氦氖激光器电源设计报告.docx

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氦氖激光器电源设计报告

通信与信息工程学院

激光器件与应用课程设计

班级：

电子科学与技术

姓名：

学号：

1207060221

指导教师：

设计时间：

2016.1.4-2016.1.15

成绩：

评语：

通信与信息工程学院

二〇一六年

氦氖激光器电源设计

1实验目的

1）熟悉激光器的基本原理和组成；

2）掌握氦氖激光器工作原理；

3）掌握气体激光器对电源的要求；

4）学会气体激光器电源的设计和制作方法；

5）完成3mW氦氖激光器放电电源的制作与调试。

2实验仪器设备

He-Ne激光器、万用表、线路板、1N4007型二极管、0.022µF瓷片容器

10uF电解电容、1MΩ电阻、44KΩ10W碳膜电阻。

3氦氖激光器的工作原理

3.1氦氖激光器的基本组成

1）放电管

放电管由放电毛细管和贮气管构成，其中毛细管处于增益介质工作区，是决定激光器输出性能的关键组成部分，之所以采用毛细管结构是由氖原子的能级结构决定的。

贮气管与毛细管相连，且毛细管的一端有隔板，这是为了保证放电管的工作物质总量，使毛细管内的气体得到不断的更新，减缓了放电时毛细管内的杂质气体的增加和氦氖气压比的变化速率，延长了器件寿命。

普通的氦氖激光器放电管一般用GG17硬质玻璃制成，而高稳定性器件常采用热胀洗漱更小的适应玻璃制成。

2）电极

电极有阳极和阴极，阴极多采用冷阴极方式，冷阴极材料多采用阴极溅射效应小，电子发射率高的铝和铝合金制成。

为了进一步增加电子发射截面和降低溅射效应，阴极常制成圆筒状，并有尽可能大的尺寸；阳极一般用钨针制成。

一般氦氖激光器多采用直流放电激励，处于正常辉光放电区域，属于高电压、低电流自持放电，起辉电压约为8kV/m，放电电流在几毫安到几百毫安范围内，作为增益区域的毛细管几乎整体处在正柱区中。

3）光学谐振腔

光学谐振腔有一对镀有多层高反射率介质膜的反射镜组成，一般采用平凹腔形式，平面镜为输出镜，透过率约为1%~2%，凹面镜为全反射镜，反射率接近100%。

通常根据谐振腔的结构不同分为内腔式氦氖激光器、外腔式氦氖激光器、半内腔式氦氖激光器、旁轴式氦氖激光器和单毛细管式氦氖激光器。

3.2氦氖激光器的最佳放电条件

放电条件包括放电电流，充气气压，充气混合比等。

这三者均与放电管直径有着密切关系。

对应一个确定的充气气压，存在一个与最大输出功率对应的放电电流。

充气气压增大，最佳放电电流减小。

放电电流的变化主要是改变电子密度，对输出功率的影响具体分析。

在最佳充气条件下，对应着最大输出功率的放电电流成为最佳放电电流。

在充气混合比一定时，每个充气气压存在一个最佳放电电流，最佳放电电流随总气压的升高而降低，还与放电管直径有关，随放电管直径增大而增大。

3.3粒子数反转分布的建立过程

氦氖激光器的粒子数反转分布的建立过程取决于能级结构。

氦氖激光跃迁属于典型的四能级系统。

泵浦能级为氦原子的亚稳态

、

，激光上能级为氖原子的

、

，激光下能级为

和

，均为激发态。

理论和实验表明：

采用直流放电激励的氦氖激光器，其放电毛细管增益区处在正常辉光放电的正柱区，正柱区为等离子体。

氦氖激光器实现粒子数反转分布主要依靠电子碰撞激发和氦氖原子间的共振激发能量转移过程，实现激光上能级的激发，以及对激光下能级的消激发过程。

3.3.1激光上能级

、

的激发

1）电子碰撞激发

以适当能量的电子与基态氖原子碰撞，使其激发到2s、3s态。

反应方程为

（3-1）

除此以外，处在正柱区的电子对1s、2p和3p能级也有激发，而且对1s、2p能级的激发几率大于对2s、3s态的激发几率，因此，单靠电子碰撞激发是不能实现粒子数反转分布的。

