光致漂移實驗研究中基于電光光開關(guān)的激光時域調(diào)制器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關(guān)的激光時域調(diào)制器，包括消光棱鏡，在消光棱鏡的一側(cè)設(shè)置有Ⅰ號準直光闌，在Ⅰ號準直光闌的另一側(cè)設(shè)置有電光晶體，在電光晶體的另一側(cè)設(shè)置有Ⅱ號準直光闌，在Ⅱ號準直光闌的另一側(cè)設(shè)置有檢偏棱鏡，在電光晶體兩外側(cè)端各設(shè)置有橫向電極，橫向電極與快速脈沖高壓電源電纜連接，快速脈沖高壓電源通過觸發(fā)信號與脈沖時序發(fā)生器電信號連接，調(diào)制前激光束入射到消光棱鏡，調(diào)制后透射激光束從檢偏棱鏡中透射出，調(diào)制后反射激光束從檢偏棱鏡中反射出。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、操作方便,響應(yīng)速度快穩(wěn)定性好，可以應(yīng)用于在激光光譜學(xué)實驗、光通信等領(lǐng)域。
【專利說明】光致漂移實驗研究中基于電光光開關(guān)的激光時域調(diào)制器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于一種激光時域調(diào)制器，具體涉及一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關(guān)的激光時域調(diào)制器。
【背景技術(shù)】
[0002]在激光光譜學(xué)實驗、光通信等領(lǐng)域中，有時需要對連續(xù)激光束進行時域上的控制，使其產(chǎn)生特定的上升沿或者下降沿極小的脈沖激光束。光致漂移實驗研究中，為了測量光致漂移引起的氣體密度變化，實驗采用熒光法對比的方式來進行，這需要將原本的連續(xù)激光調(diào)制成脈沖形式。
[0003]一般對連續(xù)光進行時域控制的常用器件有:機械光開關(guān)、MEMS光開關(guān)、聲光光開關(guān)、電光光開關(guān)，這其中電光光開關(guān)的響應(yīng)速度是最快的，其中，機械光開關(guān)響應(yīng)速度一般在ms量級，且重復(fù)性較差；熱光開關(guān)的響應(yīng)時間在100 μ s量級；MEMS光開關(guān)響應(yīng)速度在100ns-ms量級,但實現(xiàn)依賴于光纖，同時結(jié)構(gòu)較為簡單。
[0004]某些晶體材料在外加電場中，隨著電場強度的改變，晶體折射率會發(fā)生改變，這種現(xiàn)象成為電光效應(yīng)。電光效應(yīng)引起的折射率變化的主要部分是一次電光效應(yīng)，其效果遠大于二次效應(yīng)等高階效應(yīng)，一次電光效應(yīng)被稱之為線性電光效應(yīng)或者普克爾效應(yīng)?；陔姽饩w的光開關(guān)是利用這類電光晶體在外加電場的作用下所產(chǎn)生的電光效應(yīng)而制成的器件。
[0005]電光光開關(guān)的響應(yīng)時間很大程度上取決于外場電壓的上升沿或者下降沿，因需要使得電壓幅值達到電光晶體的半波電壓一般為幾千伏，這使得快速上升沿高壓電源成為制約電光晶體光開關(guān)響應(yīng)速度的限制之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實用新型是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點而提出的，其目的是提供一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關(guān)的激光時域調(diào)制器。
[0007]本實用新型的技術(shù)方案是:一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關(guān)的激光時域調(diào)制器，包括消光棱鏡，在消光棱鏡的一側(cè)設(shè)置有I號準直光闌，在I號準直光闌的另一側(cè)設(shè)置有電光晶體，在電光晶體的另一側(cè)設(shè)置有II號準直光闌，在II號準直光闌的另一側(cè)設(shè)置有檢偏棱鏡，在電光晶體兩外側(cè)端各設(shè)置有橫向電極，橫向電極與快速脈沖高壓電源電纜連接，快速脈沖高壓電源通過觸發(fā)信號與脈沖時序發(fā)生器電信號連接，調(diào)制前激光束入射到消光棱鏡，調(diào)制后透射激光束從檢偏棱鏡中透射出，調(diào)制后反射激光束從檢偏棱鏡中反射出。
