小型氮分子激光器的電路設(shè)計

摘 要 設(shè)計了小型氮分子激光器的電源，電路體積小、功率大、發(fā)熱小、壽命長、容易制作，具有耐沖擊、高效率的優(yōu)點。氮分子激光器的供電電路由變壓器、零電壓開關(guān)驅(qū)動和高壓包三部分組成。在核心的零電壓開關(guān)上，我們設(shè)計的電路

可以產(chǎn)生高壓拉弧效果，能給激光器提供高達約1.5萬伏的高壓，將氮分氮分子激發(fā)到高能級，從而激勵出激光。

關(guān)鍵詞 氮分子激光器；零電壓開關(guān)；高壓包；高壓拉弧

中圖分類號 TN248 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-（2012）112-0180-02

氮分子激光器--是具有輸出峰值功率高，輸出激光波長處于紫外波段（337.1nm）等特點，它是一種重要的近紫外相干光源。它的應(yīng)用也十分廣泛，可以作為有機染料激光器的泵浦光源；分離同位素、熒光診斷、超高速攝影、污染檢測以及醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)育種等方面。

氮分子激光器需要高達萬伏級的電源實現(xiàn)激勵出光。關(guān)于氮分子激光器電源制作這方面的文獻很少。我們設(shè)計制作了氮分子激光器的供電電路，運用了變壓器中的電壓變換、軟開關(guān)中的零電壓開關(guān)、行輸出變壓器提高陽極電壓，電源整體輕便小巧，能輸出12 kV的高壓。當大氣壓下的氮氣流過激光腔，脈沖形成線外側(cè)沖壓的火化室內(nèi)自觸發(fā)火花隙放電時，激光器有穩(wěn)定輸出。本文主要介紹通過調(diào)整火花隙的距離和激光器輸出能量，使得氮分子激光器處于最佳的放電電壓。

1 氮分子激光器的工作原理

氮分子激光器的原理如圖1所示：鋁板和鋁箔以環(huán)氧樹脂板為電介質(zhì)形成兩個電容器，電源接通后，由于電感對直流為通路，電源同時對儲能電容器和脈沖傳輸線充電，上面兩塊鋁箔板均為高電位，下面鋁箔為零電位，這時激光腔內(nèi)兩電極具有相同電位，不會產(chǎn)生氣體放電。當達到一定高壓時，火花隙擊穿，該點電位突然降到零，與下面鋁箔的零電位相等。零電位迅速向左傳播，使激光腔內(nèi)接脈沖傳輸線的電極也降到零電位。因為電感對瞬時電流為斷路，而接儲能電容器的電極仍處于高電位，此時兩電極間形成的高電位差使氣體放電，激勵氮分子產(chǎn)生激光。經(jīng)很短時間的放電后，兩電極間的電壓降到了擊穿電壓以下，放電停止，完成一個激光脈沖。

2 激光器高壓電源的電路結(jié)構(gòu)

圖1 氮分子激光器的結(jié)構(gòu)

氮分子激光器的電源主要分為三個部分（圖2）：變壓器、高壓包和零電壓開關(guān)驅(qū)動電路。變壓器將220 V交流電源轉(zhuǎn)成零電壓開關(guān)驅(qū)動電路所需的12 V～36 V電壓。變壓器輸出的電壓通過兩塊IRFP250N驅(qū)動芯片雙驅(qū)動來驅(qū)動高壓包，從而使高壓包兩個輸出端口產(chǎn)生12 KV～16 KV的高壓，以此來擊穿火花隙，產(chǎn)生一個激光脈沖。上下鋁箔板的電壓差的要求是萬伏級的，制作起來有一定的難度。

3 變壓器、高壓包和零電壓開關(guān)驅(qū)動電路

變壓器利用電磁感應(yīng)原理改變交流電壓的裝置，主要由初級線圈、次級線圈和鐵心（磁芯）構(gòu)成。我們的電路中利用了變壓器的電壓變化及穩(wěn)壓功能，將220 V電壓變化成12 V～36 V電壓。高壓包是行輸出變壓器的俗稱，功能是輸出高壓直流電。其原理是提高陽極電壓，使電子束以更快的速度轟擊出。高壓包主要運用于電視機中，在電視機用來加速電子式屏幕達到足夠亮度，也用在電腦液晶顯示屏中，使屏幕達到足夠亮度。我們設(shè)計的電路利用高壓包給氮分子激光器供電。零電壓開關(guān)電源[2]以硬開關(guān)模式工作，即開關(guān)過程中電壓下降/上升和電流上升/下降波形有交疊，因而開關(guān)損耗大。高頻化雖然可以縮小體積重量，但開關(guān)損耗卻更大了。為此，必須研究開關(guān)電壓/電流波形不交疊的技術(shù)，即所謂零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switch，簡稱ZVS）/零電流開關(guān)（ZCS）技術(shù)，或稱軟開關(guān)技術(shù)。零電壓開關(guān)驅(qū)動電路如圖3

所示。

圖3 零電壓開關(guān)驅(qū)動電路

4 火花隙的距離與放電電壓的關(guān)系

斷開電源之后，改變火花隙的放電距離L1，這樣就能方便地控制火花隙的放電電壓U（前提是控制氣壓不變，因為控制氣壓也能改變放電電壓）。圖4為火花隙在標準大氣壓（1.013×105Pa）下，火花隙放電電壓與放電距離的實驗值，如A點火花隙的距離L1=1.0 mm時，電源電壓超過了6.5 kV，兩鋁電極會自動擊穿氮氣放電。

圖4 放電電壓與放電距離的關(guān)系

5 激光器輸出能量與放電電壓的關(guān)系

圖5 激光器輸出能量與放電電壓的關(guān)系

激光腔放電電極的距離L2在0.8 mm～3.4 mm之間變化時，激光器都有激光輸出。對不同的距離，激光器輸出能量與放電電壓的實驗關(guān)系曲線如圖5所示，其中U為放電電壓，E為單脈沖能量的相對值。在放電電極距離L2較小時，放電電壓最低可為4 kV，但是激光輸出很弱，而且激光腔中放電不穩(wěn)定。隨著放電電極距離L2的增大，激光器的能量明顯增加，且能量輸出均勻穩(wěn)定。放電電極對應(yīng)一段距離，激光器的輸出隨放電電壓的升高而增加，并且有一個最大值，此時放電電壓再升高，輸出能量也不再增加。當放電電極的距離超過3.6mm以上時，會有弧光放電。

6 總結(jié)

經(jīng)過多次實驗測試，氮分子激光器的電極間距最佳值是：火花隙的放電距離L1為3.5 mm，放電電極L2為3.2 mm，放電電壓為14.4 kV。

我們設(shè)計的小型氮分子激光器的供電電路采用了驅(qū)動電視機高壓包與零電壓開關(guān)電路，電路體積小、功率大、發(fā)熱小、壽命長、耐沖擊、效率高。在24 V供電的情況下，可以200 W-300 W的功率連續(xù)長時間運行。在不連接激光腔時可以觀察到高壓電弧。此外，該電路設(shè)計可以運用于特斯拉線圈、馬克思發(fā)生器、雅各布天梯，對電學(xué)的高壓設(shè)計有一定的參考價值。

致謝

本研究受大學(xué)生創(chuàng)新活動計劃項目（編號cx1121009）、上海市教委學(xué)科建設(shè)專項（編號A-3500-11-10）的資助。在實驗制作過程中，上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院熊潔老師給予了大力支持和幫助，在此深表感謝。

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作者簡介

張均一，上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院10級自動化2班學(xué)生，研究方向：激光、高壓。