ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР С НАНОСЕКУНДНЫМ ФРОНТОМ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИМИ ЗАТВОРАМИ В ВИДЕ ЯЧЕЙКИ ПОККЕЛЬСА

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и предназначено для управления электрооптическими затворами в виде ячейки Поккельса. Оно может быть использовано в составе твердотельного лазера, работающего в режиме модуляции добротности.
Описание аналогов
Известен полупроводниковый генератор наносекундных импульсов на базе дрейфового диода с резким восстановлением (ДДРВ) (Письма в ЖТФ, 1983, т.9, вып.7, с.435). Он содержит ДДРВ 1, формирователь обратного тока 2, включенный параллельно ДДРВ и соединенный положительным выводом с катодом ДДРВ, цепь нагрузки 3, включенную параллельно ДДРВ, и формирователь прямого тока 4, соединенный отрицательным выводом с катодом ДДРВ, а положительным с анодом ДДРВ через LC-фильтр 5 (фиг.1).
При включении формирователя прямого тока через ДДРВ происходит короткий импульс прямого тока, приводящий к накоплению избыточного заряда неосновных носителей в базе ДДРВ, который локализован в области, непосредственно прилегающей к границе p-n-перехода. После включения формирователя обратного тока происходит экстракция неосновных носителей из базы в эмиттер ДДРВ. В результате осуществляется полное исчезновение накопленного заряда неосновных носителей в базе, которое сопровождается резким возрастанием обратного напряжения на ДДРВ и такой же быстрой коммутацией тока в нагрузку.
Недостатки рассмотренного генератора: отсутствие серийно выпускаемых диодов с резким восстановлением; короткая длительность импульса тока в нагрузке (порядка нескольких наносекунд); неэффективное использование формирователя прямого тока и невозможность реализации режима «switch-off», при котором в паузе между импульсами на нагрузке (затворе) высокий уровень напряжения, а при формировании импульса - низкий.
Известен генератор наносекундных импульсов (патент РФ №2009611 от 15.03.1994), содержащий дрейфовый диод с резким восстановлением 6; цепь обратного тока 7, включенную параллельно ДДРВ и состоящую из последовательно соединенных
конденсатора 8, катушки индуктивности 9 и коммутатора 10, причем коммутатор соединен с катодом ДДРВ, а конденсатор шунтирован диодом 11, соединенным анодом с анодом ДЦРВ; цепь прямого тока 12, включенную параллельно коммутатору 10, и состоящую из последовательно соединенных конденсатора 13, катушки индуктивности 14 и собственного коммутатора 15; цепь нагрузки 3, включенную параллельно ДДРВ; и цепь заряда 16, включенную параллельно конденсатору в цепи прямого тока (фиг.2).
При включении коммутатора в цепи прямого тока конденсатор этой цепи разряжается через индуктивности цепей прямого и обратного токов, конденсатор цепи обратного тока и ДДРВ, формируя короткий импульс прямого тока через ДДРВ. При этом в базе ДДРВ в области, прилегающей к границе p-n-перехода, образуется тонкий слой избыточного заряда неосновных носителей. После заряда конденсатора в цепи обратного тока до амплитудного значения напряжения происходит включение коммутатора в цепи обратного тока, приводящее к прохождению через ДДРВ короткого импульса обратного тока с большой амплитудой. За счет экстракции неосновных носителей из базы в эмиттер ДДРВ осуществляется истощение слоя избыточного заряда, приводящее к резкому возрастанию напряжения на ДЦРВ и такой же быстрой коммутации тока в нагрузку. В дальнейшем вся энергия, накопленная в катушке индуктивности и конденсаторе цепи обратного тока, передается в нагрузку через шунтирующий диод, препятствующий перезаряду конденсатора в цепи обратного тока. За счет этого повышается эффективность работы генератора и его КПД.
Недостатки рассмотренного генератора: отсутствие серийно выпускаемых диодов с резким восстановлением; короткая длительность импульса тока в нагрузке; невозможность реализации режима «switch-off».
Описание прототипа
Известна схема быстрого высоковольтного модулятора (патент USA №5,594,378 от 14 января 1997 г.), содержащая высоковольтный источник питания 17, соединенный минусом с общей шиной; первый полупроводниковый ключ, состоящий из последовательно включенных МОП-транзисторов 18 - 22, причем сток верхнего транзистора соединен с плюсом источника питания, а исток нижнего транзистора - через резистор 23 с первым выводом нагрузки (затвора) 55; второй полупроводниковый ключ, состоящий из последовательно включенных МОП-транзисторов 24 - 28, причем сток верхнего транзистора соединен через резистор 29 с первым выводом нагрузки 55, а исток нижнего транзистора - с общей шиной; ограничители напряжения, подключенные параллельно
каждому транзистору в первом и втором ключах 30 - 49; шунтирующие транзисторы, включенные параллельно цепям затвор-исток каждого транзистора в первом ключе 50 - 54; цепь подключения нагрузки 55, соединенную вторым выводом с общей шиной;
разрядный резистор 56, включенный параллельно нагрузке и гальванически развязанные цепи управления каждым транзистором 57 - 66, осуществляющие синхронизированное переключение обоих ключей импульсом со схемы управления 67-69 (фиг.3).