[0008]所述的快速脈沖高壓電源包括時序控制電路，時序控制電路通過輸出觸發(fā)信號分別與并列的多個高壓隔離驅(qū)動連接，其中輸出觸發(fā)信號與兩個高壓隔離驅(qū)動連接，輸出觸發(fā)信號與其余高壓隔離驅(qū)動連接，兩個高壓隔離驅(qū)動輸出信號與高端開關(guān)電路連接，其余高壓隔離驅(qū)動通過高壓隔離驅(qū)動輸出信號與低端開關(guān)電路連接，高端開關(guān)電路和低端開關(guān)電路的輸出分別加到電光晶體兩外側(cè)端的橫向電極上，時序控制電路通過輸出觸發(fā)信號與前沿高速驅(qū)動連接，前沿高速驅(qū)動通過導(dǎo)線與低端開關(guān)電路連接。
[0009]所述的時序控制電路包括聞端開關(guān)電路觸發(fā)彳目號廣生電路和低端開關(guān)電路觸發(fā)信號產(chǎn)生電路。
[0010]所述的高壓隔離驅(qū)動包括UC3724芯片和UC3725芯片，兩芯片組成芯片組，兩芯片之間連接脈沖變壓器。
[0011]所述的高端開關(guān)電路包括兩個MOSFET開關(guān)管M9、M10，電阻R26、R27、R28，兩個開關(guān)管M9、M10串接，開關(guān)管MlO的源極通過導(dǎo)線與電光晶體連接，開關(guān)管M9的漏極連接限流電阻R28，電阻R28另一端為高壓輸入，電阻R26、R27為均壓電阻，分別與開關(guān)管M9、M10的漏源極并聯(lián)，開關(guān)管M9~MlO的門極由高壓隔離驅(qū)動輸出信號觸發(fā)。[0012]所述的低端開關(guān)電路包括八個MOSFET開關(guān)管Ml~M8、電阻RlO~R25、電容C4~Cl I，R18~R25為均壓電阻、并接于開關(guān)管Ml~M8的漏源極，開關(guān)管Ml的漏極通過導(dǎo)線與電光晶體連接，開關(guān)管Ml的源極與M2的漏極連接，開關(guān)管Ml~M8相互串聯(lián)，開關(guān)管Ml~M8的門極由高壓隔離驅(qū)動輸出信號觸發(fā)。
[0013]本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，響應(yīng)速度快穩(wěn)定性好，可以應(yīng)用于在激光光譜學(xué)實驗、光通信等領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1本實用新型的光致漂移實驗研究中基于電光光開關(guān)的激光時域調(diào)制器的結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖2本實用新型的快速脈沖高壓電源；
[0016]圖3本實用新型的時序控制電路圖；
[0017]圖4本實用新型的高壓隔離驅(qū)動電路圖；
[0018]圖5本實用新型的聞端開關(guān)電路圖；
[0019]圖6本實用新型的低端開關(guān)電路圖；
[0020]圖7當脈沖電壓為零和當脈沖電壓為半波電壓時，經(jīng)過電光晶體的激光束的線偏振方向；
[0021]圖8經(jīng)本實用新型調(diào)制后的激光束的時域特征。
[0022]其中:
[0023]I消光棱鏡2 I號準直光闌
[0024]3電光晶體4 II號準直光闌
[0025]5檢偏棱鏡6橫向電極
[0026]7快速脈沖高壓電源 8脈沖時序發(fā)生器
[0027]9調(diào)制前激光束10調(diào)制后透射激光束
[0028]11調(diào)制后反射激光束 12時序控制
[0029]13高壓隔離驅(qū)動14前沿高速驅(qū)動
[0030]15高端開關(guān)電路16低端開關(guān)電路
[0031]17聞端開關(guān)電路觸發(fā)彳目號廣生電路
[0032]18低端開關(guān)電路觸發(fā)信號產(chǎn)生電路
[0033]19 UC3724芯片20脈沖變壓器[0034]21 UC3725芯片22脈沖時序發(fā)生器觸發(fā)信號
[0035]23快速脈沖高壓電源的輸出電壓
[0036]24經(jīng)過檢偏棱鏡的反射光 25經(jīng)過檢偏棱鏡的透射光。
【具體實施方式】
[0037]以下，參照附圖和實施例對本實用新型的光致漂移實驗研究中基于電光光開關(guān)的激光時域調(diào)制器進行詳細說明:
