)成，其中毛細(xì)管處于增益介質(zhì)工作區(qū)，是決定激光器輸出性能的關(guān)鍵組成部分，之所以采用毛細(xì)管結(jié)構(gòu)是由氖原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定的。貯氣管與毛細(xì)管相連，且毛細(xì)管的一端有隔板，這是為了保證放電管的工作物質(zhì)總量， 使毛細(xì)管內(nèi)的氣體得到不斷的更新，減緩了放電時(shí)毛細(xì)管內(nèi)的雜質(zhì)氣體的增加和氦氖氣壓比的變化速率，延長(zhǎng)了器件壽命。普通的氦氖激光器放電管一般用GG17硬質(zhì)玻璃制成，而高穩(wěn)定性器件常采用熱脹洗漱更小的適應(yīng)玻璃制成。2)電極電極有陽(yáng)極和陰極，陰極多采用冷陰極方式，冷陰極材料多采用陰極濺射效應(yīng)小，電子發(fā)射率高的鋁和鋁合金制成。為了進(jìn)一步增加電子發(fā)射截面和降低濺射效應(yīng)，

3、陰極常制成圓筒狀，并有盡可能大的尺寸；陽(yáng)極一般用鎢針制成。一般氦氖激光器多采用直流放電激勵(lì)，處于正常輝光放電區(qū)域，屬于高電壓、低電流自持放電，起輝電壓約為8kV/m，放電電流在幾毫安到幾百毫安范圍內(nèi)，作為增益區(qū)域的毛細(xì)管幾乎整體處在正柱區(qū)中。3)光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔有一對(duì)鍍有多層高反射率介質(zhì)膜的反射鏡組成，一般采用平凹腔形式，平面鏡為輸出鏡，透過(guò)率約為1%2%，凹面鏡為全反射鏡，反射率接近100%。通常根據(jù)諧振腔的結(jié)構(gòu)不同分為內(nèi)腔式氦氖激光器、外腔式氦氖激光器、半內(nèi)腔式氦氖激光器、旁軸式氦氖激光器和單毛細(xì)管式氦氖激光器。3.2氦氖激光器的最佳放電條件 放電條件包括放電電流，充氣氣壓，充氣混合比

4、等。這三者均與放電管直徑有著密切關(guān)系。對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的充氣氣壓，存在一個(gè)與最大輸出功率對(duì)應(yīng)的放電電流。充氣氣壓增大，最佳放電電流減小。放電電流的變化主要是改變電子密度，對(duì)輸出功率的影響具體分析。在最佳充氣條件下，對(duì)應(yīng)著最大輸出功率的放電電流成為最佳放電電流。在充氣混合比一定時(shí)，每個(gè)充氣氣壓存在一個(gè)最佳放電電流，最佳放電電流隨總氣壓的升高而降低，還與放電管直徑有關(guān)，隨放電管直徑增大而增大。3.3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的建立過(guò)程氦氖激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的建立過(guò)程取決于能級(jí)結(jié)構(gòu)。氦氖激光躍遷屬于典型的四能級(jí)系統(tǒng)。泵浦能級(jí)為氦原子的亞穩(wěn)態(tài)、，激光上能級(jí)為氖原子的、，激光下能級(jí)為和，均為激發(fā)態(tài)。理論和實(shí)驗(yàn)表明：

5、采用直流放電激勵(lì)的氦氖激光器，其放電毛細(xì)管增益區(qū)處在正常輝光放電的正柱區(qū)，正柱區(qū)為等離子體。氦氖激光器實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布主要依靠電子碰撞激發(fā)和氦氖原子間的共振激發(fā)能量轉(zhuǎn)移過(guò)程，實(shí)現(xiàn)激光上能級(jí)的激發(fā)，以及對(duì)激光下能級(jí)的消激發(fā)過(guò)程。3.3.1激光上能級(jí)、的激發(fā)1）電子碰撞激發(fā)以適當(dāng)能量的電子與基態(tài)氖原子碰撞，使其激發(fā)到2s、3s態(tài)。反應(yīng)方程為 （3-1）除此以外，處在正柱區(qū)的電子對(duì)1s、2p和3p能級(jí)也有激發(fā)，而且對(duì)1s、2p能級(jí)的激發(fā)幾率大于對(duì)2s、3s態(tài)的激發(fā)幾率，因此，單靠電子碰撞激發(fā)是不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的。常稱這些不能按人們意愿控制的激發(fā)為非選擇性激發(fā)。2）共振激發(fā)能量轉(zhuǎn)移激發(fā)以適當(dāng)能

