光致漂移實驗研究中基于電光光開關的激光時域調制器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關的激光時域調制器，包括消光棱鏡，在消光棱鏡的一側設置有Ⅰ號準直光闌，在Ⅰ號準直光闌的另一側設置有電光晶體，在電光晶體的另一側設置有Ⅱ號準直光闌，在Ⅱ號準直光闌的另一側設置有檢偏棱鏡，在電光晶體兩外側端各設置有橫向電極，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信號與脈沖時序發生器電信號連接，調制前激光束入射到消光棱鏡，調制后透射激光束從檢偏棱鏡中透射出，調制后反射激光束從檢偏棱鏡中反射出。本發明結構簡單、操作方便，響應速度快穩定性好，可以應用于在激光光譜學實驗、光通信等領域。
【專利說明】光致漂移實驗研究中基于電光光開關的激光時域調制器
【技術領域】
[0001]本發明屬于ー種激光時域調制器，具體涉及ー種光致漂移實驗研究中基于電光光開關的激光時域調制器。
【背景技術】
[0002]在激光光譜學實驗、光通信等領域中，有時需要對連續激光束進行時域上的控制，使其產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激光調制成脈沖形式。
[0003]一般對連續光進行時域控制的常用器件有:機械光開關、MEMS光開關、聲光光開關、電光光開關，這其中電光光開關的響應速度是最快的，其中，機械光開關響應速度一般在ms量級，且重復性較差；熱光開關的響應時間在100 u s量級；MEMS光開關響應速度在100ns-ms量級,但實現依賴于光纖，同時結構較為簡單。
[0004]某些晶體材料在外加電場中，隨著電場強度的改變，晶體折射率會發生改變，這種現象成為電光效應。電光效應引起的折射率變化的主要部分是一次電光效應，其效果遠大于二次效應等高階效應，一次電光效應被稱之為線性電光效應或者普克爾效應。基于電光晶體的光開關是利用這類電光晶體在外加電場的作用下所產生的電光效應而制成的器件。
[0005]電光光開關的響應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響應速度的限制之一。
【發明內容】
[0006]本發明是為了克服現有技術的缺點而提出的，其目的是提供一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關的激光時域調制器。
[0007]本發明的技術方案是:一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關的激光時域調制器，包括消光棱鏡，在消光棱鏡的一側設置有I號準直光闌，在I號準直光闌的另一側設置有電光晶體，在電光晶體的另ー側設置有II號準直光闌，在II號準直光闌的另一側設置有檢偏棱鏡，在電光晶體兩外側端各設置有橫向電極，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信號與脈沖時序發生器電信號連接，調制前激光束入射到消光棱鏡，調制后透射激光束從檢偏棱鏡中透射出，調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，時序控制通過輸出觸發信號分別與并列的多個高壓隔離驅動連接，其中輸出觸發信號與兩個高壓隔離驅動連接，輸出觸發信號與其余高壓隔離驅動連接，兩個高壓隔離驅動輸出信號與高端開關電路連接，其余高壓隔離驅動通過高壓隔離驅動輸出信號與低端開關電路連接，高端開關電路和低端開關電路的輸出分別加到電光晶體兩外側端的橫向電極上，時序控制通過輸出觸發信號與前沿高速驅動連接，前沿高速驅動通過導線與低端開關電路連接。
[0009]所述的時序控制包括聞端開關電路觸發彳目號廣生電路和低端開關電路觸發/[目號產生電路。
[0010]所述的高壓隔離驅動包括芯片和芯片組成芯片組，兩芯片之間連接脈沖變壓器。
[0011]所述的高端開關電路包括兩個MOSFET開關管M9、M10，電阻R26、R27、R28，兩個開關管M9、M10串接，開關管MlO的源極通過導線與電光晶體連接，開關管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，分別與開關管M9、M10的漏源極并聯，開關管M9?MlO的門極由高壓隔離驅動輸出信號觸發。
