氦氖激光器工作電源的研究與設(shè)計

1、氦氖激光器工作電源的研究與設(shè)計摘要:氦氖激光器在科學(xué)研究、實驗教學(xué)方面有較大用處,它不僅相干性好,波長穩(wěn)定,能量集中,且價廉物美。介紹了氦氖激光器的工作原理、電氣特性;研究了波長為632.8nm氦氖激光器的高電壓小電流恒流電源,激光管的電氣特性與電源相匹配的關(guān)鍵技術(shù),并對串級倍壓電路與變壓器穩(wěn)流電路的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析與比較;提出一種有效的仿真方法,對激光電源的設(shè)計、維修有一定參考作用。關(guān)鍵詞:氦氖激光器;倍壓電路;變壓器穩(wěn)流電路;恒流電源  氣體激光器的種類較多,輸出的激光波長范圍也極寬。氣體工作物質(zhì)的光學(xué)均勻性比較好,因而氣體激光器輸出的激光發(fā)散角一般都比其他激光器的發(fā)散

2、角小。氦氖激光器是氣體激光器的一種,它的工作物質(zhì)為氦氣、氖氣的混合氣體,激光是由氖原子的躍遷發(fā)射的,氦為輔助氣體,它使氖原子更容易建立較高的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)值,并提高激光器的輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率。1氦氖激光器特點(diǎn)與工作要求每一種類型的激光器都需要研制專門的電源,以便用最小損耗來泵浦激光工作物質(zhì),保證獲得所要求的輻射參量。為了設(shè)計電源電路,必須研究激光器的工作原理、電學(xué)特性(點(diǎn)火電壓、正常工作電壓和工作電流),同時考慮把激光器作為負(fù)載接入電路時,對電路的制約。1.1氖激光器的特點(diǎn)氦氖激光器是原子激光器,連續(xù)波發(fā)射,泵浦源由電流來實現(xiàn),它的輸出功率從幾毫瓦到幾十毫瓦。當(dāng)工作物質(zhì)充滿長為1520cm、直

3、徑為10mm以下的氣體放電管中,在放電管的電極之間加上幾百伏到10kV的直流電壓,管內(nèi)就產(chǎn)生輝光放電,形成激光。氦氖激光器的泵浦電流在幾毫安到幾十毫安之間變化,它的輻射功率與泵浦電流、混合氣體的壓強(qiáng)和成分以及輻射器的結(jié)構(gòu)有極大的關(guān)系,輻射功率與泵浦電流大致呈二次曲線關(guān)系。激光器工作時,幾乎全部的電壓降都發(fā)生在毛細(xì)管放電的陽極柱中,電流和電壓特性幾乎完全決定于陽極柱。除了很短的放電管,陽極和陰極區(qū)僅起著相對次要的作用,電源近似地作為一個電流電源,而不是電壓電源。1.2氦氖激光器的技術(shù)指標(biāo)氦氖激光器的放電管包括放電毛細(xì)管、儲氣套和電極3部分。放電毛細(xì)管是發(fā)生氣體放電以及形成激光振蕩的區(qū)域,它的內(nèi)徑

4、比較小,常用的小型器件內(nèi)徑為11.2mm。儲氣套與放電毛細(xì)管同軸并相通,但在里面不發(fā)生氣體放電,它的直徑比放電毛細(xì)管粗幾十倍。儲氣套等效地增大了放電毛細(xì)管儲存工作氣體的體積,對提高激光器輸出功率穩(wěn)定性,延長器件使用壽命有一定的作用。一般氦氖激光器的陽極用一根直徑為1mm左右的鎢桿,陰極是鋁做成的圓筒。做電極的鋁純度很高(99.98%),純鋁陰極的濺射和蒸發(fā)比工業(yè)鋁要小。一般氦氖激光器采用球面共焦腔或者平2凹半共焦腔結(jié)構(gòu),反射鏡的基板是由化學(xué)玻璃精心制作,激光由反射鏡透射出腔外。氦氖激光器的增益比較小,所以對共振腔的反射鏡質(zhì)量要求比較高。波長為632.8nm激光器的工作參數(shù),如表1所示。激光器的

