氦氖激光器電源設計報告

1、通信與信息工程學院激光器件與應用課程設計班 級：電子科學與技術姓 名：學 號：1207060221指導教師：設計時間：2016.1.4-2016.1.15成 績：評 語：通信與信息工程學院二一六年氦氖激光器電源設計1實驗目的1)熟悉激光器的基本原理和組成；2)掌握氦氖激光器工作原理；3)掌握氣體激光器對電源的要求；4)學會氣體激光器電源的設計和制作方法；5)完成3mW氦氖激光器放電電源的制作與調(diào)試。2實驗儀器設備He-Ne激光器、萬用表、線路板 、1N4007型二極管、0.022µF瓷片容器10uF電解電容、1M電阻、44K10W碳膜電阻。3 氦氖激光器的工作原理3.1 氦氖激光器的

2、基本組成1)放電管放電管由放電毛細管和貯氣管構成，其中毛細管處于增益介質(zhì)工作區(qū)，是決定激光器輸出性能的關鍵組成部分，之所以采用毛細管結構是由氖原子的能級結構決定的。貯氣管與毛細管相連，且毛細管的一端有隔板，這是為了保證放電管的工作物質(zhì)總量， 使毛細管內(nèi)的氣體得到不斷的更新，減緩了放電時毛細管內(nèi)的雜質(zhì)氣體的增加和氦氖氣壓比的變化速率，延長了器件壽命。普通的氦氖激光器放電管一般用GG17硬質(zhì)玻璃制成，而高穩(wěn)定性器件常采用熱脹洗漱更小的適應玻璃制成。2)電極電極有陽極和陰極，陰極多采用冷陰極方式，冷陰極材料多采用陰極濺射效應小，電子發(fā)射率高的鋁和鋁合金制成。為了進一步增加電子發(fā)射截面和降低濺射效應，

3、陰極常制成圓筒狀，并有盡可能大的尺寸；陽極一般用鎢針制成。一般氦氖激光器多采用直流放電激勵，處于正常輝光放電區(qū)域，屬于高電壓、低電流自持放電，起輝電壓約為8kV/m，放電電流在幾毫安到幾百毫安范圍內(nèi)，作為增益區(qū)域的毛細管幾乎整體處在正柱區(qū)中。3)光學諧振腔光學諧振腔有一對鍍有多層高反射率介質(zhì)膜的反射鏡組成，一般采用平凹腔形式，平面鏡為輸出鏡，透過率約為1%2%，凹面鏡為全反射鏡，反射率接近100%。通常根據(jù)諧振腔的結構不同分為內(nèi)腔式氦氖激光器、外腔式氦氖激光器、半內(nèi)腔式氦氖激光器、旁軸式氦氖激光器和單毛細管式氦氖激光器。3.2氦氖激光器的最佳放電條件 放電條件包括放電電流，充氣氣壓，充氣混合比

4、等。這三者均與放電管直徑有著密切關系。對應一個確定的充氣氣壓，存在一個與最大輸出功率對應的放電電流。充氣氣壓增大，最佳放電電流減小。放電電流的變化主要是改變電子密度，對輸出功率的影響具體分析。在最佳充氣條件下，對應著最大輸出功率的放電電流成為最佳放電電流。在充氣混合比一定時，每個充氣氣壓存在一個最佳放電電流，最佳放電電流隨總氣壓的升高而降低，還與放電管直徑有關，隨放電管直徑增大而增大。3.3粒子數(shù)反轉分布的建立過程氦氖激光器的粒子數(shù)反轉分布的建立過程取決于能級結構。氦氖激光躍遷屬于典型的四能級系統(tǒng)。泵浦能級為氦原子的亞穩(wěn)態(tài)、，激光上能級為氖原子的、，激光下能級為和，均為激發(fā)態(tài)。理論和實驗表明：

5、采用直流放電激勵的氦氖激光器，其放電毛細管增益區(qū)處在正常輝光放電的正柱區(qū)，正柱區(qū)為等離子體。氦氖激光器實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布主要依靠電子碰撞激發(fā)和氦氖原子間的共振激發(fā)能量轉移過程，實現(xiàn)激光上能級的激發(fā)，以及對激光下能級的消激發(fā)過程。3.3.1激光上能級、的激發(fā)1）電子碰撞激發(fā)以適當能量的電子與基態(tài)氖原子碰撞，使其激發(fā)到2s、3s態(tài)。反應方程為 （3-1）除此以外，處在正柱區(qū)的電子對1s、2p和3p能級也有激發(fā)，而且對1s、2p能級的激發(fā)幾率大于對2s、3s態(tài)的激發(fā)幾率，因此，單靠電子碰撞激發(fā)是不能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布的。常稱這些不能按人們意愿控制的激發(fā)為非選擇性激發(fā)。2）共振激發(fā)能量轉移激發(fā)以適當能

