光致漂移实验研究中基于电光光开关的激光时域调制器

技术领域

本发明属于一种激光时域调制器，具体涉及一种光致漂移实验研究中基于电光光开关的激光时域调制器。

背景技术

在激光光谱学实验、光通信等领域中，有时需要对连续激光束进行时域上的控制，使其产生特定的上升沿或者下降沿极小的脉冲激光束。光致漂移实验研究中，为了测量光致漂移引起的气体密度变化，实验采用荧光法对比的方式来进行，这需要将原本的连续激光调制成脉冲形式。

一般对连续光进行时域控制的常用器件有：机械光开关、MEMS光开关、声光光开关、电光光开关，这其中电光光开关的响应速度是最快的，其中，机械光开关响应速度一般在ms量级，且重复性较差；热光开关的响应时间在100μs量级；MEMS光开关响应速度在100ns-ms量级，但实现依赖于光纤，同时结构较为简单。

某些晶体材料在外加电场中，随着电场强度的改变，晶体折射率会发生改变，这种现象成为电光效应。电光效应引起的折射率变化的主要部分是一次电光效应，其效果远大于二次效应等高阶效应，一次电光效应被称之为线性电光效应或者普克尔效应。基于电光晶体的光开关是利用这类电光晶体在外加电场的作用下所产生的电光效应而制成的器件。

电光光开关的响应时间很大程度上取决于外场电压的上升沿或者下降沿，因需要使得电压幅值达到电光晶体的半波电压一般为几千伏，这使得快速上升沿高压电源成为制约电光晶体光开关响应速度的限制之一。

发明内容

本发明是为了克服现有技术的缺点而提出的，其目的是提供一种光致漂移实验研究中基于电光光开关的激光时域调制器。

本发明的技术方案是：一种光致漂移实验研究中基于电光光开关的激光时域调制器，包括消光棱镜，在消光棱镜的一侧设置有Ⅰ号准直光阑，在Ⅰ号准直光阑的另一侧设置有电光晶体，在电光晶体的另一侧设置有Ⅱ号准直光阑，在Ⅱ号准直光阑的另一侧设置有检偏棱镜，在电光晶体两外侧端各设置有横向电极，横向电极与快速脉冲高压电源电缆连接，快速脉冲高压电源通过触发信号与脉冲时序发生器电信号连接，调制前激光束入射到消光棱镜，调制后透射激光束从检偏棱镜中透射出，调制后反射激光束从检偏棱镜中反射出。

所述的快速脉冲高压电源包括时序控制，时序控制通过输出触发信号分别与并列的多个高压隔离驱动连接，其中输出触发信号与两个高压隔离驱动连接，输出触发信号与其余高压隔离驱动连接，两个高压隔离驱动输出信号与高端开关电路连接，其余高压隔离驱动通过高压隔离驱动输出信号与低端开关电路连接，高端开关电路和低端开关电路的输出分别加到电光晶体两外侧端的横向电极上，时序控制通过输出触发信号与前沿高速驱动连接，前沿高速驱动通过导线与低端开关电路连接。

所述的时序控制包括高端开关电路触发信号产生电路和低端开关电路触发信号产生电路。

所述的高压隔离驱动包括芯片和芯片组成芯片组，两芯片之间连接脉冲变压器。

所述的高端开关电路包括两个MOSFET开关管M9、M10，电阻R26、R27、R28，两个开关管M9、M10串接，开关管M10的源极通过导线与电光晶体连接，开关管M9的漏极连接限流电阻R28，电阻R28另一端为高压输入，电阻R26、R27为均压电阻，分别与开关管M9、M10的漏源极并联，开关管M9～M10的门极由高压隔离驱动输出信号触发。

所述的低端开关电路包括八个MOSFET开关管M1～M8、电阻R10～R25、电容C4～C11，R18～R25为均压电阻、并接于开关管M1～M8的漏源极，开关管M1的漏极通过导线与电光晶体连接，开关管M1的源极与M2的漏极连接，开关管M1～M8相互串联，开关管M1～M8的门极由高压隔离驱动输出信号触发。