Схема работает следующим образом.
При подаче со схемы управления 67 (drive circuit) импульса на включение 68 (on pulse) происходит одновременное включение всех последовательно соединенных МОП-транзисторов первого ключа 18-22. При этом в нагрузке формируется положительный импульс напряжения с амплитудой, практически равной напряжению высоковольтного источника 17. Одновременно со снятием импульса на включение 68 (on pulse) со схемы управления в цепи затворов всех шунтирующих транзисторов первого ключа 50-54 и всех последовательно соединенных транзисторов второго ключа 24-28 подается импульс на выключение 69 (off pulse). Происходит быстрое выключение транзисторов первого ключа 18-22 и такое же быстрое включение транзисторов второго ключа 24-28. Так как второй ключ фактически шунтирует нагрузку, то напряжение на нагрузке быстро обнуляется. После этого импульс на выключение 69 (off pulse) снимается. Нулевое значение напряжения на нагрузке сохраняется вплоть до подачи следующего импульса на включение 68 (on pulse) за счет резистора 56, подключенного параллельно нагрузке. Таким образом, применительно к электрооптическим затворам в данной схеме реализуется режим «switch-on». Ограничители напряжения, включенные параллельно всем последовательно соединенным транзисторам первого и второго ключей 30 - 49, предохраняют транзисторы от перенапряжений, возникающих при включении и выключении ключей. Резисторы 23, 29, включенные последовательно с обоими ключами, защищают их от сквозных токов в момент выключения первого и включения второго ключей.
Недостатки данной схемы: короткая длительность прямого тока и невозможность реализации режима «switch-off». Данное изобретение является ближайшим аналогом предлагаемому изобретению, т.е. является прототипом.
Как следует из проведенного анализа, ни в одной из рассмотренных схем, так же, как и в других, известных нам схемах, не могут быть реализованы оба режима управления электрооптическими затворами: «switch-on» и «switch-off». В первом из них в паузе между импульсами, когда затвор закрыт, на нем поддерживается низкий уровень
напряжения (близкий к нулю). Для открывания затвора на нем формируется высоковольтный импульс напряжения (несколько киловольт) с наносекундным фронтом. В режиме «switch-off», напротив, в паузе между импульсами при закрытом затворе на нем поддерживается высокий уровень напряжения (несколько киловольт), а для открывания затвора напряжение на нем за несколько наносекунд сбрасывается практически до нуля. Создание универсального модулятора, способного работать в обоих режимах без изменения схемы, является актуальной задачей. При этом появляется возможность комплектовать одним модулятором оба типа существующих затворов.
Другой актуальной задачей, которая не может быть решена в рамках существующей схемотехники, является возможность компенсации электрическим методом нарушения юстировки затвора в лазере, работающем в режиме модуляции добротности. Нарушение юстировки затвора может иметь место, либо в результате нагрева ячейки Поккельса, либо за счет механических смещений компонентов оптической схемы. Для компенсации нарушения юстировки затвора на него необходимо подать постоянное напряжение смещения, величина которого лежит в пределах одного киловольта.
Третьей задачей, решаемой в предлагаемом модуляторе, является возможность реализации режима, при котором перепад напряжения на затворе в момент открывания оказывается выше амплитуды постоянного запирающего напряжения. Такой режим обеспечивает работу электрооптического затвора с максимальным контрастом.
Наконец, за счет включения второго источника, при работе затвора в режиме «switch-on», затвор может быть постоянно открыт, что используется для юстировки лазера в режиме свободной генерации.
Целью предлагаемого изобретения является создание универсального высоковольтного модулятора, в котором реализуются два режима управления «switch-on» и «switch-off», предусмотрена возможность компенсации разъюстировки лазера за счет подачи на затвор дополнительного напряжения смещения; реализован режим, при котором перепад напряжения на затворе в момент открывания оказывается выше амплитуды постоянного запирающего напряжения за счет подачи на затвор дополнительного напряжения смещения; реализован режим, при котором затвор, работающий в режиме «switch-on», находится постоянно открытым за счет подачи на него постоянного напряжения смещения.
