一種新型電光開關的製作方法
2023-06-19 08:08:16 1
專利名稱：一種新型電光開關的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電子技術領域，特別涉及一種應用在雷射器領域中的新型電光開關。
電光開關應用在雷射器的研究領域。尤其是在雷射器的再生放大系統研究中，電光開關是必不可少的器件。電光開關的快速開啟與關閉，主要由驅動電路的前沿和後沿決定。由於在電光開關中晶體的半波電壓一般需要數千伏，因而對高壓高速驅動電路的研究更好地應用電光開關的關鍵。
由於高壓電路中器件的帶寬、功耗、噪聲幹擾的影響，產生前、後沿都很快而脈衝寬度比較寬的高壓方波脈衝的難度很大。目前在雷射器再生放大系統的研究中，較多採用的是雙普克(電光開關)方法，即第一個普克盒產生開啟信號，第二個普克盒產生關閉信號，從而實現倒出放大了的雷射脈衝的目的。
但是，在再生放大迴路中使用兩個普克盒具有其一定的缺陷，首先，增加了振蕩迴路雷射能量的損耗，從而提高了振蕩器的觸發閾值，降低了系統的穩定性；其次，增大了振蕩器迴路的調節難度，並給系統帶來一些不確定因素。
本實用新型的目的在於克服現有技術的缺陷，提出一種新型的電光開關，由於它採用一個普克盒(電光開關)，從而減少了振蕩迴路雷射能量的損耗，減小了振蕩器的觸發閾值，提高了系統的穩定性，使系統的組成更加簡便，振蕩器迴路調節更加方便，並可節約試驗經費。
為達到上述目的，本實用新型採取的技術方案是它包括電光開關晶體、正交偏光鏡、階梯脈衝驅動電路和晶體電極四個部分。電光開關晶體的兩側設有正交偏光鏡，電光開關晶體通過兩個晶體電極連接階梯脈衝驅動電路。階梯脈衝驅動電路主要是用來產生使晶軸發生偏轉的電脈衝，通過晶體電極傳送到晶體晶軸，晶體晶軸的偏轉起到對正交偏光鏡產生的偏振光脈衝的通斷作用，使電光開關達到快速開啟與關閉。
階梯脈衝驅動電路包括觸發電路、場效應管電路、微波管電路、燈絲加熱、柵極偏壓5個部分，其中觸發電路的輸出端與場效應管電路的輸入端相連接，場效應管電路的輸入端與微波管電路的輸入端相連接，微波管電路的輸出端F極和K極分別與燈絲加熱和柵極偏壓相連接，微波管電路板極A為輸出脈衝端。當被觸發脈衝分別加載到觸發電路的輸入端，觸發電路產生了兩路尖脈衝，這兩路尖脈衝分別觸發場效應管電路，場效應管電路產生了兩路高壓超快窄脈衝再依次觸發微波管電路，微波管電路即產生階梯脈衝，此階梯脈衝作用於電光開關的兩個晶體電極上，使晶體的兩個晶軸發生偏轉，實現對來自正交偏光鏡的偏振光的通斷作用，使電光開關達到快速開啟與關閉。
以下結合附圖對本實用新型的原理做詳細說明。
圖1是本實用新型的整體結構示意圖2是本實用新型的驅動電路4結構方框圖；圖3是本實用新型的驅動電路中觸發電路4-1的電路圖；圖4是本實用新型的驅動電路中場效應管電路4-2的電路圖；圖5是本實用新型的驅動電路中微波管脈衝電路4-3的電路圖；圖6是輸出的階梯脈衝示意圖。
參見圖1，本實用新型包括電光開關晶體2、正交偏光鏡1和3、階梯脈衝驅動電路4和晶體電極5四個部分。電光開關晶體2的兩側設有正交偏光鏡1和3，電光開關晶體2通過兩個晶體電極5連接階梯脈衝驅動電路4。階梯脈衝驅動電路4主要是用來產生使晶軸發生偏轉的電脈衝，通過晶體電極5傳送到晶體2晶軸，晶體2晶軸的偏轉起到對正交偏光鏡1、3產生的偏振光脈衝的通斷作用，使電光開關達到快速開啟與關閉。
