两级串联式电光开关高压快脉冲源的研制

杨 清，霍玉晶，何淑芳

(清华大学电子工程系，北京100084)

1 引言

在激光技术领域，电光开关被广泛应用于主动调Q激光器［1－2］和再生放大器(普克尔盒)［3－4］等系统中，以及腔外的激光强度和相位调制［5－6］，它的性能很大程度上取决于其电路驱动系统——高压快脉冲源［7－9］。

实际中为了从连续激光中获取脉宽从数十纳秒量级到微秒量级较大范围可调节的双快沿激光脉冲，可以通过两级串联式电光开关进行光学斩波(即腔外强度调制)来实现，基于小型化和低成本等方面考虑，本文研制了一种新型的可双路输出、相对时间抖动在纳秒量级的两级串联式电光开关高压快脉冲源。其中，为了防止高压脉冲对低压延时信号的干扰，采用光电隔离器将低压延时电路与高压开关电路隔离;所得高压脉冲高电平最大值为1200 V，下降沿约为9 ns，零电平宽度在200 ns～15μs之间可调，同时两路高压脉冲相对时间抖动小于1 ns。试验表明，该脉冲源性能优良且工作稳定。另外通过采用两块相同的LiNbO3作为电光晶体制作而成的两级串联式电光开关对连续激光进行腔外光学斩波，得到了重复频率和脉宽分别在1～10 kHz和10～100 ns范围内可调的脉冲激光输出。

2 高压快脉冲源的设计

设计的高压快脉冲源由低压延时电路、两个单路高压脉冲产生电路(包括触发电路和开关电路)和过渡电路等几部分组成，其基本结构示意图如图1所示。

图1 脉冲源基本结构示意图Fig．1 structure of pusled source

该脉冲源的过渡电路为光电隔离转化部分，它将前级的低压延时电路与后级的高压脉冲产生电路隔离开来，以防止后级产生的高压脉冲对前级低压延时信号的干扰，因而整个系统需采用两个相互独立的供电电源。由于前级的低压延时电路部分所需电压低且功耗小，因此采用干电池来供电，这样既简单又方便，同时稳定性也很好;后级的高压脉冲产生电路部分采用的是20～24 V直流电压供电。另外开关电路设计为退压工作方式，因此输出的脉冲波形为高压负脉冲波形，通过调节两路低压延时电路中延时信号的相对延时和脉宽，即可实现所输出两路高压负脉冲的相对延时和各自零电平宽度(或脉宽)的调节。下面对脉冲源各部分电路分别进行介绍。

2．1 单路高压脉冲产生电路

单路高压脉冲产生电路的功能是产生一个快下降沿的高压负脉冲，它由触发电路和开关电路两部分组成，其电路原理图如图2所示。

图2 高压脉冲产生电路原理图Fig．2 schematic of high-voltage pusle generating circuit

开关电路是高压脉冲产生电路的核心部分，它通过开关器件快速放电来获取高压负脉冲，因此开关器件的选择直接决定了该部分电路的性能。由于本文所需高压负脉冲的高电平在1000 V左右，且对其下降沿要求也较低(在10 ns水平)，另外考虑到开关电路的复杂性和稳定性等因素，最后选择高压功率场效应管APT7F120B作为开关器件。该功率场效应管最大耐压值为1200 V，因此无需多管串联，只需要单个管子就能满足所需高电平的要求，这样极大地简化了开关电路，可靠性高，同时所需驱动电路也较简单;常温下其最大漏极电流为7 A，脉冲工作方式时最大可达28 A，因此可承受在很大电流情况下的快速放电，不易因击穿而损坏;其栅源极间的电容Ciss的典型值约为2565 pF，所需驱动脉冲的能量较小;其导通电阻典型值仅为2．07Ω，开关损耗很小;其导通时间约为22 ns，关断弛豫时间和电流下降时间分别为45 ns和13 ns，实验表明，即使不采用过压驱动［7－8］，也能满足约 10 ns的放电时间要求。