6、量的電子與基態(tài)氦原子碰撞，使其激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)2¹S。2³S1，反應(yīng)方程為 （3-2）這要求快電子具有能量分別為20.55eV、19.77eV，相應(yīng)電子溫度高達(dá)，比工作氣體溫度高。一般來(lái)說(shuō)，亞穩(wěn)態(tài)氦原子經(jīng)過(guò)共振激發(fā)能量轉(zhuǎn)移過(guò)程對(duì)基態(tài)氖原子的選擇性激發(fā)，比電子碰撞激發(fā)的幾率要大。3.3.2 激光下能級(jí)的消激發(fā)激光下能級(jí)的激發(fā)主要是電子碰撞，使基態(tài)氖原子躍遷到激發(fā)態(tài)和，其反應(yīng)方程為： （3-3） 從激發(fā)態(tài)2P和3p向低能級(jí)的躍遷過(guò)程稱為消激發(fā)，主要是以自發(fā)輻射的形式首先躍遷到1s態(tài)，弛豫速率很快，因此1s能級(jí)上的氖原子數(shù)將出現(xiàn)堆積。把這種低能級(jí)粒子數(shù)出現(xiàn)阻塞的現(xiàn)象稱為瓶頸效應(yīng)。為了

7、提高粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)分布的絕對(duì)值，關(guān)鍵是排空1s能級(jí)的粒子。有效的方法時(shí)選擇低氣壓，細(xì)放電管直徑的結(jié)構(gòu)。 4.氦氖激光器對(duì)電源的要求4.1氣體放電的基本原理氣體激光器的激勵(lì)方式一般是采用氣體放電。在平常情況下氣態(tài)物質(zhì)是絕緣體，當(dāng)加上電壓時(shí)，氣體中產(chǎn)生的電流很微弱，但當(dāng)電壓升高至一定值時(shí)電流會(huì)突然增大，同時(shí)電極間電壓突然減小，氣體從絕緣體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體,這叫做氣體的擊穿或“著火”。按照氣體導(dǎo)電的伏安特性曲線來(lái)劃分，擊穿后氣體導(dǎo)電還可分為正常輝光放電和反常輝光放電區(qū)域。由于放電管擊穿后變成導(dǎo)體，此時(shí)放電管電壓比擊穿時(shí)低很多，所以整個(gè)放電電路的電壓就會(huì)有相當(dāng)大的一部分落到限流電阻上。擊穿氣體導(dǎo)電性質(zhì)的突變

8、，是由于此時(shí)氣體中產(chǎn)生許多正離子和自由電子。在外電場(chǎng)的作用下，分別向陰陽(yáng)、極運(yùn)動(dòng)，造成放大電流很大。 放電電流對(duì)于激光器的輸出功率有直接的影響，既有一個(gè)最佳放電電流，這一數(shù)值在激光器生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中。 擊穿后處于正常工作的氦氖激光器，其放電屬于正常激光放電。整個(gè)放電過(guò)程由伏安特性曲線描述。圖4.1-伏安特性曲線4.2氦氖激光器對(duì)電源系統(tǒng)的要求氦氖激光器常采用直流高壓輝光放電激勵(lì)，此類放電的特征是：傳導(dǎo)電流的范圍為10e-610e-1A,管壓降為幾百伏到幾千伏，工作在小電流高電壓的正常輝光放電區(qū)域；有較高的陰極位降和較強(qiáng)的陰極濺射；激光管的伏安特性呈負(fù)阻性。為此在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)，必須選擇合

9、理的外特性，使激光管處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，具體要求如下：(1)激光器能進(jìn)入正常激光放電狀態(tài)，其空端載電壓必須達(dá)到擊穿電壓。對(duì)管長(zhǎng)250450毫米的氦氖管，擊穿電壓在4006000伏特。(2)擊穿后電源應(yīng)能保證供給激光管正常工作電壓和工作電流。在正常輝光放電區(qū)，其伏安特性呈負(fù)阻性，因此必須采取一定的限流措施。(3)氦氖激光器的輸出功率強(qiáng)烈的依賴于放電管的放電管的電流強(qiáng)度。在一定范圍內(nèi)與電流平方成正比。(4)為使激光器有較大的使用范圍，其電流、電壓應(yīng)有一定的調(diào)節(jié)范圍。調(diào)節(jié)范圍的下限為維持放電電流，對(duì)氦氖激光器，最小維持電流為35mA;上限為略大于最佳工作電流。5氦氖激光器電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)氦氖激光器電源電

10、路有多種形式，例如倍壓整流式、直流交流交換升壓式等。我們以250mm氦氖激光管氦氖激光器倍壓式電流為例，說(shuō)明此類電路的設(shè)計(jì)思路。(1)考慮到250mm氦氖激光管的擊穿電壓在50006000V之間，對(duì)220V交流電壓必須進(jìn)行2327倍升壓；(2)為保證擊穿后能正常工作，工作電壓在10001500V之間，工作電流在510mA之間，必須選取適當(dāng)?shù)南蘖麟娮琛?.1 電路原理圖圖5-1倍壓整流電路5.2仿真電壓輸出波形仿真輸出電壓為8000V左右符合實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。圖5-2仿真電壓輸出波形5.3激光器電源所用器件的檢測(cè)5.3.1 整流二極管的檢測(cè)1）極性的判別：將萬(wàn)用表置于R*100檔或者R*1k檔，兩表筆分