[0012]所述的低端開關電路包括八個MOSFET開關管Ml?M8、電阻RlO?R25、電容C4?Cl I，R18?R25為均壓電阻、并接于開關管Ml?M8的漏源極，開關管Ml的漏極通過導線與電光晶體連接，開關管Ml的源極與M2的漏極連接，開關管Ml?M8相互串聯，開關管Ml?M8的門極由高壓隔離驅動輸出信號觸發。
[0013]本發明結構簡單、操作方便，響應速度快穩定性好，可以應用于在激光光譜學實驗、光通信等領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1本發明的光致漂移實驗研究中基于電光光開關的激光時域調制器的結構圖；
圖2本發明的快速脈沖高壓電源；
圖3本發明的時序控制電路圖；
圖4本發明的高壓隔離驅動電路圖；
圖5本發明的聞端開關電路圖；
圖6本發明的低端開關電路圖；
圖7當脈沖電壓為零和當脈沖電壓為半波電壓時，經過電光晶體的激光束的線偏振方
向；
圖8經本發明調制后的激光束的時域特征。
[0015]其中:
I消光棱鏡2 I號準直光闌
3電光晶體4 II號準直光闌
5檢偏棱鏡6橫向電極
7快速脈沖高壓電源 8脈沖時序發生器
9調制前激光束10調制后透射激光束
11調制后反射激光束 12時序控制
13高壓隔離驅動14前沿高速驅動
15聞端開關電路16低端開關電路
17聞端開關電路觸發彳目號廣生電路
18低端開關電路觸發信號產生電路
19 UC3724芯片20脈沖變壓器
21 UC3725芯片22脈沖時序發生器觸發信號23快速脈沖高壓電源的輸出電壓
24經過檢偏棱鏡的反射光 25經過檢偏棱鏡的透射光。
【具體實施方式】
[0016]以下，參照附圖和實施例對本發明的光致漂移實驗研究中基于電光光開關的激光時域調制器進行詳細說明:
如圖1所示，一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關的激光時域調制器，包括消光棱鏡I，在消光棱鏡I的一側設置有I號準直光闌2,在I號準直光闌2的另ー側設置有電光晶體3，在電光晶體3的另ー側設置有II號準直光闌4，在II號準直光闌4的另ー側設置有檢偏棱鏡5,在電光晶體3兩外側端各設置有橫向電極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通過觸發信號S1與脈沖時序發生器8電信號連接。
[0017]調制前激光束9入射到消光棱鏡I，調制后透射激光束10從檢偏棱鏡5中透射出，調制后反射激光束11從檢偏棱鏡5中反射出。
[0018]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。脈沖時序發生器8的型號為DG535 (市售)。
[0019]如圖2所示，快速脈沖高壓電源7包括時序控制12，時序控制12通過輸出觸發信號12し122分別與并列的多個高壓隔離驅動13連接，本發明設置八個，其中輸出觸發信號12:與兩個高壓隔離驅動13連接，輸出觸發信號122與其余六個高壓隔離驅動13連接。兩個高壓隔離驅動輸出信號13: 、132與高端開關電路15連接，其余六個高壓隔離驅動13通過六個高壓隔離驅動輸出信號133~131(|與低端開關電路16連接。高端開關電路15和低端開關電路16的輸出分別加到電光晶體3兩外側端的橫向電極6上。時序控制12通過輸出觸發信號123與前沿高速驅動14連接，前沿高速驅動14通過導線M1與低端開關電路16連接。
[0020]其中，脈沖時序發生器8發出的觸發信號S1通入時序控制12的輸入端。所述的前沿高速驅動14采用具有雪崩效應的三極管，如2N3904、FMMT417和FMMT415等(市售)，三極管集電極通過導線與低端開關電路16連接，發射極連接地。電光晶體3的容值小于10pF，高壓輸入電壓小于6kV。
[0021]如圖3所示，時序控制12包括高端開關電路觸發信號產生電路17和低端開關電路觸發信號產生電路18。其中，高端開關電路觸發信號產生電路17由單穩態電路U1A、U1B、詘8，電阻1?2、1?5~1?9，電容(:1、02、03，二極管02、03，三極管02、03組成。UlB的腳號10正輸出與U3B的腳號11負觸發端連接。U3B的腳號9與UlA的腳號3復位端連接。