5、工作參數(shù)指標(biāo)參數(shù)指標(biāo) 參數(shù) 指標(biāo)參數(shù)模式單模點(diǎn)火電壓/V約6000 最佳工作電壓/Pa52/d(d為放電毛細(xì)管內(nèi)徑/mm)腔長/mm250工作電壓/V約1200工作電流/mA 70d光功率/mW2.8工作電流/mA010連調(diào)單程增益系數(shù)3×10-4l/d(l為放電管長度/mm) 額定電流/mA4.81.3激光器對電源的要求負(fù)載電流之間的關(guān)系稱電源的外特性,電路中的負(fù)載有激光器中的高強(qiáng)度非相干光的輻射源、各種氣體放電管、半導(dǎo)體二極管,它們必須與輸出電壓的伏安特性相匹配。同時,獲得高的動力指標(biāo)和運(yùn)行指標(biāo)以及所要求的電泵浦參數(shù),也是這種匹配

6、的重要內(nèi)容之一。對電源的主要參數(shù),應(yīng)既能手動控制,又能自動控制。這樣,一方面可以在給定的范圍內(nèi)改變輻射能量或功率;另一方面,保證各類激光器輸出的輻射參數(shù),在外界氣候和機(jī)械因素影響下,電源對激光管的輸出電壓保持穩(wěn)定。由于激光器的電光轉(zhuǎn)化效率不高,并有一定的移動要求,因此,必須盡量使電源具有最小的重量尺度和較強(qiáng)的動力效果。對定型的器件,電路結(jié)構(gòu)應(yīng)該統(tǒng)一,以使得為各種技術(shù)領(lǐng)域所研制的電源參數(shù)和結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化,且其元件和部件又具互換性。此外,激光器電源應(yīng)有故障保護(hù),能在一定的氣候和機(jī)械條件下工作,使用、修理方便。2氖激光器電源設(shè)計在研制氣體激光器的電源時,主要困難有2個:一是電源的外特性必須與氣體放電的非

7、線性伏安特性相匹配;二是保證氣體放電間隙的點(diǎn)火條件。接在交流電源上的各種整流設(shè)備,可作為氣體激光器的最簡單的電源,氣體放電管要串聯(lián)一只有功的鎮(zhèn)定電阻,其阻值必須大于氣體激光器伏安特性上所有工作區(qū)域內(nèi)的氣體放電等離子體的動態(tài)電阻21572158。為了調(diào)節(jié)和穩(wěn)定泵浦電流的大小,可使用一些控制元件,如電子管、晶體三極管、可控硅,這些元件在電源電路中的連接方式和位置,取決于電源的動力指標(biāo)和重量尺寸指標(biāo)。為使氣體放電間隙起燃,在氣體激光器的電源中,通常采用串級觸發(fā)的電路,如圖1所示,C旁為放電回路的旁路電容。有時,也可使主電源的電壓等于起燃電壓,這一電壓可能是工作電壓的幾倍,才可避免附加損耗2.1

8、60;氦氖激光器質(zhì)量判斷氦氖激光器放電電流噪聲與激光管內(nèi)的氣壓、氣體成分、毛細(xì)管分段結(jié)構(gòu)、陰極處理狀況等有關(guān)系。因此,通過測量激光器的放電電流噪聲,便可了解激光管內(nèi)的氣體成分變化情況,從而了解激光器的質(zhì)量,比如輸出功率狀況、使用壽命等15982600。對于長度為250mm的激光管,當(dāng)把放電電流從5mA增至10mA時,質(zhì)量合格的管子表現(xiàn)為:放電噪聲電流隨著放電電流的增加而迅速增加;質(zhì)量不合格的激光器(如存在慢性漏氣,或者激光管在制作過程中真空處理不完善,激光管內(nèi)的元件吸附有一定的雜質(zhì)氣體等),則電流噪聲變化很小。有些激光管在放電電流增加時,噪聲電流不是線性增長,而是某個區(qū)域有局部性升降。這種激光