[0038]如圖1所示，一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關(guān)的激光時域調(diào)制器，包括消光棱鏡I，在消光棱鏡I的一側(cè)設(shè)置有I號準直光闌2,在I號準直光闌2的另一側(cè)設(shè)置有電光晶體3,在電光晶體3的另一側(cè)設(shè)置有II號準直光闌4,在II號準直光闌4的另一側(cè)設(shè)置有檢偏棱鏡5,在電光晶體3兩外側(cè)端各設(shè)置有橫向電極6,橫向電極6與快速脈沖高壓電源7電纜連接，快速脈沖高壓電源7通過觸發(fā)信號S1與脈沖時序發(fā)生器8電信號連接。
[0039]調(diào)制前激光束9入射到消光棱鏡I，調(diào)制后透射激光束10從檢偏棱鏡5中透射出，調(diào)制后反射激光束11從檢偏棱鏡5中反射出。
[0040]其中，電光晶體3選用成品電光晶體(New Focus Standard Phase Modulator4001，市售)，采用MgO = LiNbO3晶體，通光孔徑2mm，半波電壓10-31V。脈沖時序發(fā)生器8的型號為DG535 (市售)。
[0041]如圖2所示，快速脈沖高壓電源7包括時序控制電路12，時序控制電路12通過輸出觸發(fā)信號12κ122分別與并列的多個高壓隔離驅(qū)動13連接，本發(fā)明設(shè)置八個，其中輸出觸發(fā)信號與兩個高壓隔離驅(qū)動13連接，輸出觸發(fā)信號122與其余六個高壓隔離驅(qū)動13連接。兩個高壓隔離驅(qū)動輸出信號13ρ132與高端開關(guān)電路15連接，其余六個高壓隔離驅(qū)動13通過六個高壓隔離驅(qū)動輸出信號133~131(|與低端開關(guān)電路16連接。高端開關(guān)電路15和低端開關(guān)電路16的輸出分別加到電光晶體3兩外側(cè)端的`橫向電極6上。時序控制電路12通過輸出觸發(fā)信號123與前沿高速驅(qū)動14連接，前沿高速驅(qū)動14通過導(dǎo)線H1與低端開關(guān)電路16連接。
[0042]其中，脈沖時序發(fā)生器8發(fā)出的觸發(fā)信號S1通入時序控制電路12的輸入端。所述的前沿高速驅(qū)動14采用具有雪崩效應(yīng)的三極管，如2N3904、FMMT417和FMMT415等(市售)，三極管集電極通過導(dǎo)線與低端開關(guān)電路16連接，發(fā)射極連接地。電光晶體3的容值小于IOpF,高壓輸入電壓小于6kV。
[0043]如圖3所示，時序控制電路12包括高端開關(guān)電路觸發(fā)信號產(chǎn)生電路17和低端開關(guān)電路觸發(fā)信號產(chǎn)生電路18。其中，高端開關(guān)電路觸發(fā)信號產(chǎn)生電路17由單穩(wěn)態(tài)電路U1A、U1B、U3B,電阻R2、R5~R9，電容Cl~C3，二極管D2、D3，三極管Q2、Q3組成。UlB的腳號10正輸出與U3B的腳號11負觸發(fā)端連接。U3B的腳號9與UlA的腳號3復(fù)位端連接。
[0044]U1A、U1B、U3B采用CD4098，其中UlA連接成正跳變觸發(fā)，外觸發(fā)信號S1的前沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路U1A，使UlA反向輸出腳號7變?yōu)榈碗娖?，并由二極管D3鎖定。UlA反向輸出腳號7的低電平驅(qū)動三極管Q2關(guān)閉、Q3導(dǎo)通，使高端觸發(fā)信號U1保持低電平，經(jīng)高壓隔離驅(qū)動輸出13pl32，使高端開關(guān)電路15中的開關(guān)管M9和MlO處于關(guān)閉狀態(tài)。單穩(wěn)電路U1B、U3B連接成負跳變觸發(fā)，UlB由外觸發(fā)信號S1的負跳變觸發(fā)，其正輸出由C1、R8設(shè)置輸出脈寬，用于設(shè)定低端開關(guān)電路16關(guān)閉時，高端開關(guān)電路15開通的延遲時間。UlB正輸出的負跳變觸發(fā)U3B，使U3B負輸出上產(chǎn)生一負脈沖，負脈沖寬度由R2、C3設(shè)定。U3B負輸出的負脈沖復(fù)位U1A，UlA負輸出變?yōu)楦唠娖剑?qū)動三極管Q2導(dǎo)通、Q3關(guān)閉，使高端觸發(fā)信號S1保持高電平，經(jīng)高壓隔離驅(qū)動使高端開關(guān)電路中的開關(guān)管M9和MlO處于導(dǎo)通狀態(tài)。
