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1、氦氖激光器工作电源的研究与设计摘要:氦氖激光器在科学研究、实验教学方面有较大用处,它不仅相干性好,波长稳定,能量集中,且价廉物美。介绍了氦氖激光器的工作原理、电气特性;研究了波长为632.8nm氦氖激光器的高电压小电流恒流电源,激光管的电气特性与电源相匹配的关键技术,并对串级倍压电路与变压器稳流电路的优缺点进行了分析与比较;提出一种有效的仿真方法,对激光电源的设计、维修有一定参考作用。关键词:氦氖激光器;倍压电路;变压器稳流电路;恒流电源 气体激光器的种类较多,输出的激光波长范围也极宽。气体工作物质的光学均匀性比较好,因
2、而气体激光器输出的激光发散角一般都比其他激光器的发散角小。氦氖激光器是气体激光器的一种,它的工作物质为氦气、氖气的混合气体,激光是由氖原子的跃迁发射的,氦为辅助气体,它使氖原子更容易建立较高的粒子数反转值,并提高激光器的输出功率和能量转换效率。1氦氖激光器特点与工作要求每一种类型的激光器都需要研制专门的电源,以便用最小损耗来泵浦激光工作物质,保证获得所要求的辐射参量。为了设计电源电路,必须研究激光器的工作原理、电学特性(点火电压、正常工作电压和工作电流),同时考虑把激光器作为负载接入电路时,对电路的制约。1.1氖激光器的特
3、点氦氖激光器是原子激光器,连续波发射,泵浦源由电流来实现,它的输出功率从几毫瓦到几十毫瓦。当工作物质充满长为15～20cm、直径为10mm以下的气体放电管中,在放电管的电极之间加上几百伏到10kV的直流电压,管内就产生辉光放电,形成激光。氦氖激光器的泵浦电流在几毫安到几十毫安之间变化,它的辐射功率与泵浦电流、混合气体的压强和成分以及辐射器的结构有极大的关系,辐射功率与泵浦电流大致呈二次曲线关系。激光器工作时,几乎全部的电压降都发生在毛细管放电的阳极柱中,电流和电压特性几乎完全决定于阳极柱。除了很短的放电管,阳极和阴极区仅起
4、着相对次要的作用,电源近似地作为一个电流电源,而不是电压电源。1.2氦氖激光器的技术指标氦氖激光器的放电管包括放电毛细管、储气套和电极3部分。放电毛细管是发生气体放电以及形成激光振荡的区域,它的内径比较小,常用的小型器件内径为1～1.2mm。储气套与放电毛细管同轴并相通,但在里面不发生气体放电,它的直径比放电毛细管粗几十倍。储气套等效地增大了放电毛细管储存工作气体的体积,对提高激光器输出功率稳定性,延长器件使用寿命有一定的作用。一般氦氖激光器的阳极用一根直径为1mm左右的钨杆,阴极是铝做成的圆筒。做电极的铝纯度很高(99.
5、98%),纯铝阴极的溅射和蒸发比工业铝要小。一般氦氖激光器采用球面共焦腔或者平2凹半共焦腔结构,反射镜的基板是由化学玻璃精心制作,激光由反射镜透射出腔外。氦氖激光器的增益比较小,所以对共振腔的反射镜质量要求比较高。波长为632.8nm激光器的工作参数,如表1所示。激光器的工作参数指标参数指标 参数 指标参数模式单模点火电压/V约6000 最佳工作电压/Pa52/d(d为放电毛细管内径/mm)腔长/mm250工作电压/V约1200工作电流/mA 70d光功率/mW2.8单程增益系数3×10-4l工作电流/mA0～10连调/d
6、(l为放电管长度/mm) 额定电流/mA4.81.3激光器对电源的要求负载电流之间的关系称电源的外特性,电路中的负载有激光器中的高强度非相干光的辐射源、各种气体放电管、半导体二极管,它们必须与输出电压的伏安特性相匹配。同时,获得高的动力指标和运行指标以及所要求的电泵浦参数,也是这种匹配的重要内容之一。对电源的主要参数,应既能手动控制,又能自动控制。这样,一方面可以在给定的范围内改变辐射能量或功率;另一方面,保证各类激光器输出的辐射参数,在外界气候和机械因素影响下,电源对激光管的输出电压保持稳定。由于激光器的电光转化效率不高
7、,并有一定的移动要求,因此,必须尽量使电源具有最小的重量尺度和较强的动力效果。对定型的器件,电路结构应该统一,以使得为各种技术领域所研制的电源参数和结构标准化,且其元件和部件又具互换性。此外,激光器电源应有故障保护,能在一定的气候和机械条件下工作,使用、修理方便。2氖激光器电源设计在研制气体激光器的电源时,主要困难有2个:一是电源的外特性必须与气体放电的非线性伏安特性相匹配;二是保证气体放电间隙的点火条件。接在交流电源上的各种整流设备,可作为气体激光器的最简单的电源,气体放电管要串联一只有功的镇定电阻,其阻值必须大于气体激
8、光器伏安特性上所有工作区域内的气体放电等离子体的动态电阻[2]1572158。为了调节和稳定泵浦电流的大小,可使用一些控制元件,如电子管、晶体三极管、可控硅,这些元件在电源电路中的连接方式和位置,取决于电源的动力指标和重量尺寸指标。为使气体放电间隙起燃,在气体激光器的电源中,通常采用串级触发的电路,如图