常称这些不能按人们意愿控制的激发为非选择性激发。

2）共振激发能量转移激发

以适当能量的电子与基态氦原子碰撞，使其激发到亚稳态2¹S。

2³S1，反应方程为

（3-2）

这要求快电子具有能量分别为20.55eV、19.77eV，相应电子温度高达

，比工作气体温度高。

一般来说，亚稳态氦原子经过共振激发能量转移过程对基态氖原子的选择性激发，比电子碰撞激发的几率要大。

3.3.2激光下能级的消激发

激光下能级的激发主要是电子碰撞，使基态氖原子跃迁到激发态

和

，其反应方程为：

（3-3）

从激发态2P和3p向低能级的跃迁过程称为消激发，主要是以自发辐射的形式首先跃迁到1s态，弛豫速率很快，因此1s能级上的氖原子数将出现堆积。

把这种低能级粒子数出现阻塞的现象称为瓶颈效应。

为了提高粒子数翻转分布的绝对值，关键是排空1s能级的粒子。

有效的方法时选择低气压，细放电管直径的结构。

4.氦氖激光器对电源的要求

4.1气体放电的基本原理

气体激光器的激励方式一般是采用气体放电。

在平常情况下气态物质是绝缘体，当加上电压时，气体中产生的电流很微弱，但当电压升高至一定值时电流会突然增大，同时电极间电压突然减小，气体从绝缘体迅速转变为导体,这叫做气体的击穿或“着火”。