參見圖1，圖2，階梯脈衝驅動電路4包括一觸發電路(4-1)，觸發電路4-1的輸出端與場效應管電路4-2的輸入端相連接，場效應管電路4-2的輸出端與微波管電路4-3的輸入端相連接，微波管電路4-3的輸出端F極和K極分別與燈絲加熱4-4和柵極偏壓4-5相連接，微波管電路4-3板極A為輸出脈衝端。當被觸發脈衝分別加載到觸發電路4-1的輸入端，觸發電路4-1產生的了兩路尖脈衝分別觸發場效應管電路4-2，場效應管電路4-2產生了兩路高壓超快窄脈衝再依次觸發微波管電路4-3，微波管電路4-3即產生階梯脈衝，此階梯脈衝作用於電光開關的兩個晶體電極5上，使晶體2的兩個晶軸發生偏轉，實現對來自正交偏光鏡1、3的偏振光的通斷作用。
參見圖3的觸發電路4-1，它主要包括型號為LM317的IC3和型號為LM337的IC5的兩個可調電源、IC1A、R3、BG1等組成的電流可調恆流源、三極體BG2、BG3和三極體BG4、BG5組成的兩個差分比較器、BG6和IC4A組成的電平轉換器、三極體BG7、BG8三極體BG9、BG10組成的輸出電路、IC1B、IC2A組成的電平預置電路和兩個INPUT端。各器件的連接關係是IC3等組成的可調電源的輸出端與IC1A的輸入端相連接，IC1A的輸出端與BG1的基極相連接，控制由BG1組成的恆流源的大小，BG1的集電極輸出與BG2和BG3組成的差分比較器的發射極相連接，提供電流可調的恆流源；由IC5等組成的可調電源的輸出端與IC1B的正向輸入端相連，IC1B的輸出端與IC2A的正向輸入端相連接，IC2A的輸出端分別與電阻R7、電容C5及BG2、BG2的集電極相連接；其中一個INPUT端接二極體D7的陽極，二極體D7的陰極接BG6的基極和通過二極體D2接BG6的集電極，BG6的發射極接運算放大器IC4A的正向輸入端，IC4A的兩個輸出端分別接BG2和BG3組成的差分比較器的基極，BG2、BG2的集電極、電阻R7、電容C5及接BG4的基極，BG4、BG5的發射極通過電阻R11與-15V的電源相連接，BG5的集電極接BG7的基極，BG5基極通過排電阻N3B及N3A與負電源-4.5V相連接，BG7的發射極接BG8的基極，BG8的發射極輸出尖脈衝；另一個INPUT端接二極體的D9的陽極，二極體的D9的陰極分別接BG9的基極和通過D8接BG9的集電極，BG9的發射極接BG10的基極，BG10的發射極輸出尖脈衝。其工作原理是當被觸發脈衝(TTL)電平加載到電路的兩個INPUT端，其中一路經過BG9以及BG10，輸出一個幅度大於20V、前沿小於1NS的尖脈衝；另一路經BG6加到IC4(MC10124)，脈衝電平轉換為ECL電平後被加到由BG2和BG3組成的比較器兩端，使得BG3處於導通狀態。IC1A、R3、BG1等形成電流可調的恆流源通過BG3向電容器C5充電，充電的時間長短由加在IC1B上的預定電壓所決定。充電結束後通過BG4和BG5組成的比較器，產生的延遲脈衝，再經過BG7和BG8，輸出幅度大於20V、前沿小於1NS的尖脈衝。
參見圖4的場效應管脈衝電路4-2，它包括三極體BG11、BG12、電容C24和三極體BG16、BG17、電容C25組成的兩個輸入級IN1和IN2、MOS場效應管BG13、BG14、BG15、穩壓管D1、D2、D3、電容器C20、C21和BG18、BG19、BG20、穩壓管D4、D5、D6、電容器C22、C23相串聯形成的兩個高壓開關。