Иными словами - расширение функциональных возможностей существующих модуляторов. Эта цель достигается за счет подключения к схеме модулятора второго высоковольтного управляемого источника. Блок-схема предлагаемого модулятора представлена на фиг.4.
Модулятор содержит высоковольтный источник питания 70, шунтированный конденсатором 71, подключенный положительным зажимом к последовательно соединенным полупроводниковым ключам 72 и 73 с гальванически развязанными схемами управления 74 и 75, генератор синхроимпульсов 76 на включение (on pulse) и выключение (off pulse), подаваемых соответственно в схемы управления 74 и 75, разрядный резистор 77, подключенный параллельно полупроводниковому ключу 73, электрооптический затвор 78, один вывод которого 81 соединен с общей точкой полупроводниковых ключей 72 и 73, а другой 82 - с плюсом управляемого источника 79, шунтированного конденсатором 80. При этом оба источника своими отрицательными зажимами подключены к общей шине.
Рассмотрим работу схемы в режиме «switch-on». В исходном состоянии оба ключа 72 и 73 разомкнуты, напряжение источника 79 выставляется равным нулю. Так как вывод 81 затвора 78 через резистор 77 соединен с общей шиной, то напряжение на затворе в исходном состоянии и в паузе между импульсами равно нулю. При подаче с генератора 76 импульса на включение (on pulse) в схеме управления 74 формируется управляющий импульс напряжения, приводящий к включению полупроводникового ключа 72. На затворе 78 формируется импульс напряжения, амплитуда которого практически равна напряжению высоковольтного источника 70. Через временной интервал, равный установленной длительности импульса, снимается импульс на включение (on pulse) и одновременно подается синхроимпульс на выключение (off pulse). Схема управления 74 выключает полупроводниковый ключ 72, а схема управления 75 включает полупроводниковый ключ 73. Происходит быстрый разряд через ключ 73 емкости затвора до нулевого напряжения и схема возвращается в исходное состояние. В дальнейшем по мере поступления синхроимпульсов, описанный процесс повторяется.
Рассмотрим работу модулятора в режиме «switch-off». В исходном состоянии оба ключа 72 и 73 разомкнуты, напряжение источника 79 устанавливается равным напряжению источника 70. Так как, благодаря резистору 77, на выводе 81 затвора поддерживается нулевой потенциал общей шины, то напряжение на затворе в исходном состоянии схемы равно напряжению источника 79. При подаче с генератора 76 импульса на включение (on pulse) со схемы управления 74 осуществляется включение полупроводникового ключа 72. При этом потенциал вывода 81 затвора 78 скачком увеличивается до напряжения источника 70, а напряжение на затворе соответственно снижается до нуля. Через интервал времени, равный установленной длительности импульса, снимается синхроимпульс на включение (on pulse) и одновременно подается синхроимпульс на выключение (off pulse). Co схемы управления 74 производится выключение полупроводникового
ключа 72, а со схемы управления 75 - одновременное включение полупроводникового ключа 73. Емкость затвора быстро заряжается через ключ 73 до напряжения источника 79 и схема возвращается в исходное состояние. В дальнейшем по мере поступления синхроимпульсов, рассмотренный процесс повторяется.
Для компенсации нарушения юстировки затвора, работающего в режиме модуляции добротности, с источника 79 на вывод 82 затвора подается постоянное напряжение смещения необходимой величины.
Для реализации режима, при котором перепад напряжения на затворе в момент открывания оказывается выше амплитуды постоянного запирающего напряжения, уровень напряжения источника 70 устанавливается выше напряжения источника 79.
Для реализации режима, при котором затвор, работающий в режиме «switch-on», находится постоянно открытым, устанавливается соответствующее значение напряжения источника 79.
Следует отметить, что источник 79 работает на емкостную нагрузку (ячейка Поккельса), поэтому средний выходной ток источника 79 обычно не превышает долей микроампера.
Для снижения напряжения источника 70 полупроводниковые ключи 72, 73 могут быть заменены генератором Маркса (фиг.5), в каждом каскаде которого конденсатор подключен к двум последовательно соединенным ключам со схемой управления, причем ключ, соединенный с минусом конденсатора, шунтирован резистором, а к ключу, соединенному с плюсом конденсатора, анодом подключен диод, катод которого соединен с плюсом конденсатора в следующем каскаде, при этом общая точка ключей в предшествующем каскаде соединена с минусом конденсатора в следующем каскаде, а общая точка ключей в последнем каскаде соединена с первым выводом затвора, второй вывод которого подключен к плюсу второго источника; плюс первого источника соединен с плюсом конденсатора в первом каскаде, а минусы обоих источников подключены к общей шине.