9、器輸出功率不會很高。由經(jīng)驗結(jié)果表明,長度為250mm的激光管的噪聲電壓也能指示激光管的輸出功率水平:噪聲電壓小于0.4mV的激光管,大部分不能輸出激光;噪聲電壓在0.81.8mV的激光管,激光器輸出功率比較高,而且功率比較穩(wěn)定;噪聲電壓在2.43.4mV的激光管,輸出功率強(qiáng),但功率不夠穩(wěn)定;噪聲電壓大于3.6mV的激光管,激光器輸出功率不穩(wěn)定。測量電流噪聲電壓的辦法是:用一只電流紋波系數(shù)比較小、輸出電流可調(diào)的電源供電,在激光管陰極串接10的電阻,從它上面取出噪聲電壓,用10兆毫伏表測量。2.2 限流電阻的選擇所選取的限流電阻值太小,放電就不夠穩(wěn)定;但限流電阻值選得太大,電阻上的功率損

10、耗就會增加,從而降低激光器的能量轉(zhuǎn)換效率。合理地選擇限流電阻,對提高氦氖激光器輸出功率的穩(wěn)定性極有幫助。假定電源電壓為Ea1(Ea1大于放電管點(diǎn)火電壓)時,激光管的工作電流可以穩(wěn)定在Ia1,如圖2(a)所示,此時的管壓降為Ua1。如果調(diào)節(jié)電源供電電壓,使激光管的放電電流發(fā)生變化;當(dāng)供電電壓Ea降低時,限流電阻的伏安特性曲線向下平移,放電電流減小到Ia2,管壓降上升到Ua2;如果再降低供電電壓Ea,限流電阻特性曲線與激光管伏安特性曲線無交點(diǎn),放電便停止。所以,曲線的切點(diǎn)對應(yīng)的電阻值R1,即為最小限流電阻。測試和確定合理限流電阻值的步驟是:測出激光管的伏安特性曲線;測出激光管獲得最大輸出功率對應(yīng)的

11、放電電流,記為Iopt,通過它作與電壓軸平行的直線與伏安特性曲線相交于Q點(diǎn),通過Q點(diǎn)作與電流坐標(biāo)軸平行的直線,它與電壓坐標(biāo)軸相交于U1點(diǎn),如圖2(b)所示。由此,可確定工作在最佳工作電流時激光管相對應(yīng)的內(nèi)阻為Ropt=U1/Iopt。為使激光器能夠比較穩(wěn)定的工作,應(yīng)把限流電阻稍加大,一般取R=1.2Ropt。圖2 限流電阻的選擇3 2種氦氖激光器電源設(shè)計方案的比較  串級倍壓整流電路223和變壓器穩(wěn)流電路3較適合作為氦氖激光器的電源,且工作原理清晰易懂、電路結(jié)構(gòu)簡單,在工程上容易實現(xiàn)。3.1 串級倍壓整流電路串級倍壓電路如圖3所示,該電路圖具有

12、嚴(yán)格的對稱性,電源輸入端兩側(cè)各5個大電容構(gòu)成儲能回路,下端為串級倍壓電路。倍壓電路的分析(單元電路見圖4),正弦波正半周通過D1,使C1達(dá)到最大達(dá)到最大電壓,而后C1反向充電,電容C2通過二極管D2與C1充電。當(dāng)負(fù)半周期電壓達(dá)到幅值,C2充電過程結(jié)束。此時,D1、D2同時截止,當(dāng)輸入電壓等于C1上的電壓時,二極管電壓導(dǎo)通,C1被重新充電到外加電壓的幅值,而后D1截止,C2再次充電。以此類推,充電過程結(jié)束,C2上的電壓為外加電壓的2倍圖3 串級倍壓電路圖4 倍壓電路單元  推導(dǎo)結(jié)論:在對C2充電的第n個脈沖期間,下述方程始終成立,充電電流在t=0時出現(xiàn),在

