Высоковольтный импульсный модулятор с наносекундным фронтом

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР С НАНОСЕКУНДНЫМ ФРОНТОМ

В.В. Тогатов, С.В. Гагарский, П.А. Гнатюк, Д.С. Терновский

Разработан высоковольтный (до 6 кВ) импульсный модулятор с наносекундным фронтом, предназначенный для управления электрооптическими затворами. Проведены испытания модулятора в составе лазерного излучателя, с электрооптическим затвором типа QDN3.

Модулятор предназначен для управления электрооптическими затворами в составе твердотельных лазеров. В отличие от существующих, разработанный модулятор выполнен в виде единой печатной платы, на которой расположен и высоковольтный источник, позволяющий формировать выходные импульсы в режиме «switch on» (с положительным фронтом). Для работы в режиме «switch off» (с отрицательным фронтом) на плате предусмотрен разъем, к которому подключается дополнительный высоковольтный источник. Этот источник разработан нами и может поставляться в комплекте с модулятором.

Модулятор (рис. 1) включает следующие основные компоненты: быстродействующий электронный коммутатор, блок накопительных конденсаторов, заряжаемых в паузе между импульсами, управляющие драйверы, трансформатор, с помощью которого осуществляется запуск модулятора, высоковольтный источник питания для формирования выходных импульсов в режиме «switch on» и низковольтный - для цепей управления. Модулятор управляется внешними синхроимпульсами с частотой до 10 кГц. Регулировка амплитуды выходного импульса осуществляется либо встроенным потенциометром, либо дистанционно через входной разъем. Для контроля состояния платы используется светодиодная индикация, а при отсутствии высокого напряжения генерируется логический сигнал «Error». Питание платы осуществляется от низковольтного источника 5-30 В.

Проведены испытания разработанного высоковольтного импульсного модулятора в составе лазерного излучателя, установленного в технологический комплекс, предназначенный для объемной лазерной маркировки внутри прозрачных диэлектриков. В качестве нагрузки использовался электрооптический затвор типа QDN3 (VITRO LASER GmbH) на кристалле BBO, работающий на поперечном электрооптическом эффекте. Емкость затвора составляла 6 пФ, рабочее четвертьволновое напряжение - 3.6 кВ.

Излучатель представлял собой одномодовый лазер на основе кристалла Nd3+:YVO4 с продольной импульсной диодной накачкой. Импульсы накачки с энергией до 7 мДж имели длительность 90 нс и частоту повторения до 2,5 кГц. По окончанию импульса накачки с импульсного модулятора на затвор подавался открывающий импульс длительностью до 200 нс. Время развития генерации находилось в пределах 30-60 нс. В результате на выходе излучателя генерировались световые импульсы на длине волны 1064 нм с энергией до 1 мДж. Отношение энергетической эффективности работы лазера в режиме модуляции добротности к соответствующему значению эффективности в режиме свободной генерации составило величину 76 %. Длительность импульса при максимальной энергии накачки составила 3.8 нс.

Субструктура генерируемого светового импульса (рис. 2) обусловлена частичной синхронизацией продольных мод в резонаторе лазера с аксиальным периодом около 1 нс. Нестабильность энергии от импульса к импульсу не превышала 2.5 %. Девиация изменений средней мощности излучения при частоте повторения 2 кГц по измерению в течение 16 часов непрерывной работы составила ± 1.6 %, что практически совпало со значением девиации в режиме свободной генерации. В результате проведения ресурсных испытаний не выявлено каких-либо изменений в работоспособности модулятора в течение 109 импульсов.

Рис. 1. Электрическая плата модулятора

Рис. 2. Осциллограмма импульсов напряжения (1) на затворе и лазерного излучения (2). Масштаб: напряжение на затворе 1кВ на деление, время 5нс на деление

Основные технические характеристики модулятора:

• амплитуда выходного импульса.................................................... 2000-6000 В

• стабильность амплитуды ............................................................... 5 %

• максимальный ток в импульсе ...................................................... 30 А

• максимальная емкость нагрузки.................................................... 100 пФ

• длительность фронта ...................................................................... 3-8 нс

• длительность плоской части импульса......................................... 0.2-2 мкс

• время спада ...................................................................................... 0.5 мкс

• максимальная частота повторения импульсов............................. 10 кГц

• задержка выходного импульса относительно входного ............. 60 нс

• амплитуда входного синхроимпульса .......................................... 3-15 В

• напряжение источника питания платы ......................................... 5-30 В

• потребляемая мощность ................................................................. 2 Вт

• ток дополнительного высоковольтного источника

напряжения смещения на затворе ................................................. < 0.3 мА

• рабочий температурный диапазон ................................................ -40-+60 °С

• габаритные размеры ....................................................................... 50 х 80 х 24 мм3

Модулятор разработан по заказу фирмы VITRO LASER (Германия) и используется в составе технологического комплекса для ЭБ-гравировки в прозрачных диэлектриках.