6、量的電子與基態(tài)氦原子碰撞，使其激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)2¹S。2³S1，反應方程為 （3-2）這要求快電子具有能量分別為20.55eV、19.77eV，相應電子溫度高達，比工作氣體溫度高。一般來說，亞穩(wěn)態(tài)氦原子經(jīng)過共振激發(fā)能量轉移過程對基態(tài)氖原子的選擇性激發(fā)，比電子碰撞激發(fā)的幾率要大。3.3.2 激光下能級的消激發(fā)激光下能級的激發(fā)主要是電子碰撞，使基態(tài)氖原子躍遷到激發(fā)態(tài)和，其反應方程為： （3-3） 從激發(fā)態(tài)2P和3p向低能級的躍遷過程稱為消激發(fā)，主要是以自發(fā)輻射的形式首先躍遷到1s態(tài)，弛豫速率很快，因此1s能級上的氖原子數(shù)將出現(xiàn)堆積。把這種低能級粒子數(shù)出現(xiàn)阻塞的現(xiàn)象稱為瓶頸效應。為了

7、提高粒子數(shù)翻轉分布的絕對值，關鍵是排空1s能級的粒子。有效的方法時選擇低氣壓，細放電管直徑的結構。 4.氦氖激光器對電源的要求4.1氣體放電的基本原理氣體激光器的激勵方式一般是采用氣體放電。在平常情況下氣態(tài)物質(zhì)是絕緣體，當加上電壓時，氣體中產(chǎn)生的電流很微弱，但當電壓升高至一定值時電流會突然增大，同時電極間電壓突然減小，氣體從絕緣體迅速轉變?yōu)閷w,這叫做氣體的擊穿或“著火”。按照氣體導電的伏安特性曲線來劃分，擊穿后氣體導電還可分為正常輝光放電和反常輝光放電區(qū)域。由于放電管擊穿后變成導體，此時放電管電壓比擊穿時低很多，所以整個放電電路的電壓就會有相當大的一部分落到限流電阻上。擊穿氣體導電性質(zhì)的突變

8、，是由于此時氣體中產(chǎn)生許多正離子和自由電子。在外電場的作用下，分別向陰陽、極運動，造成放大電流很大。 放電電流對于激光器的輸出功率有直接的影響，既有一個最佳放電電流，這一數(shù)值在激光器生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說明書中。 擊穿后處于正常工作的氦氖激光器，其放電屬于正常激光放電。整個放電過程由伏安特性曲線描述。圖4.1-伏安特性曲線4.2氦氖激光器對電源系統(tǒng)的要求氦氖激光器常采用直流高壓輝光放電激勵，此類放電的特征是：傳導電流的范圍為10e-610e-1A,管壓降為幾百伏到幾千伏，工作在小電流高電壓的正常輝光放電區(qū)域；有較高的陰極位降和較強的陰極濺射；激光管的伏安特性呈負阻性。為此在設計電源系統(tǒng)時，必須選擇合

9、理的外特性，使激光管處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，具體要求如下：(1)激光器能進入正常激光放電狀態(tài)，其空端載電壓必須達到擊穿電壓。對管長250450毫米的氦氖管，擊穿電壓在4006000伏特。(2)擊穿后電源應能保證供給激光管正常工作電壓和工作電流。在正常輝光放電區(qū)，其伏安特性呈負阻性，因此必須采取一定的限流措施。(3)氦氖激光器的輸出功率強烈的依賴于放電管的放電管的電流強度。在一定范圍內(nèi)與電流平方成正比。(4)為使激光器有較大的使用范圍，其電流、電壓應有一定的調(diào)節(jié)范圍。調(diào)節(jié)范圍的下限為維持放電電流，對氦氖激光器，最小維持電流為35mA;上限為略大于最佳工作電流。5氦氖激光器電源系統(tǒng)的設計氦氖激光器電源電