[0045]低端開關(guān)電路觸發(fā)信號產(chǎn)生電路18由驅(qū)動芯片U2、電阻Rl、R3、二極管Dl組成。U2采用MOSFET高速驅(qū)動芯片，如IXDD614，U2輸出觸發(fā)信號123直接觸發(fā)前沿高速驅(qū)動14，其分壓輸出觸發(fā)信號1?觸發(fā)低端高壓隔離驅(qū)動。低端高壓隔離驅(qū)動觸發(fā)信號122、U2輸出觸發(fā)信號123與外觸發(fā)信號S1極性一致。
[0046]如圖4所示，高壓隔離驅(qū)動13包括芯片19和芯片21，兩芯片組成芯片組，兩芯片之間連接脈沖變壓器20，芯片19采用UC3724，芯片21采用UC3725，通過脈沖變壓器20實
現(xiàn)高壓隔離。
[0047]如圖5所示，高端開關(guān)電路15包括兩個MOSFET開關(guān)管M9、M10,電阻R26、R27、R28，兩個開關(guān)管M9、M10串接，采用IXTH03N400，開關(guān)管MlO的源極通過導(dǎo)線T1與電光晶體3連接，開關(guān)管M9的漏極連接限流電阻R28，電阻R28另一端為高壓輸入，電阻R26、R27為均壓電阻，分別與開關(guān)管M9、MlO的漏源極并聯(lián)。開關(guān)管M9~MlO的門極由高壓隔離驅(qū)動輸出信號13k132觸發(fā)。
[0048]如圖6所示，低端開關(guān)電路16包括八個MOSFET開關(guān)管Ml~M8、電阻RlO~R25、電容C4~Cl I，開關(guān)管Ml~M8采用高速N型M0SFET，R18~R25為均壓電阻、并接于開關(guān)管Ml~M8的漏源極。開關(guān)管Ml 的漏極通過導(dǎo)線T1與電光晶體3連接，開關(guān)管Ml的源極與M2的漏極連接,開關(guān)管Ml~M8相互串聯(lián),開關(guān)管Ml~M8的門極由聞壓隔尚驅(qū)動輸出信號O1~1310觸發(fā)。
[0049]如圖7所示，當脈沖電壓加載在電光晶體3的兩片橫向電極6上時，由此形成的電場與豎直方向(調(diào)制前由消光棱鏡反射后激光束的偏振方向)成45°。當脈沖電壓為零時，經(jīng)過電光晶體的激光束保持原來的豎直線偏振狀態(tài)不變，這時激光束經(jīng)過檢偏棱鏡5后100%反射，圖7中(a)所示；當脈沖電壓為半波電壓時，經(jīng)過電光晶體3的激光束的線偏振方向轉(zhuǎn)動90°，而變成水平線偏振，這時激光束經(jīng)過檢偏棱鏡5后100%透射，圖7中(b)所示。
[0050]如圖8所示，由脈沖時序發(fā)生器觸發(fā)信號22、快速脈沖高壓電源的輸出電壓23、經(jīng)過檢偏棱鏡的反射光24、經(jīng)過檢偏棱鏡的透射光25四個信號的時域圖可看出，通過定制脈沖時序發(fā)生器的時域特征，就能控制、調(diào)節(jié)激光束的時域特征。
[0051]本實用新型進行激光束時域控制、調(diào)節(jié)，具體實施如下:
[0052]在研究氣體的光致漂移現(xiàn)象的實驗中，為了測量光致漂移引起的氣體密度變化，需要將連續(xù)光進行時域控制，形成頻率為50Hz，脈寬為10 μ S，上升沿小于1μ s的脈沖激光。
[0053]( i )激光光源為899-01型環(huán)形染料激光器，染料選用Rdl 10，采用氬離子激光器泵浦。激光器出光參數(shù):激光功率為1W、激光波長為560.0OOnm，偏振狀態(tài)為豎直偏振，消光比 >100:1。
[0054](ii)電光晶體選用成品電光晶體(Leysop EM508)，采用MgO:LiNbO3晶體，通光孔徑8mm,半波電壓3.8-4.5kV。
[0055](iii)快速脈沖高壓電源最高輸出電壓為6kV，頻率范圍為5-lOOHz，下降沿小于IOns0
[0056](iv)激光束時域信號采用光電探頭(New Focus Visible NanosecondPhotonDetector Model 1621)配合不波器(Tektronix DPO 4104)進行測量。
[0057]激光束在調(diào)制前為連續(xù)激光，設(shè)定脈沖發(fā)生器的脈沖頻率為50Hz，脈寬為5 μ s,以此TTL信號觸發(fā)快速脈沖高壓電源，并設(shè)定快速脈沖高壓電源的輸出高壓為4.3kV，實驗測試得到等的電光晶體半波電壓，用光電探頭測量調(diào)制后反射激光束的時域信號，可以測量得到調(diào)制后的光束開關(guān)效果。
[0058]利用本實用新型調(diào)制連續(xù)激光后，光脈沖上升沿約為143ns，光開關(guān)的消光比大于1500:1。由此調(diào)制得到的光脈沖信號完全符合光致漂移現(xiàn)象實驗研究的需要。
【權(quán)利要求】