按照气体导电的伏安特性曲线来划分，击穿后气体导电还可分为正常辉光放电和反常辉光放电区域。

由于放电管击穿后变成导体，此时放电管电压比击穿时低很多，所以整个放电电路的电压就会有相当大的一部分落到限流电阻上。

击穿气体导电性质的突变，是由于此时气体中产生许多正离子和自由电子。

在外电场的作用下，分别向阴阳、极运动，造成放大电流很大。

放电电流对于激光器的输出功率有直接的影响，既有一个最佳放电电流，这一数值在激光器生产厂家的产品说明书中。

击穿后处于正常工作的氦氖激光器，其放电属于正常激光放电。

整个放电过程由伏安特性曲线描述。

图4.1-伏安特性曲线

4.2氦氖激光器对电源系统的要求

氦氖激光器常采用直流高压辉光放电激励，此类放电的特征是：

①传导电流的范围为10e-610e-1A,管压降为几百伏到几千伏，工作在小电流高电压的正常辉光放电区域；

②有较高的阴极位降和较强的阴极溅射；

③激光管的伏安特性呈负阻性。

为此在设计电源系统时，必须选择合理的外特性，使激光管处于稳定工作状态，具体要求如下：

（1）激光器能进入正常激光放电状态，其空端载电压必须达到击穿电压。

对管长250450毫米的氦氖管，击穿电压在4006000伏特。

（2）击穿后电源应能保证供给激光管正常工作电压和工作电流。

在正常辉光放电区，其伏安特性呈负阻性，因此必须采取一定的限流措施。

（3）氦氖激光器的输出功率强烈的依赖于放电管的放电管的电流强度。

在一定范围内与电流平方成正比。

（4）为使激光器有较大的使用范围，其电流、电压应有一定的调节范围。

调节范围的下限为维持放电电流，对氦氖激光器，最小维持电流为35mA;上限为略大于最佳工作电流。

5氦氖激光器电源系统的设计

氦氖激光器电源电路有多种形式，例如倍压整流式、直流交流交换升压式等。

我们以250mm氦氖激光管氦氖激光器倍压式电流为例，说明此类电路的设计思路。

（1）考虑到250mm氦氖激光管的击穿电压在50006000V之间，对220V交流电压必须进行2327倍升压；

（2）为保证击穿后能正常工作，工作电压在10001500V之间，工作电流在510mA之间，必须选取适当的限流电阻。

5.1电路原理图

图5-1倍压整流电路

5.2仿真电压输出波形

仿真输出电压为8000V左右符合实验标准。

图5-2仿真电压输出波形

5.3激光器电源所用器件的检测

5.3.1整流二极管的检测

1）极性的判别：

将万用表置于R*100档或者R*1k档，两表笔分别接二极管的两个电极。

测出一个结果后，对调两表笔，再测出一个结果。

两次测量的结果中，有一次测量的阻值较大（为反向电阻），一次测量的阻值较小（为正向电阻）。

在阻值较小的一次测量中，黑表笔接的是二极管的正极，红表笔接的是二极管的负极。

2）导电性能的检测：

正向电阻越小越好，反向电阻越大越好。

正、反向电阻阻值相差越悬殊，说明二极管的单向导电性越好。

若测得二极管的正反向电阻值均接近于0或者阻值较小，则说明该二极管的内部已经击穿短路。

若测得二极管的正方向电阻值均为无穷大，则说明该二极管已经开路损坏。

5.3.2电解电容的检测

将万用表打到电容档位，红表笔接正极，黑表笔接负极，万用表数值不断在变化中说明电解电容良好。

5.3.3电阻的检测

将两表笔（不分正负）分别与电阻的两端引脚相接即可测出实际电阻值。

为了提高测量精度，应根据被测电阻标称值的大小来选择量程。

由于欧姆档刻度的非线性关系，它的中间一段分度较为精细，因此应使得指针指示值尽可能落到刻度的中间位置，即全刻度起始的20%~80%弧度范围内，以使测量更加准确。

根据电阻误差的等级不同。

读数与标称值之间分别允许有

5%、

10%或

20%的误差。

如不相符。

超出误差范围，则说明电阻值变值了。

5.4电路板的焊接

（1）熟悉、检查元器件是否完好；

（2）进行二极管通断试验；

（3）表面处理：

元器件管脚及焊盘氧化层的处理，以防止虚焊；

（4）挂锡；

（5）焊接元器件；

（6）运交指导老师检查；

（7）验收调试：

焊接电源接线，连接氦氖激光管工作电路;

（8）经检查合格后，在指导老师监护下接通电源，进行最佳放电电流测试。

6实验结果

在实验中将制作好的激光电源加载氦氖激光管两侧，氦氖激光管发出红色激光。

6.1空载测量

（1）将25个1M串联的电阻接入激光电源电路然后用万用表测量其中一个电阻上的电压为129V，则此时的空载电压为：

129

25=3225V。

（2）将电流表串联接入25MΩ的电阻中测出此时的电流0.14mA，可以空载电压为：

0.14mA

25MΩ=3500V。

6.2负载测量

（1）将电源与激光器相连，再将25个1MΩ串联的电阻与激光器并联，用万用表测量其中一个电阻上的电压53V，测得负载电压为：

53V

25=1325V。

（2）将电源与激光器相连，再将25个1M的电阻和电流表串联再与激光器并联测得此时的电流0.06mA，测得负载电压为：

0.06mA

25MΩ=1500V。

（3）测量负载电流，将电流表和激光器串联接入电源中，接通电源观察此事的电流大小，经实验测得负载电流为9mA。

实验中开始将25M电阻与激光器并联后再开启电源此时激光器不能工作，放电管没有被击穿，然后取下电阻重新插上电源放电管正常发光后再将电阻并连上去激光器依旧正常工作，由此可见激光器的击穿电压比正常工作电压高。

这就是氦氖激光器工作需要高压电源的原因。

在每次激光管工作后电容都会充电，实验结束后需要对电容进行放电处理。

7心得体会

通过此次课程设计使我对于激光器的基本原理以及氦氖激光器的基本构成有了一个初步的认识，使得对于激光器的认识不仅仅是停留在书本上。

另外由于之前对于电源方面接触的知识比较少，对于像激光器电源这种高压电源可以说一直是敬而远之。

通过此次课程设计虽然对于电源的顾虑还是存在的，但是对于电源这种东西对我已不再陌生，自己对电源也是有了一定的了解。

同时也锻炼了自己看电路，分析电路的能力。

使得自己的电子技术基础有了一个很好的回顾。

另外虽然此次设计中实践环节不多，但是实践环节锻炼了我的动手实践能力和团队合作能力。

对于数字万用表的诸多神奇的使用方法使我印象特别深刻，使我明白在后续的工作学习中要活用各个工具以达到事半功倍的效果，同时也让我知道了自己一个人力量的渺小，即使自己可以把整个东西做出来但也无法得到实质性的东西，只有通过合作和思想的交流才可以把一样东西做的更好。