[0022]U1A、U1B、U3B采用CD4098，其中UlA連接成正跳變觸發，外觸發信號S1的前沿觸發單穩態電路U1A，使UlA反向輸出腳號7變為低電平，并由二極管D3鎖定。UlA反向輸出腳號7的低電平驅動三極管Q2關閉、Q3導通，使高端觸發信號1?保持低電平，經高壓隔離驅動輸出13pl32，使高端開關電路15中的開關管M9和MlO處于關閉狀態。單穩電路U1B、U3B連接成負跳變觸發，UlB由外觸發信號S1的負跳變觸發，其正輸出由C1、R8設置輸出脈寬，用于設定低端開關電路16關閉時，高端開關電路15開通的延遲時間。UlB正輸出的負跳變觸發U3B，使U3B負輸出上產生ー負脈沖，負脈沖寬度由R2、C3設定。U3B負輸出的負脈沖復位U1A，UlA負輸出變為高電平，驅動三極管Q2導通、Q3關閉，使高端觸發信號S1保持高電平，經高壓隔離驅動使高端開關電路中的開關管M9和MlO處于導通狀態。
[0023]低端開關電路觸發信號產生電路18由驅動芯片U2、電阻Rl、R3、二極管Dl組成。U2采用MOSFET高速驅動芯片，如IXDD614，U2輸出觸發信號123直接觸發前沿高速驅動14，其分壓輸出觸發信號1?觸發低端高壓隔離驅動。低端高壓隔離驅動觸發信號122、U2輸出觸發信號123與外觸發信號S1極性一致。
[0024]如圖4所示，高壓隔離驅動13包括芯片19和芯片21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實現高壓隔離。
[0025]如圖5所示，高端開關電路15包括兩個MOSFET開關管M9、M10,電阻R26、R27、R28，兩個開關管M9、M10串接，采用IXTH03N400，開關管MlO的源極通過導線T1與電光晶體3連接，開關管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，分別與開關管M9、MlO的漏源極并聯。開關管M9~MlO的門極由高壓隔離驅動輸出信號13k132觸發。
[0026]如圖6所示，低端開關電路16包括八個MOSFET開關管Ml~M8、電阻RlO~R25、電容C4~Cl I，開關管Ml~M8采用高速N型M0SFET，R18~R25為均壓電阻、并接于開關管Ml~M8的漏源極。開關管Ml的漏極通過導線T1與電光晶體3連接，開關管Ml的源極與M2的漏極連接,開關管Ml~M8相互串聯,開關管Ml~M8的門極由聞壓隔尚驅動輸出信號133~131(|觸發。
[0027]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，經過電光晶體的激光束保持原來的豎直線偏振狀態不變，這時激光束經過檢偏棱鏡5后100%反射，圖7中(a)所示；當脈沖電`壓為半波電壓時，經過電光晶體3的激光束的線偏振方向轉動90°，而變成水平線偏振，這時激光束經過檢偏棱鏡5后100%透射，圖7中(b)所示。
[0028]如圖8所示，由脈沖時序發生器觸發信號22、快速脈沖高壓電源的輸出電壓23、經過檢偏棱鏡的反射光24、經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生器的時域特征，就能控制、調節激光束的時域特征。
[0029]本發明進行激光束時域控制、調節，具體實施如下:
在研究氣體的光致漂移現象的實驗中，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。
[0030]( i )激光光源為899-01型環形染料激光器，染料選用Rdl 10，采用氬離子激光器泵浦。激光器出光參數:激光功率為1W、激光波長為560.0OOnm，偏振狀態為豎直偏振，消光比 >100:1。
[0031](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。
[0032](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
[0033](iv)激光束時域信號釆用光電探頭(New Focus Visible NanosecondPhotonDetector Model 1621)配合不波器(Tektronix DPO 4104)進行測量。
[0034]激光束在調制前為連續激光，設定脈沖發生器的脈沖頻率為50Hz，脈寬為5 U s,以此TTL信號觸發快速脈沖高壓電源，并設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，用光電探頭測量調制后反射激光束的時域信號，可以測量得到調制后的光束開關效果。