1.一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關(guān)的激光時域調(diào)制器，其特征在于:包括消光棱鏡(I)，在消光棱鏡(I)的一側(cè)設(shè)置有I號準直光闌(2),在I號準直光闌(2)的另一側(cè)設(shè)置有電光晶體(3),在電光晶體(3)的另一側(cè)設(shè)置有II號準直光闌(4),在II號準直光闌(4 )的另一側(cè)設(shè)置有檢偏棱鏡(5 ),在電光晶體(3 )兩外側(cè)端各設(shè)置有橫向電極(6 ),橫向電極(6)與快速脈沖高壓電源(7)電纜連接，快速脈沖高壓電源(7)通過觸發(fā)信號(S1)與脈沖時序發(fā)生器(8)電信號連接，調(diào)制前激光束(9)入射到消光棱鏡(1)，調(diào)制后透射激光束(10)從檢偏棱鏡(5)中透射出，調(diào)制后反射激光束(11)從檢偏棱鏡(5)中反射出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關(guān)的激光時域調(diào)制器，其特征在于:所述的快速脈沖高壓電源(7)包括時序控制電路(12)，時序控制電路(12)通過輸出觸發(fā)信號(以、122)分別與并列的多個高壓隔離驅(qū)動(13)連接，其中輸出觸發(fā)信號(U1)與兩個高壓隔離驅(qū)動(13)連接，輸出觸發(fā)信號(122)與其余高壓隔離驅(qū)動(13)連，兩個高壓隔離驅(qū)動輸出信號(13ρ132)與高端開關(guān)電路(15)連接，其余高壓隔離驅(qū)動(13)通過高壓隔離驅(qū)動輸出信號(133~131(|)與低端開關(guān)電路(16)連接，高端開關(guān)電路(15)和低端開關(guān)電路(16)的輸出分別加到電光晶體(3)兩外側(cè)端的橫向電極(6)上，時序控制電路(12)通過輸出觸發(fā)信號(123)與前沿高速驅(qū)動(14)連接，前沿高速驅(qū)動(14)通過導(dǎo)線(H1)與低端開關(guān)電路(16)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關(guān)的激光時域調(diào)制器，其特征在于:所述的時序控制電路(12)包括高端開關(guān)電路觸發(fā)信號產(chǎn)生電路(17)和低端開關(guān)電路觸發(fā)?目號廣生電路(18)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關(guān)的激光時域調(diào)制器，其特征在于:所述的高壓隔離驅(qū)動(13)包括UC3724芯片(19)和UC3725芯片(21 )，兩芯片組成芯片組，兩芯片之間連接脈沖變壓器(20)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關(guān)的激光時域調(diào)制器，其特征在于:所述的高端開關(guān)電路(15)包括兩個MOSFET開關(guān)管Μ9、Μ10，電阻R26、R27、R28，兩個開關(guān)管M9、MlO串接，開關(guān)管MlO的源極通過導(dǎo)線G1)與電光晶體(3)連接，開關(guān)管M9的漏極連接限流電阻R28，電阻R28另一端為高壓輸入，電阻R26、R27為均壓電阻，分別與開關(guān)管M9、M10的漏源極并聯(lián)，開關(guān)管M9~MlO的門極由高壓隔離驅(qū)動輸出信號(13p132)觸發(fā)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關(guān)的激光時域調(diào)制器，其特征在于:所述的低端開關(guān)電路(16)包括多個MOSFET開關(guān)管Ml~M8、電阻RlO~R25、電容C4~C11，R18~R25為均壓電阻、并接于開關(guān)管Ml~M8的漏源極，開關(guān)管Ml的漏極通過導(dǎo)線G1)與電光晶體(3)連接，開關(guān)管Ml的源極與M2的漏極連接，開關(guān)管Ml~M8相互串聯(lián),開關(guān)管Ml~M8的門極由聞壓隔尚驅(qū)動輸出信號(133~131(|)觸發(fā)。
【文檔編號】G02F1/03GK203673168SQ201320746054
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】柴俊杰, 談小虎, 金策, 錢金寧, 孫桂俠, 劉濤 申請人:核工業(yè)理化工程研究院