开关电路中所需的高压直流电平由实验室自制的小体积高压电源模块提供，它也能采用20～24 V直流电压供电，可输出0～1500 V可调的直流高压。限流电阻(如图2中的R7)在开关电路导通时起到限流的作用，由于高压电源的功率绝大部分都消耗在该电阻上，因此该电阻发热比较严重，需选用大功率且散热性好的金属膜电阻或水泥电阻。电光晶体相当于一个小电容并联在开关器件两端，在开关电路闭合状态下由高压电源模块通过限流电阻给其充电，并使它两端积累一定量的电荷后呈现高压状态;当开关电路导通时，其两端积累的电荷会被瞬间释放，所加的高压也随之消失。由于电光晶体和开关器件的连线上存在电感，在开关器件放电瞬间会引起较大的过冲和振荡，从而导致在光学斩波时，所得的激光脉冲前后沿会有很大的畸变，为此在电光晶体两端并联了一个大电流的快速导通二极管，以抑制过冲和振荡的产生。该二极管型号为RHRP32120，反向耐压值为1200 V，正向导通电流为30 A，当出现过冲和振荡时，能迅速地导通而使电荷中和，从而起到抑制的作用。

触发电路用于产生一个控制开关电路通断的触发脉冲，由于本文采用高压功率场效应管作为开关器件，因此为了获得很短的放电时间，要求触发脉冲前沿陡峭且驱动电流大;同时还要求所输出的高压负脉冲的零电平宽度大范围可调，因此触发脉冲的脉宽也需要可调。从电路功能上讲，触发电路主要对低压延时信号进行放大和整形，主要器件为两个互补的晶体三级管［9］，其原理图如图3所示。首先由低压延时信号驱动NPN管(BC337)瞬间导通，此时PNP管(BC327)的发射极和基极间产生电压差后也随之导通，电容C0上的电荷迅速加载到PNP管的集电极上输出，从而得到一个上升沿在4 ns内、峰值电压为18 V的触发脉冲。当滑动变阻器R3值不为零时，触发脉冲的电量仅来自电容C0，因而其脉宽最短，此时得到的高压负脉冲的零电平宽度也最短;当R3值为零时，PNP管的发射极直接连在稳压电源+18 V上，若NPN管和PNP管继续处于导通状态，触发脉冲的电平也还会维持在高电平，直到NPN管和PNP管恢复到闭合状态为止，因此通过调节低压延时信号的脉宽即可控制触发脉冲高电平的持续时间，继而控制输出高压负脉冲的零电平宽度。这里电阻R5的选择至关重要，若其取值太大，在NPN管导通时，它将会制约PNP管的导通速度，从而减缓所得触发脉冲的上升沿;若其取值太小，在NPN管和PNP管都导通时，易因电流过大而损坏三极管，因此该电阻值需折中考虑。经试验，取R5值约为50Ω为宜，同时选用散热较好的金属膜电阻。

2．2 低压延时电路

低压延时电路用于产生两路延时精密且可调的低压脉冲，同时所得脉冲的前沿要陡峭，宽度也需可调。其电路结构图如图3所示。

图3 低压延时电路结构图Fig．3 structure of low-voltage delay circuit

由于该部分电路采用干电池供电，因此为节省电量以延长供电时间，电子器件类型选择的主要是功耗较低的CMOS类型。首先由LM7555及其外围电路来产生一个频率1～10 kHz范围可调的矩形脉冲，然后通过反相器将其分为两路，最后分别对两路脉冲信号进行延时和脉宽调整。延时和脉宽调整的器件采用的都是双高精度单稳多谐振荡器CD74HCT4538，它的管脚功能图如图4所示，包括两个独立的单稳多谐振荡器，其延时时间 τ≈Rx Cx，实验中 Cx采用1 pF电容，Rx选用100 kΩ滑动变阻器，最大延时约100 ns，这里相对时间抖动主要来源于电阻阻值的变化，但由于电容值极小，因此由该器件引起的时间抖动很小(ΔRx=200Ω，Δτ≈0．2 ns)。

图4 CD74HCT4538管脚功能图Fig．4 functional diagram of CD74HCT4538

2．3 过渡电路

过渡电路的功能就是将低压延时信号无失真地传输到高压脉冲产生电路，它包括整形和光电耦合转换两部分，其电路结构图如图5所示。

图5 过渡电路结构图Fig．5 structure of transition circuit

由于低压延时电路与高压脉冲产生电路分布在不同的印制电路板上，两者之间采用导线来连接，这样当低压延时信号从一块电路板传输到另一块电路板时，可能会因外界干扰而产生变形，因此在进行光电耦合转换之前，需要先对其进行整形。这里采用的器件是超高速高精度比较器MXL1016，它具有非常快的响应速度(约10 ns)，能很好地保持原脉冲的前沿。光电耦合转换部分采用的器件是高速光电耦合器HCPL－2061，具有很短的上升沿响应时间(24 ns)，因此引入的时间抖动很小。总之，由于过渡电路中采用的都是高速器件，因此受该电路所用器件响应速度影响导致的时间抖动非常小。