[0035]利用本發明調制連續激光后，光脈沖上升沿約為143ns，光開關的消光比大于1500:1。由此調制得到的光脈沖信號完全符合光致漂移現象實驗研究的需要。
【權利要求】
1.一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關的激光時域調制器，其特征在于:包括消光棱鏡(I)，在消光棱鏡(I)的一側設置有I號準直光闌(2),在I號準直光闌(2)的另一側設置有電光晶體(3),在電光晶體(3)的另一側設置有II號準直光闌(4),在II號準直光闌(4 )的另一側設置有檢偏棱鏡(5 ),在電光晶體(3 )兩外側端各設置有橫向電極(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)通過觸發信號(S1)與脈沖時序發生器(8)電信號連接，調制前激光束(9)入射到消光棱鏡(1)，調制后透射激光束(10)從檢偏棱鏡(5)中透射出，調制后反射激光束(11)從檢偏棱鏡(5)中反射出。
2.根據權利要求1所述的一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關的激光時域調制器，其特征在于:所述的快速脈沖高壓電源(7)包括時序控制(12)，時序控制(12)通過輸出觸發信號(12k122)分別與并列的多個聞壓隔尚驅動(13)連接,其中輸出觸發信號(12J與兩個高壓隔離驅動(13)連接，輸出觸發信號(122)與其余高壓隔離驅動(13)連接，兩個高壓隔離驅動輸出信號(13κ132)與高端開關電路(15)連接，其余高壓隔離驅動(13)通過高壓隔離驅動輸出信號(133?131(|)與低端開關電路(16)連接，高端開關電路(15)和低端開關電路(16)的輸出分別加到電光晶體(3)兩外側端的橫向電極(6)上，時序控制(12)通過輸出觸發信號(123)與前沿高速驅動(14)連接，前沿高速驅動(14)通過導線(H1)與低端開關電路(16)連接。
3.根據權利要求1所述的一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關的激光時域調制器，其特征在于:所述的時序控制(12)包括高端開關電路觸發信號產生電路(17)和低端開關電路觸發信號產生電路(18)。
4.根據權利要求1所述的一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關的激光時域調制器，其特征在于:所述的高壓隔離驅動(13)包括芯片(19)和芯片(21)組成芯片組，兩芯片之間連接脈沖變壓器(20)。
5.根據權利要求1所述的一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關的激光時域調制器，其特征在于:所述的高端開關電路(15)包括兩個MOSFET開關管M9、M10，電阻R26、R27、R28，兩個開關管M9、MlO串接，開關管MlO的源極通過導線G1)與電光晶體(3)連接，開關管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，分別與開關管M9、M10的漏源極并聯，開關管M9?MlO的門極由高壓隔離驅動輸出信號(13κ132)觸發。
6.根據權利要求1所述的一種光致漂移實驗研究中基于電光光開關的激光時域調制器，其特征在于:所述的低端開關電路(16)包括多個MOSFET開關管Ml?Μ8、電阻RlO?R25、電容C4?C11，R18?R25為均壓電阻、并接于開關管Ml?M8的漏源極，開關管Ml的漏極通過導線G1)與電光晶體(3)連接，開關管Ml的源極與M2的漏極連接，開關管Ml?M8相互串聯,開關管Ml?M8的門極由聞壓隔尚驅動輸出信號(133?131(|)觸發。
【文檔編號】G02F1/03GK103592783SQ201310598168
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月25日 優先權日:2013年11月25日
【發明者】柴俊杰, 談小虎, 金策, 錢金寧, 孫桂俠, 劉濤 申請人:核工業理化工程研究院