10、路有多種形式，例如倍壓整流式、直流交流交換升壓式等。我們以250mm氦氖激光管氦氖激光器倍壓式電流為例，說明此類電路的設計思路。(1)考慮到250mm氦氖激光管的擊穿電壓在50006000V之間，對220V交流電壓必須進行2327倍升壓；(2)為保證擊穿后能正常工作，工作電壓在10001500V之間，工作電流在510mA之間，必須選取適當?shù)南蘖麟娮琛?.1 電路原理圖圖5-1倍壓整流電路5.2仿真電壓輸出波形仿真輸出電壓為8000V左右符合實驗標準。圖5-2仿真電壓輸出波形5.3激光器電源所用器件的檢測5.3.1 整流二極管的檢測1）極性的判別：將萬用表置于R*100檔或者R*1k檔，兩表筆分

11、別接二極管的兩個電極。測出一個結果后，對調(diào)兩表筆，再測出一個結果。兩次測量的結果中，有一次測量的阻值較大（為反向電阻），一次測量的阻值較?。檎螂娮瑁?。在阻值較小的一次測量中，黑表筆接的是二極管的正極，紅表筆接的是二極管的負極。2） 導電性能的檢測：正向電阻越小越好，反向電阻越大越好。正、反向電阻阻值相差越懸殊，說明二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。若測得二極管的正反向電阻值均接近于0或者阻值較小，則說明該二極管的內(nèi)部已經(jīng)擊穿短路。若測得二極管的正方向電阻值均為無窮大，則說明該二極管已經(jīng)開路損壞。5.3.2 電解電容的檢測將萬用表打到電容檔位，紅表筆接正極，黑表筆接負極，萬用表數(shù)值不斷在變化中說明電解

12、電容良好。5.3.3電阻的檢測將兩表筆（不分正負）分別與電阻的兩端引腳相接即可測出實際電阻值。為了提高測量精度，應根據(jù)被測電阻標稱值的大小來選擇量程。由于歐姆檔刻度的非線性關系，它的中間一段分度較為精細，因此應使得指針指示值盡可能落到刻度的中間位置，即全刻度起始的20%80%弧度范圍內(nèi)，以使測量更加準確。根據(jù)電阻誤差的等級不同。讀數(shù)與標稱值之間分別允許有5%、10%或20%的誤差。如不相符。超出誤差范圍，則說明電阻值變值了。 5.4電路板的焊接（1）熟悉、檢查元器件是否完好；（2）進行二極管通斷試驗；（3）表面處理：元器件管腳及焊盤氧化層的處理，以防止虛焊；（4）掛錫；（5）焊接元器件；（6）

13、運交指導老師檢查；（7）驗收調(diào)試：焊接電源接線，連接氦氖激光管工作電路;（8）經(jīng)檢查合格后，在指導老師監(jiān)護下接通電源，進行最佳放電電流測試。6實驗結果在實驗中將制作好的激光電源加載氦氖激光管兩側，氦氖激光管發(fā)出紅色激光。6.1空載測量（1）將25個1M串聯(lián)的電阻接入激光電源電路然后用萬用表測量其中一個電阻上的電壓為129V，則此時的空載電壓為：12925=3225V。（2）將電流表串聯(lián)接入25M的電阻中測出此時的電流0.14mA，可以空載電壓為：0.14mA25M=3500V。6.2負載測量（1）將電源與激光器相連，再將25個1M串聯(lián)的電阻與激光器并聯(lián)，用萬用表測量其中一個電阻上的電壓53V，

14、測得負載電壓為：53V25=1325V。（2）將電源與激光器相連，再將25個1M的電阻和電流表串聯(lián)再與激光器并聯(lián)測得此時的電流0.06mA，測得負載電壓為：0.06mA25M=1500V。（3）測量負載電流，將電流表和激光器串聯(lián)接入電源中，接通電源觀察此事的電流大小，經(jīng)實驗測得負載電流為9mA 。實驗中開始將25M電阻與激光器并聯(lián)后再開啟電源此時激光器不能工作，放電管沒有被擊穿，然后取下電阻重新插上電源放電管正常發(fā)光后再將電阻并連上去激光器依舊正常工作，由此可見激光器的擊穿電壓比正常工作電壓高。這就是氦氖激光器工作需要高壓電源的原因。在每次激光管工作后電容都會充電，實驗結束后需要對電容進行放電處理。7心得體會通過此次課程設計使我對于激光器的基本原理以及氦氖激光器的基本構成有了一個初步的認識，使得對于激光器的認識不僅僅是停留在書本上。另外由于之前對于電源方面接觸的知識比較少，對于像激光器電源這種高壓電源可以說一直是敬而遠之。通過此次課程設計雖然對于電源的顧慮還是存在的，但是對于電源這種東西對我已不