3 电路性能测试

经测试，所得高压快脉冲源输出的两路高压负脉冲重复频率为1～10 kHz，高电平最大值可达1200 V。从图6中可看到，输出高压负脉冲的下降沿约为9 ns，开关电路具有很快的放电速度，这也意味着在对连续光进行光学斩波时可得到前后沿非常陡峭的激光脉冲;从图7(a)和图7(b)的高压负脉冲波形测量图可知，其零电平宽度可在200 ns～15μs范围可调，即高压负脉冲具有很大的零电平调节范围;两路高压负脉冲之间可实现正负的延时，图8(a)和图8(b)分别表示第一路高压负脉冲比第二路超前1．7 ns和落后1 ns。

图6 高压负脉冲下降沿测量图Fig．6 falling edgemeasurement diagram of negative high-voltage pulse

图7 高压负脉冲的零电平宽度测量图Fig．7 zero-voltage level width measurement diagram of negative high-voltage pulse

图8 不同延时状态下的两路高压负脉冲波形图Fig．8 waveform of two negetive high-voltage pulses with different delay time

高压快脉冲源输出的两路高压负脉冲的相对时间抖动主要来源于低压延时电路中延时器件的延时抖动、过渡电路中受器件响应速度影响导致的时间抖动和开关器件自身导通时的时间波动等。如图9所示，以第一路高压负脉冲下降沿为触发沿时，测得的第二路高压负脉冲下降沿多次叠加的波形，经测量，该波形宽度小于1 ns，这表明两路高压负脉冲之间具有良好的延时稳定性，从而由两级串联式电光开关光学斩波得到的激光脉冲的宽度将具有良好的稳定性。

图9 两路高压负脉冲相对时间抖动测量图Fig．9 relative time jitter of two negative high-voltage pulses

4 光学斩波实验

采用两块LiNbO3作为电光晶体分别并联在两个开关电路的开关器件两端，组成两级串联式电光开关对连续激光进行腔外光学斩波实验，其原理图如图10所示。其中LiNbO3晶体采用横向加压方式，尺寸为3 cm×3 cm×20 cm，对于1064 nm激光，其半波电压Vλ/2约为1060 V。

图10 两级串联式电光开关Fig．10 two electro-optic switches in series

从图10中可知，实验装置中还包括三个偏振片，其中偏振片1作为起偏器将连续光转化成线偏振光(若连续光本身即为线偏振光，此器件可省略);偏振片2为第一级检偏器，与偏振片1偏振方向平行，当第一级电光开关处于半波电压状态时，连续光不通过偏振片2，当一个快下降沿到来时，输出一个快上升沿的光脉冲;偏振片3作为第二级检偏器，与偏振片1、2偏振方向垂直，当第二级电光开关处于半波电压状态时，激光通过偏振片3，在一个快下降沿过后，前一级输出的光脉冲将获得一个快的下降沿，从而实现双快沿激光脉冲的输出。

通过上述光学斩波实验，获得了重复频率为1～10 kHz、上升沿和下降沿均在10 ns左右的激光脉冲输出，其脉宽在10～100 ns之间连续可调。如图11所示为激光脉冲在重复频率为10 kHz时的波形图;图12(a)和图12(a)(b)分别为脉宽在约10 ns和100 ns时的激光脉冲波形输出图。另外通过加高精度延时线或延时芯片，还能实现脉宽在100 ns～10μs超大范围的激光脉冲输出。

图11 激光脉冲在重复频率为10 kHz时的波形图Fig．11 waveform of laser pulse with frequency at10 kHz

5 总结

本文通过采用大电流高压快速开关二极管RHRP32120与开关器件并联和高速光电隔离器HCPL－2061将高压脉冲与低压延时信号隔离等措施研制了一种可双路输出、相对延时精度高、单路高压负脉冲重复频率和零电平宽度分别在1～10 kHz和200 ns～15μs范围内可调且低过冲和振荡电压的新型高压快脉冲源。该脉冲源设计简单，调试方便，所需元器件少，且体积小、成本低、稳定性好，具有良好的实用化前景。另外将采用LiNbO3作为电光晶体制做而成的两级串联式电光开关应用于连续激光的腔外光学斩波，得到了重复频率和脉宽分别在1～10 kHz和10～100 ns范围内可调的双快沿激光脉冲输出。

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