本发明结构简单、操作方便,响应速度快稳定性好，可以应用于在激光光谱学实验、光通信等领域。

附图说明

图1 本发明的光致漂移实验研究中基于电光光开关的激光时域调制器的结构图；

图2 本发明的快速脉冲高压电源；

图3 本发明的时序控制电路图；

图4 本发明的高压隔离驱动电路图；

图5 本发明的高端开关电路图；

图6 本发明的低端开关电路图；

图7 当脉冲电压为零和当脉冲电压为半波电压时，经过电光晶体的激光束的线偏振方向；

图8 经本发明调制后的激光束的时域特征。

其中：

1  消光棱镜           2  Ⅰ号准直光阑

3  电光晶体           4  Ⅱ号准直光阑

5  检偏棱镜           6   横向电极

7  快速脉冲高压电源   8  脉冲时序发生器

9  调制前激光束       10 调制后透射激光束

11 调制后反射激光束   12 时序控制

13 高压隔离驱动       14 前沿高速驱动

15 高端开关电路       16 低端开关电路

17高端开关电路触发信号产生电路 

18低端开关电路触发信号产生电路

19 UC3724芯片         20 脉冲变压器

21 UC3725芯片         22 脉冲时序发生器触发信号

23 快速脉冲高压电源的输出电压 

24经过检偏棱镜的反射光   25 经过检偏棱镜的透射光。

具体实施方式

以下，参照附图和实施例对本发明的光致漂移实验研究中基于电光光开关的激光时域调制器进行详细说明：

如图1所示，一种光致漂移实验研究中基于电光光开关的激光时域调制器，包括消光棱镜1，在消光棱镜1的一侧设置有Ⅰ号准直光阑2，在Ⅰ号准直光阑2的另一侧设置有电光晶体3，在电光晶体3的另一侧设置有Ⅱ号准直光阑4，在Ⅱ号准直光阑4的另一侧设置有检偏棱镜5，在电光晶体3两外侧端各设置有横向电极6，横向电极6与快速脉冲高压电源7电缆连接，快速脉冲高压电源7通过触发信号8₁与脉冲时序发生器8电信号连接。

    调制前激光束9入射到消光棱镜1，调制后透射激光束10从检偏棱镜5中透射出，调制后反射激光束11从检偏棱镜5中反射出。

其中，电光晶体3选用成品电光晶体（New Focus Standard Phase Modulator 4001，市售），采用MgO:LiNbO₃晶体，通光孔径2mm，半波电压10-31V。脉冲时序发生器8的型号为DG535（市售）。

如图2所示，快速脉冲高压电源7包括时序控制12，时序控制12通过输出触发信号12_1、12₂分别与并列的多个高压隔离驱动13连接，本发明设置八个，其中输出触发信号12₁与两个高压隔离驱动13连接，输出触发信号12₂与其余六个高压隔离驱动13连接。两个高压隔离驱动输出信号13₁、13₂与高端开关电路15连接，其余六个高压隔离驱动13通过六个高压隔离驱动输出信号13₃～13₁₀与低端开关电路16连接。高端开关电路15和低端开关电路16的输出分别加到电光晶体3两外侧端的横向电极6上。时序控制12通过输出触发信号12₃与前沿高速驱动14连接，前沿高速驱动14通过导线14₁与低端开关电路16连接。

其中，脉冲时序发生器8发出的触发信号8₁通入时序控制12的输入端。所述的前沿高速驱动14采用具有雪崩效应的三极管，如2N3904、FMMT417和FMMT415等（市售），三极管集电极通过导线与低端开关电路16连接，发射极连接地。电光晶体3的容值小于10pF，高压输入电压小于6kV。

如图3所示，时序控制12包括高端开关电路触发信号产生电路17和低端开关电路触发信号产生电路18。其中，高端开关电路触发信号产生电路17由单稳态电路U1A、U1B、U3B，电阻R2、R5～R9，电容C1、C2、C3，二极管D2、D3，三极管Q2、Q3组成。U1B的脚号10正输出与U3B的脚号11负触发端连接。U3B的脚号9与U1A的脚号3复位端连接。

U1A、U1B、U3B采用CD4098，其中U1A连接成正跳变触发，外触发信号8₁的前沿触发单稳态电路U1A，使U1A反向输出脚号7变为低电平，并由二极管D3锁定。U1A反向输出脚号7的低电平驱动三极管Q2关闭、Q3 导通，使高端触发信号12₁保持低电平，经高压隔离驱动输出13₁、13₂，使高端开关电路15中的开关管M9和M10处于关闭状态。单稳电路U1B、U3B连接成负跳变触发，U1B由外触发信号8₁的负跳变触发，其正输出由C1、R8设置输出脉宽，用于设定低端开关电路16关闭时，高端开关电路15开通的延迟时间。U1B正输出的负跳变触发U3B，使U3B负输出上产生一负脉冲，负脉冲宽度由R2、C3设定。U3B负输出的负脉冲复位U1A，U1A负输出变为高电平，驱动三极管Q2导通、Q3关闭，使高端触发信号8₁保持高电平，经高压隔离驱动使高端开关电路中的开关管M9和M10处于导通状态。