13、t+<n=/2時終止,則UC2n(0)=U幅C1C1+C2sin<n+KUC2(n+1)(0)=U幅C1C1+C2+K  對第n個充電時刻來說,則有UC2n(0)2U幅=1-(1-K)n-1式中:K為積分常量,由邊界條件確定。該電路的優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單,重量小,作為氦氖激光器的電源功能完全可以實現(xiàn)。缺點(diǎn):實現(xiàn)需要制作較大的電路板,生產(chǎn)成本高,所用元件較多,故障率相應(yīng)提高。3.2 變壓器穩(wěn)流電路分析變壓器穩(wěn)流電路圖,如圖5所示,硬件圖中二極管實際為高壓硅堆,額定工作電流為100mA,最高電壓不超過4kV,2個0.22F的電容為耐高壓儲能電容,最高電壓不超過2

14、kV。通過四擋開關(guān)選擇變壓器不同的匝比及調(diào)節(jié)可變電阻,以調(diào)節(jié)電流大小,使其在010mA范圍變化。圖5 變壓器穩(wěn)流電路圖  高壓硅堆D1、D2與2個0.22F的電容起到全波整流的作用,D3、D4與2個4.7nF的電容構(gòu)成二級倍壓電路。激光管在從點(diǎn)亮到穩(wěn)定工作,電壓會從6000V左右降到約1200V,在此期間,電阻R1起到消耗多余能量的作用。虛線內(nèi)的電路為穩(wěn)流器,使電路呈恒流源。該電路的優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單,工作穩(wěn)定,使用壽命長,故障率低,生產(chǎn)成本低。缺點(diǎn):體積、重量較大。3.3 對2種氦氖激光器電源的仿真分析氦氖激光器的點(diǎn)火電壓約為6000V,負(fù)載為激光管,激光

15、管點(diǎn)亮后,激光管電壓自動降為正常工作電壓,約為1200V,工作電流約為7mA,電壓變化如圖6所示。t0為點(diǎn)火時刻,t1為激光管穩(wěn)定發(fā)光時刻,0到t1為激光管點(diǎn)燃的響應(yīng)時間。在t0時刻前,激光管的內(nèi)阻可視為無窮大,從t0到t1時間內(nèi),其內(nèi)阻是非線性減小的。因氦氖激光管點(diǎn)火時間短,通常為1s左右,且電壓高,用現(xiàn)有的示波器和電壓表難以觀測到點(diǎn)火前后電路各點(diǎn)電壓的變化過程。使用ElectronicsWork2bench5.0電路仿真軟件4進(jìn)行模擬電路的仿真,大量實驗證明:仿真電路各端點(diǎn)的電學(xué)特性與實際測量的結(jié)果十分接近,是近年來出現(xiàn)的一種方便、有效的新方法,因此,用它來分析和設(shè)計激光器的電源。具體做法

16、是:把圖3、圖4的電路圖分別放到Workbench平臺中,選用軟件系統(tǒng)提供的功能齊全的虛擬示波器,它最高達(dá)到5000V/檔,可得到圖7的激光器電源空載輸出電壓。通過ElectronicsWorkbench仿真軟件的虛擬示波器測試以上2種電路的空載電壓,可以了解激光管的點(diǎn)火電壓與點(diǎn)火時間。由虛擬示波器測得的電壓變化如圖7所示。圖6 激光管從亮點(diǎn)到穩(wěn)定工作的伏安特性示意圖圖7 虛擬示波器顯示的不同激光器電源空載時輸出的電壓曲線  圖7中:U1為串級倍壓整流電路的空載輸出電壓;U2為變壓器穩(wěn)流電路的空載輸出電壓。可看到,前者經(jīng)0.9s左右輸出電壓可達(dá)到6000V,而后者約0.1s后可達(dá)到6000V以上,雖然以后會出現(xiàn)波動降到6000V以下,但只要高于點(diǎn)火電壓且持續(xù)的時間大于激光管從點(diǎn)亮?xí)r刻t0到穩(wěn)定的時刻t1即可。同時需注意,激光管從加上電壓到能夠穩(wěn)定發(fā)光有一個響應(yīng)時間,所以激光管一般需2s左右的時間才能穩(wěn)定發(fā)光。通過以上分析,對一種新的激光器電源的設(shè)計,原則上要做到2點(diǎn):了解該激光器的伏安特性,甚至可以用電子元器件的組合特性來描述它;把設(shè)計方案用Workbench進(jìn)行優(yōu)