Q开关激光器普克尔斯盒驱动器设计

用于空间应用中Q开关激光器的普克尔斯盒驱动器的设计与开发

摘要

本摘要文介绍了用于Q开关激光器源的紧凑型普克尔斯盒驱动器的设计与开发。激光的Q开关是通过使用普克尔斯盒实现的，普克尔斯盒是一种非线性晶体，如LiNbO₃, KDP和KD*P。这些晶体在施加高压时可改变激光束的偏振状态，当与偏振器结合使用时，可作为光学开关。普克尔斯盒驱动器包括高压电源（λ/4 伏特，对于LiNbO₃晶体为1.6 千伏）和超快开关的设计，以实现高速切换。该设计采用先进的元件完成，并进行了仿真。相应的实验室模型已实现，并成功进行了功能和性能测试。该设计旨在用于开发脉冲激光源，适用于基于激光雷达的空间应用。

关键词 ：快速雪崩开关；高压电源；纳秒高压脉冲；脉冲激光器；Q开关；电压倍增器

1. 引言

激光技术是一项伟大的科学发现，是生物技术、光谱学、成像、传感器系统、微加工和遥感等多种应用领域中的重要工具。大约二十年前，新一代用于空间应用的激光雷达（LIDAR）被提出并开发，主要用于火星任务期间的火星大气探测[1,2]。高能短脉冲激光正变得日益重要，并更多地应用于空间领域，如激光测距仪（LRF）、激光雷达通信和卫星激光测距（SLR）。短脉冲激光的产生主要有三种方式：Q开关、锁模和增益开关。Q开关是一种通过调制激光谐振腔内的损耗从而改变其Q因子来从激光器中获得高能短脉冲的技术。该技术主要应用于固体块状激光器，以产生高能量和高峰值功率的纳秒脉冲。

高能Q开关激光脉冲（有时称为巨脉冲）的产生过程如图1所示。一根由激光二极管或flash灯泵浦提供光能的激光棒（增益介质）被置于两块反射镜（M1和 M2）之间。在Q开关过程中，一个普克尔斯盒与 λ/4波片一起位于偏振器与后端反射镜M1之间。

当一次往返的光放大倍数大于激光棒中的吸收损耗时，激光作用开始。激光棒发射的光是线偏振的，通过偏振器进行偏振。如果未向普克尔斯盒施加电压，则偏振状态保持不变，谐振腔被阻断，如图1所示。受激辐射通过在两个反射镜之间多次往返并在增益介质中传播而不断放大。当增益介质中储存了足够的能量后，向普克尔斯盒施加一个高压脉冲（λ/4 伏特），使其偏振状态发生改变，如图所示，所有储存的能量将作为单个巨脉冲的激光束释放出来。该技术可类比于水坝，当闸门被提起时，水便猛然涌出。

激光束的脉冲宽度由施加到普克尔斯盒上的高压脉冲持续时间决定。常用的普克尔斯盒晶体包括磷酸二氢钾（KDP）、KD*P和LiNbO₃晶体。

本工作的目标是为正在光电系统实验室（LEOS）印度空间研究组织（ISRO）开发的双波长100毫焦激光放大器的种子激光模块研制一种国产化的Q开关驱动器。LiNbO₃晶体被用作Q开关，因其对环境变化具有强耐受性，且四分之一波片延迟电压较低，为1.6千伏[3]，相比KDP和KD*P晶体更优。

因此，本文所述普克尔斯盒驱动器的技术规格旨在驱动LiNbO₃晶体，并列于表1。驱动电路预期输出的脉冲如图2所示。

参数	规格
高压	1.6 千伏
脉冲宽度	约10纳秒
上升时间	»1–2纳秒
脉冲重复频率	1赫兹到10千赫兹

表1：普克尔斯盒驱动器规格说明

2. 普克尔斯盒驱动器

普克尔斯盒对其驱动电路而言本质上相当于一个纯电容（»6至»10皮法）。每次激发普克尔斯盒时，驱动电子器件必须快速而清晰地向其电容负载切换数千伏电压。对于 λ/4波片切换应用，驱动器在输出电压、脉冲宽度和脉冲形状方面也必须具有高度稳定性。本工作所进行的普克尔斯盒驱动器设计分为两个部分：高压电源和超快开关，如图3所示。选择15伏特作为工作电压，因为这是星载航天器上 DC–DC变换器常见的二次侧电压。

2.1 高压电源

普克尔斯盒需要一个高压、极低电流（<2毫安）的电源以实现电光调制晶体中的光学效应。传统的开关模式电源（SMPS）在原理上需要变压器具有非常大的匝数比，以及使用高额定值元件，才能在输出端产生千伏级电压。电压倍增器是生成千伏级高压的最关键技术，可实现更简单、紧凑的结构，并使用低额定值元件[4,5]。本文设计的电路结合了开关模式电源技术和电压倍增器，以生成1.75千伏输出，如图4和5所示。