各器件的連接關係是BG11、BG12和BG16、BG17的發射極分別通過變壓器T1、變壓器T2接MOS場效應管BG13、BG14、BG15、穩壓管D1、D2、D3、電容器C20、C21相串聯和BG18、BG19、BG20、穩壓管D4、D5、D6、電容器C22、C23相串聯形成的兩個高壓開關電路的BG20與BG15的觸發輸入級，兩個高壓開關電路的輸出端BG13與BG18的漏極經電阻R34或R27與1500V的高壓電源相連接，兩個高壓開關電路中的BG20與BG15的柵極接有二極體D10、D11，兩個高壓開關電路中的BG18的漏極與柵極接有由D1、C20組成的脈衝發生器，BG19的漏極與柵極接有由D2、C21組成的脈衝發生器，BG14的漏極與柵極接有由D5、C23組成的脈衝發生器，BG13的漏極與柵極接有由D6、C22組成的脈衝發生器，其工作原理是由圖3的觸發電路4-1中產生的兩路尖脈衝分別觸發圖4中的兩路VMOS場效應管脈衝發生電路4-2的觸發輸入端IN1和IN2。當IN1端有觸發脈衝輸入時，場效應管BG15迅速由截至狀態變為導通狀態，穩壓管D5陽極電位瞬間從數百伏降為零，D5和電容器C23形成脈衝發生器，產生觸發脈衝以觸發BG14使其由截至狀態變為導通狀態。同樣的道理對於BG13。因此電容器C19和電阻R38形成微分電路，從而產生出一路幅度脈衝從200V～1000V連續可調的尖脈衝通過D11輸出。同樣的道理，當IN2端有觸發脈衝輸入時，通過D10輸出另一路幅度脈衝從200V～1000V連續可調的尖脈衝。這兩個尖脈衝的時間間隔從100NS～900NS連續可調。
參見圖5的微波脈衝電路4-3，它包括微波管BG1、耦合電容C26、C27、高壓電源HV、偏置電源VB。各器件的連接關係是來自尖脈衝的輸入端VIN接C26，C17接微波管BG1的柵極並通過電阻R42與50～150V偏置電源VB相連接，微波管BG1的陰極接地，微波管的板極分別通過電阻R41與高壓電源HV相連接並與耦合電容C27相連接，C27的輸出到光電開關兩個晶體電極5上。其工作原理是兩路經場效應管電路4-2產生的兩路尖脈衝依次觸發微波管脈衝電路4-3的輸入端VIN，當第一個尖脈衝觸發電路後，經電容C26耦合後，微波三極體的板極和陰極之間的阻抗迅速下降，通過電容C27產生一級結躍；當第二個尖脈衝觸發電路後，經電容C26耦合後，微波三極體的板極和陰極之間的阻抗進一步下降，通過電容C27產生第二級結躍，這樣就輸出了如圖6所示的階梯脈衝，此階梯脈衝作用於電光開關的兩個電極5，每一級脈衝階梯的電壓等於電光開關晶體的半波電壓，兩級階躍之間的時間間隔等於電光開關所要控制的開關時間。
對於單縱模雷射脈衝，電光開關可以實現控制開關的邏輯功能，如果希望普克盒只實現一種邏輯功能(即開到關或關到開)，只需用一路脈衝來觸發微波三級管即可。
本實用新型提供的電光開關，經使用和檢測，其主要技術指標如下輸出脈衝幅度3500V～7500V連續可調；輸出脈衝寬度100ns～900ns連續可調；輸出脈衝前、後沿＜8ns；觸發脈衝電平TTL電平；觸發晃動時間＜500PS(RMS)；固有延遲時間約30ns。
權利要求1.一種新型電光開關，它包括電光開關晶體(2)，位於電光開關晶體(2)兩側的正交偏光鏡(1)和(3)，其特徵在於，電光開關晶體(2)通過兩個晶體電極(5)連接有階梯脈衝驅動電路(4)。
2.根據權利要求1所述的電光開關，其特徵在於所說的階梯脈衝驅動電路(4)包括一觸發電路(4-1)，其中觸發電路(4-1)的輸出端與場效應管電路(4-2)的輸入端相連接，場效應管電路(4-2)的輸入端與微波管電路(4-3)的輸入端相連接，微波管電路(4-3)的輸出端F極和K極分別與燈絲加熱(4-4)和柵極偏壓(4-5)相連接，微波管電路(4-3)板極A與輸出(4-6)相連接，微波管電路(4-3)的輸出端通過兩個晶體電極(5)連接電光開關晶體(2)。
