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He-Ne激光器直流放电电源制作
实验目的
熟悉激光器的基本原理;
熟悉激光器的基本组成;
掌握氦氖激光器工作原理;
掌握气体激光器对电源的要求;
学会气体激光器电源的设计和制作方法;
完成3mW(250mm)氦氖激光器放电电源的制作与调试。
设计制作原理
激光器基本原理:实现光的受激辐射放大,产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗。
激光器基本组成:工作物质、谐振腔、泵浦源。
氦氖激光器工作原理:
He-Ne激光器的基本组成:放电管、电极和光学谐振腔。
粒子数反转分布的建立:激发态He-Ne原子间的共振能量转移实现Ne原子激光上能级的激发;选择减小放电管径尺寸实现Ne原子激光下能级的消激发。
最佳放电条件:选择使增益达到最大的放电电流、总气压、气体混合比等参量。
气体放电基本原理:气体激光器的激励方式一般采用气体放电。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,气体从绝缘体迅速变成导体,这叫做气体的击穿或“着火”。按照气体导电的伏安特性来区分,击穿后气体导电还可分为正常辉光放电和反常辉光放电。氦氖激光器工作在正常辉光放电区域。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,造成放电电流很大。
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,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:
、激光管能进入正常辉光放电状态,其空载端电压必须达到击穿电压。对管长250~450毫米的氦氖管,击穿电压在4000~6000伏特。
、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,其伏安特性呈负阻特性,因此必须采取一定的限流措施。
、氦氖激光器的输出功率强烈的依赖于放电管的电流强度。在一定范围内,与电流平方成正比。
、为使激光电源有较大的使用范围,其电压、电流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3~5mA;上限为略大于最佳工作电流。
氦氖激光器电源系统的设计:氦氖激光器电源电路有多重形式,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源为例,说明此类电路的设计思路。
、考虑到250mm氦氖激光管的击穿电压在5000~6000V之间,对220V交流电压需要26倍升压;
为保证击穿后能正常工作,工作电压在1000~1500V之间,工作电流在5~10mA之间,必须选取适当的限流电阻。
设计制作内容步骤
设计电路原理图:
该倍压整流电路的优点是每个电容上的电压不会超过输入电压U的两倍,即440V,所以可以选用耐压较低的电容。缺点是电容是串联放电,纹波大。
元器件的选取:二极管 1N4007型;
电容器 223()/630V;
电解电容 CDIIZ(10μF)/400V;
电阻 1MΩ;
限流电阻 44KΩ,10W碳膜电阻。
氦氖激光器电源系统的制作(电路板焊接):
熟悉、检查元件是否完好,进行二极管断通试验;
表面处理:元件管教是焊盘氧化层的处理,以防止虚焊;
挂锡;
焊接元器件;
送交指导老师检查;
经验收调试:焊接电源接线,连接氦氖激光管工作电路;
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。
仿真分析
用仿真软件划出电路图,测得输出波形如下:
由图可知,输出电压约为4..7KV,220V经26倍整流后,,由于限流电阻的分压,使得最后输出电压为4..7KV。
实验结果
把焊好的电源加在氦氖激光管两端时,氦氖激光管发出正常的红色激光。测得工作电流约为7mA,工作电压在3000V以下!给氦氖激光管的两端并联上一电阻时,加上高压后,氦氖激光管不能发光。去掉并联的电阻,加上高压,氦氖激光管正常发光,然后再加上并联电阻,氦氖激光管正常发光。此现象说明氦氖激光管工作需要高的击穿电压,加入并联电阻后分压使氦氖管两端达不到击穿电压;当正常发光后,氦氖激光管的工作电压会比击穿电压低很多很多,所以再并联上电阻时,氦氖管仍能依靠较低的电压正常工作。这就是氦氖激光管工作需要高压电源(击穿)的原因!另外实验完后需要对电容进行放电