15伏的输入电压通过中心抽头的升压变压器转换为高频交流电（§125伏，125千赫兹方波），如图4所示。选择125伏方波是为了便于使用额定值较低的元件（250伏），而不必使用昂贵且不常见的高额定值元件。脉宽调制控制器单元配置为在输出端产生固定50%占空比、125千赫兹的脉冲。选用该脉宽调制集成电路“UC1825”是因为其内置具有可编程振荡器频率、内置电压误差放大器、软启动等功能，并且工作时仅消耗17毫安的低电流。采用MOS-FET“IRHLF770Z4”来切换初级电压。

变压器的次级电压通过使用倍压电路进行放大，如图5所示。采用基于维拉尔级联结构的七级倍压电路[5]将125伏方波升压至1.75千伏直流。倍压电路的输出电压以250伏为步进，从125伏逐步上升至1.75千伏。倍压电路的每一级由两个电容和两个二极管组成。维拉尔级联结构的电容值通过公式(1)确定。

$$
\Delta V = \frac{I}{fC} \left( \frac{2n^3 + 1}{2n^2} - \frac{1}{6n} \right)
\quad (1)
$$

其中n为级数，C为电容，f为频率，I为负载电流，ΔV为输出电压纹波。当负载电流为2毫安时，ΔV为50毫伏，n ≈ 7，C为68纳法。设计中使用了IN6663二极管。在此设计中，电压倍增器的每一级电路产生平稳的250伏直流电，因此可根据需要以250伏为步进使用间歇电压。

2.2 超快开关

普克尔斯盒驱动器中的关键元件是高电压、高速开关。电光Q开关（普克尔斯盒）的工作需要在多千伏电压范围内实现快速切换（通常在几纳秒量级）。常见的开关技术包括使用MOSFET[6,7]、可控硅和雪崩晶体管。

每个开关都有其自身的优势和应用。雪崩晶体管开关非常适合用于产生短时功率脉冲[8–10]。进一步堆叠雪崩晶体管[11,12]有助于实现一种简单的电路，以产生上升时间在数百皮秒范围内的高电压短脉冲。此外，使用雪崩晶体管实现快速脉冲电路还能提供低成本的解决方案。

基于劳伦斯利弗莫尔国家实验室的概念设计的快速开关，采用雪崩晶体管[8]，如图6所示。

通过雪崩晶体管堆栈将1.75千伏的高压电源施加到普克尔斯盒上。选用VCBO为320伏的雪崩晶体管“FMMT417”进行设计。除Q1外，所有晶体管均采用基极-发射极短接配置。这使得晶体管（Q2–Q7）表现为反向偏置的二极管，类似于雪崩齐纳二极管。具有相同阻值（1.5兆欧）的电阻R1–R7构成一个分压网络，将1.75千伏均分为每个电阻（R1–R7）上的250伏。这样，每个晶体管（Q1–Q7）两端的电压被限制在250伏，远低于雪崩晶体管FMMT417的击穿电压。电容C1–C7分别充电至250、500、750、1000、1250、1500和1750伏。这确保了雪崩晶体管击穿时有充足的能量可用，从而开关的导通时间完全由雪崩晶体管的击穿时间决定。电容C1–C7的设计标准为：（i）雪崩晶体管中的能量耗散不得超过阈值限制；（ii）脉冲上升时间应在1至2纳秒之间。C1–C7的取值以与其两端电压相同的方式递减，从而使每个晶体管在工作时承受相等的能量（CV²）。

3. 结果与讨论

该设计使用PSpice工具进行仿真，并检查其功能和性能。高压电源设计的仿真结果如图9和10所示。图9显示了变压器的次级电压、MOSFET的栅极脉冲、PWM振荡器波形以及从+15伏特输入电压图10显示了在第一、第二、第四和第五倍压级处分别为250伏、500伏、1千伏和1.25千伏的电压。图11显示了在第六倍压级处1.5千伏的电压建立过程及2毫安负载电流下的纹波。

超快开关的仿真结果如图12和图13所示。高压脉冲的下降时间为1.36纳秒，脉冲宽度为9纳秒。为了确保在高重复频率下的正常工作，输出耦合电容C8必须在下一个脉冲到来之前完全充电。如图所示，此时为12.5微秒，从而超过了10千赫兹的目标规格。

4. 结论

一种国产的Q开关驱动器已设计完成，其结构简单紧凑，在上升时间和高重复频率方面满足规格要求。该设计已在实验室模型中实现并成功测试，硬件结果与仿真结果高度一致。该设计旨在为印度空间研究组织（ISRO）光电系统实验室（LEOS）正在研制的100毫焦双波长激光源中的Q开关种子激光器提供驱动。所研制的普克尔斯盒驱动器还可用于未来的光调制、距离门控等应用。例如，高压器件如普克尔斯盒在火星表面的低压大气环境中由于电极间的电击穿而无法正常工作。驱动电路的印刷电路板（PCB）布局必须遵循高压设计规范，确保高压走线之间的最小间距。对于空间应用，最好将普克尔斯盒组件及其驱动器置于真空密封外壳内。