3.根據權利要求1，2所述的電光開關，其特徵在於所說的階梯脈衝驅動電路(4)中的觸發電路(4-1)包括兩個分別包含有IC3、IC5的可調電源和兩個INPUT端，包含IC3的可調電源的輸出端與IC1A的輸入端相連接，IC1A的輸出端與BG1的基極相連接，BG1的集電極輸出與BG2和BG3組成的差分比較器的發射極相連接，包含IC5的可調電源的輸出端與IC1B的正向輸入端相連，IC1B的輸出端與IC2A的正向輸入端相連接，IC2A的輸出端分別與電阻R7、電容C5及BG2、BG2的集電極相連接，其中一個INPUT端接二極體D7的陽極，二極體D7的陰極接BG6的基極和通過二極體D2接BG6的集電極，BG6的發射極接運算放大器IC4A的正向輸入端，IC4A的兩個輸出端分別接BG2和BG3組成的差分比較器的基極，BG2、BG2的集電極、電阻R7、電容C5及接BG4的基極，BG4、BG5的發射極通過電阻R11與-15V的電源相連接，BG5的集電極接BG7的基極，BG5基極通過排電阻N3B及N3A與負電源-4.5V相連接，BG7的發射極接BG8的基極，BG8的發射極輸出尖脈衝，另一個INPUT端接二極體的D9的陽極，二極體的D9的陰極分別接BG9的基極和通過D8接BG9的集電極，BG9的發射極接BG10的基極，BG10的發射極輸出尖脈衝。
4.根據權利要求1，2所述的電光開關，其特徵在於所說的階梯脈衝驅動電路(4)中的場效應管脈衝電路(4-2)包括含有BG1、BG2的輸入極、含有BG6、BG7的輸入極和兩個高壓開關，BG11、BG12和BG16、BG17的發射極分別通過變壓器T1、變壓器T2接MOS場效應管BG13、BG14、BG15、穩壓管D1、D2、D3、電容器C20、C21相串聯和BG18、BG19、BG20、穩壓管D4、D5、D6、電容器C22、C23相串聯形成的兩個高壓開關電路的BG20與BG15的觸發輸入級，兩個高壓開關電路的輸出端BG13與BG18的漏極經電阻R34或R27與1500V的高壓電源相連接，兩個高壓開關電路中的BG20與BG15的柵極接有二極體D10、D11，兩個高壓開關電路中的BG18的漏極與柵極接有由D1、C20組成的脈衝發生器，BG19的漏極與柵極接有由D2、C21組成的脈衝發生器，BG14的漏極與柵極接有由D5、C23組成的脈衝發生器，BG13的漏極與柵極接有由D6、C22組成的脈衝發生器。
5.根據權利要求1，2所述的電光開關，其特徵在於所說的階梯脈衝驅動電路(4)中的微波脈衝電路(4-5)包括一微波管BG1來自尖脈衝的輸入端VIN接C26，C17接微波管BG1的柵極並通過電阻R42與50～150V偏置電源VB相連接，微波管BG1的陰極接地，微波管的板極分別通過電阻R41與高壓電源HV相連接並與耦合電容C27相連接，C27的輸出到光電開關兩個晶體電極5上。
專利摘要一種新型電光開關,它包括電光開關晶體,晶體的兩側設有正交偏光鏡,電光開關晶體通過兩個晶體電極連接階梯脈衝驅動電路。階梯脈衝驅動電路主要是用來產生使晶軸發生偏轉的電脈衝,通過晶體電極傳送到晶體晶軸,晶體晶軸的偏轉起到對正交偏光鏡產生的偏振光脈衝的通斷作用,使電光開關達到快速開啟與關閉。它可以減少振蕩迴路雷射能量的損耗和振蕩器的觸發閾值,提高系統的穩定性,使系統的組成更加簡便,振蕩器迴路調節更加方便。
文檔編號H03K17/00GK2515872SQ0026139
公開日2002年10月9日 申請日期2000年12月13日 優先權日2000年12月13日
發明者劉百玉, 劉進元, 歐陽嫻 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所