11、別接二極管的兩個(gè)電極。測(cè)出一個(gè)結(jié)果后，對(duì)調(diào)兩表筆，再測(cè)出一個(gè)結(jié)果。兩次測(cè)量的結(jié)果中，有一次測(cè)量的阻值較大（為反向電阻），一次測(cè)量的阻值較?。檎螂娮瑁Ｔ谧柚递^小的一次測(cè)量中，黑表筆接的是二極管的正極，紅表筆接的是二極管的負(fù)極。2） 導(dǎo)電性能的檢測(cè)：正向電阻越小越好，反向電阻越大越好。正、反向電阻阻值相差越懸殊，說(shuō)明二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩Ｈ魷y(cè)得二極管的正反向電阻值均接近于0或者阻值較小，則說(shuō)明該二極管的內(nèi)部已經(jīng)擊穿短路。若測(cè)得二極管的正方向電阻值均為無(wú)窮大，則說(shuō)明該二極管已經(jīng)開(kāi)路損壞。5.3.2 電解電容的檢測(cè)將萬(wàn)用表打到電容檔位，紅表筆接正極，黑表筆接負(fù)極，萬(wàn)用表數(shù)值不斷在變化中說(shuō)明電解

12、電容良好。5.3.3電阻的檢測(cè)將兩表筆（不分正負(fù)）分別與電阻的兩端引腳相接即可測(cè)出實(shí)際電阻值。為了提高測(cè)量精度，應(yīng)根據(jù)被測(cè)電阻標(biāo)稱值的大小來(lái)選擇量程。由于歐姆檔刻度的非線性關(guān)系，它的中間一段分度較為精細(xì)，因此應(yīng)使得指針指示值盡可能落到刻度的中間位置，即全刻度起始的20%80%弧度范圍內(nèi)，以使測(cè)量更加準(zhǔn)確。根據(jù)電阻誤差的等級(jí)不同。讀數(shù)與標(biāo)稱值之間分別允許有5%、10%或20%的誤差。如不相符。超出誤差范圍，則說(shuō)明電阻值變值了。 5.4電路板的焊接（1）熟悉、檢查元器件是否完好；（2）進(jìn)行二極管通斷試驗(yàn)；（3）表面處理：元器件管腳及焊盤(pán)氧化層的處理，以防止虛焊；（4）掛錫；（5）焊接元器件；（6）

13、運(yùn)交指導(dǎo)老師檢查；（7）驗(yàn)收調(diào)試：焊接電源接線，連接氦氖激光管工作電路;（8）經(jīng)檢查合格后，在指導(dǎo)老師監(jiān)護(hù)下接通電源，進(jìn)行最佳放電電流測(cè)試。6實(shí)驗(yàn)結(jié)果在實(shí)驗(yàn)中將制作好的激光電源加載氦氖激光管兩側(cè)，氦氖激光管發(fā)出紅色激光。6.1空載測(cè)量（1）將25個(gè)1M串聯(lián)的電阻接入激光電源電路然后用萬(wàn)用表測(cè)量其中一個(gè)電阻上的電壓為129V，則此時(shí)的空載電壓為：12925=3225V。（2）將電流表串聯(lián)接入25M的電阻中測(cè)出此時(shí)的電流0.14mA，可以空載電壓為：0.14mA25M=3500V。6.2負(fù)載測(cè)量（1）將電源與激光器相連，再將25個(gè)1M串聯(lián)的電阻與激光器并聯(lián)，用萬(wàn)用表測(cè)量其中一個(gè)電阻上的電壓53V，

14、測(cè)得負(fù)載電壓為：53V25=1325V。（2）將電源與激光器相連，再將25個(gè)1M的電阻和電流表串聯(lián)再與激光器并聯(lián)測(cè)得此時(shí)的電流0.06mA，測(cè)得負(fù)載電壓為：0.06mA25M=1500V。（3）測(cè)量負(fù)載電流，將電流表和激光器串聯(lián)接入電源中，接通電源觀察此事的電流大小，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得負(fù)載電流為9mA 。實(shí)驗(yàn)中開(kāi)始將25M電阻與激光器并聯(lián)后再開(kāi)啟電源此時(shí)激光器不能工作，放電管沒(méi)有被擊穿，然后取下電阻重新插上電源放電管正常發(fā)光后再將電阻并連上去激光器依舊正常工作，由此可見(jiàn)激光器的擊穿電壓比正常工作電壓高。這就是氦氖激光器工作需要高壓電源的原因。在每次激光管工作后電容都會(huì)充電，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后需要對(duì)電容進(jìn)行放電處理。7心得體會(huì)通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)使我對(duì)于激光器的基本原理以及氦氖激光器的基本構(gòu)成有了一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，使得對(duì)于激光器的認(rèn)識(shí)不僅僅是停留在書(shū)本上。另外由于之前對(duì)于電源方面接觸的知識(shí)比較少，對(duì)于像激光器電源這種高壓電源可以說(shuō)一直是敬而遠(yuǎn)之。通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)雖然對(duì)于電源的顧慮還是存在的，但是對(duì)于電源這種東西對(duì)我已不