低端开关电路触发信号产生电路18由驱动芯片U2、电阻R1、R3、二极管D1组成。U2采用MOSFET高速驱动芯片，如IXDD614，U2输出触发信号12₃直接触发前沿高速驱动14，其分压输出触发信号12₂触发低端高压隔离驱动。低端高压隔离驱动触发信号12₂、U2输出触发信号12₃与外触发信号8₁极性一致。

如图4所示，高压隔离驱动13包括芯片19和芯片21组成芯片组，两芯片之间连接脉冲变压器20，芯片19采用UC3724，芯片21采用UC3725，通过脉冲变压器20实现高压隔离。

如图5所示,高端开关电路15包括两个MOSFET开关管M9、M10，电阻R26、R27、R28，两个开关管M9、M10串接，采用IXTH03N400，开关管M10的源极通过导线7₁与电光晶体3连接，开关管M9的漏极连接限流电阻R28，电阻R28另一端为高压输入，电阻R26、R27为均压电阻，分别与开关管M9、M10的漏源极并联。开关管M9～M10的门极由高压隔离驱动输出信号13_1、13₂触发。

如图6所示,低端开关电路16包括八个MOSFET开关管M1～M8、电阻R10～R25、电容C4～C11，开关管M1～M8采用高速N型MOSFET，R18～R25为均压电阻、并接于开关管M1～M8的漏源极。开关管M1的漏极通过导线7₁与电光晶体3连接，开关管M1的源极与M2的漏极连接，开关管M1～M8相互串联，开关管M1～M8的门极由高压隔离驱动输出信号13₃～13₁₀触发。

如图7所示,当脉冲电压加载在电光晶体3的两片横向电极6上时，由此形成的电场与竖直方向（调制前由消光棱镜反射后激光束的偏振方向）成45°。当脉冲电压为零时，经过电光晶体的激光束保持原来的竖直线偏振状态不变，这时激光束经过检偏棱镜5后100%反射，图7中（a）所示；当脉冲电压为半波电压时，经过电光晶体3的激光束的线偏振方向转动90°，而变成水平线偏振，这时激光束经过检偏棱镜5后100%透射，图7中（b）所示。

如图8所示，由脉冲时序发生器触发信号22、快速脉冲高压电源的输出电压23、经过检偏棱镜的反射光24、经过检偏棱镜的透射光25四个信号的时域图可看出，通过定制脉冲时序发生器的时域特征，就能控制、调节激光束的时域特征。

本发明进行激光束时域控制、调节，具体实施如下：

在研究气体的光致漂移现象的实验中，为了测量光致漂移引起的气体密度变化，需要将连续光进行时域控制，形成频率为50Hz，脉宽为10μs，上升沿小于1μs的脉冲激光。

（ⅰ）激光光源为899-01型环形染料激光器，染料选用Rd110，采用氩离子激光器泵浦。激光器出光参数：激光功率为1W、激光波长为560.000nm，偏振状态为竖直偏振，消光比>100:1。

（ⅱ）电光晶体选用成品电光晶体（Leysop EM508），采用MgO:LiNbO₃晶体，通光孔径8mm，半波电压3.8-4.5kV。

（ⅲ）快速脉冲高压电源最高输出电压为6kV，频率范围为5-100Hz，下降沿小于10ns。

（ⅳ）激光束时域信号采用光电探头（New Focus Visible Nanosecond PhotonDetector Model 1621）配合示波器（Tektronix DPO 4104）进行测量。

激光束在调制前为连续激光，设定脉冲发生器的脉冲频率为50Hz，脉宽为5μs，以此TTL信号触发快速脉冲高压电源，并设定快速脉冲高压电源的输出高压为4.3kV，实验测试得到等的电光晶体半波电压，用光电探头测量调制后反射激光束的时域信号，可以测量得到调制后的光束开关效果。

利用本发明调制连续激光后，光脉冲上升沿约为143ns，光开关的消光比大于1500：1。由此调制得到的光脉冲信号完全符合光致漂移现象实验研究的需要。