该二极管型号为RHRP32120，反向耐压值为1200V，正向导通电流为30A，当出现过冲和振荡时，能迅速地导通而使电荷中和，从而起到抑制的作用。触发电路用于产生一个控制开关电路通断的触发脉冲，由于本文采用高压功率场效应管作为开关器件，因此为了获得很短的放电时间，要求触发脉冲前沿陡峭且驱动电流大;同时还要求所输出的高压负脉冲的零电平宽度大范围可调，因此触发脉冲的脉宽也需要可调。从电路功能上讲，触发电路主要对低压延时信号进行放大和整形，主要器件为两个互补的晶体三级管。首先由低压延时信号驱动NPN管(BC337)瞬间导通，此时PNP管(BC327)的发射极和基极间产生电压差后也随之导通，电容C0上的电荷迅速加载到PNP管的集电极上输出，从而得到一个上升沿在4ns内、峰值电压为18V的触发脉冲。当滑动变阻器R3值不为零时，触发脉冲的电量仅来自电容C0，因而其脉宽最短，此时得到的高压负脉冲的零电平宽度也最短;当R3值为零时，PNP管的发射极直接连在稳压电源+18V上，若NPN管和PNP管继续处于导通状态，触发脉冲的电平也还会维持在高电平，直到NPN管和PNP管恢复到闭合状态为止，因此通过调节低压延时信号的脉宽即可控制触发脉冲高电平的持续时间，继而控制输出高压负脉冲的零电平宽度。这里电阻R5的选择至关重要，若其取值太大，在NPN管导通时，它将会制约PNP管的导通速度，从而减缓所得触发脉冲的上升沿;若其取值太小，在NPN管和PNP管都导通时，易因电流过大而损坏三极管，因此该电阻值需折中考虑。经试验，取R5值约为50Ω为宜，同时选用散热较好的金属膜电阻。低压延时电路低压延时电路用于产生两路延时精密且可调的低压脉冲，同时所得脉冲的前沿要陡峭，宽度也需可调。由于该部分电路采用干电池供电，因此为节省电量以延长供电时间，电子器件类型选择的主要是功耗较低的CMOS类型。首先由LM7555及其外围电路来产生一个频率1～10kHz范围可调的矩形脉冲，然后通过反相器将其分为两路，最后分别对两路脉冲信号进行延时和脉宽调整。延时和脉宽调整的器件采用的都是双高精度单稳多谐振荡器CD74HCT4538，包括两个独立的单稳多谐振荡器，其延时时间τ≈RxCx，实验中Cx采用1pF电容，Rx选用100kΩ滑动变阻器，最大延时约100ns，这里相对时间抖动主要来源于电阻阻值的变化，但由于电容值极小，因此由该器件引起的时间抖动很小(ΔRx=200Ω，Δτ≈0．2ns)。过渡电路过渡电路的功能就是将低压延时信号无失真地传输到高压脉冲产生电路，它包括整形和光电耦合转换两部分，由于低压延时电路与高压脉冲产生电路分布在不同的印制电路板上，两者之间采用导线来连接，这样当低压延时信号从一块电路板传输到另一块电路板时，可能会因外界干扰而产生变形，因此在进行光电耦合转换之前，需要先对其进行整形。这里采用的器件是超高速高精度比较器MXL1016，它具有非常快的响应速度(约10ns)，能很好地保持原脉冲的前沿。光电耦合转换部分采用的器件是高速光电耦合器HCPL－2061，具有很短的上升沿响应时间(24ns)，因此引入的时间抖动很小。总之，由于过渡电路中采用的都是高速器件，因此受该电路所用器件响应速度影响导致的时间抖动非常小。
电路性能测试
高电平最大值可达1200V。可看到，输出高压负脉冲的下降沿约为9ns，开关电路具有很快的放电速度，这也意味着在对连续光进行光学斩波时可得到前后沿非常陡峭的激光脉冲;从图7(a)和图7(b)的高压负脉冲波形测量图可知，其零电平宽度可在200ns～15μs范围可调，即高压负脉冲具有很大的零电平调节范围;两路高压负脉冲之间可实现正负的延时，图8(a)和图8(b)分别表示第一路高压负脉冲比第二路超前1．7ns和落后1ns。高压快脉冲源输出的两路高压负脉冲的相对时间抖动主要来源于低压延时电路中延时器件的延时抖动、过渡电路中受器件响应速度影响导致的时间抖动和开关器件自身导通时的时间波动等。如图9所示，以第一路高压负脉冲下降沿为触发沿时，测得的第二路高压负脉冲下降沿多次叠加的波形，经测量，该波形宽度小于1ns，这表明两路高压负脉冲之间具有良好的延时稳定性，从而由两级串联式电光开关光学斩波得到的激光脉冲的宽度将具有良好的稳定性。
光学斩波实验
采用两块LiNbO3作为电光晶体分别并联在两个开关电路的开关器件两端，组成两级串联式电光开关对连续激光进行腔外光学斩波实验，其原理图如图10所示。其中LiNbO3晶体采用横向加压方式，尺寸为3cm×3cm×20cm，对于1064nm激光，其半波电压Vλ/2约为1060V。实验装置中还包括三个偏振片，其中偏振片1作为起偏器将连续光转化成线偏振光(若连续光本身即为线偏振光，此器件可省略);偏振片2为第一级检偏器，与偏振片1偏振方向平行，当第一级电光开关处于半波电压状态时，连续光不通过偏振片2，当一个快下降沿到来时，输出一个快上升沿的光脉冲;偏振片3作为第二级检偏器，与偏振片1、2偏振方向垂直，当第二级电光开关处于半波电压状态时，激光通过偏振片3，在一个快下降沿过后，前一级输出的光脉冲将获得一个快的下降沿，从而实现双快沿激光脉冲的输出。通过上述光学斩波实验，获得了重复频率为1～10kHz、上升沿和下降沿均在10ns左右的激光脉冲输出，其脉宽在10～100ns之间连续可调。如图11所示为激光脉冲在重复频率为10kHz时的波形图;图12(a)和图12(a)(b)分别为脉宽在约10ns和100ns时的激光脉冲波形输出图。另外通过加高精度延时线或延时芯片，还能实现脉宽在100ns～10μs超大范围的激光脉冲输出。
总结
本文通过采用大电流高压快速开关二极管RHRP32120与开关器件并联和高速光电隔离器HCPL－2061将高压脉冲与低压延时信号隔离等措施研制了一种可双路输出、相对延时精度高、单路高压负脉冲重复频率和零电平宽度分别在1～10kHz和200ns～15μs范围内可调且低过冲和振荡电压的新型高压快脉冲源。该脉冲源设计简单，调试方便，所需元器件少，且体积小、成本低、稳定性好，具有良好的实用化前景。另外将采用LiNbO3作为电光晶体制做而成的两级串联式电光开关应用于连续激光的腔外光学斩波，得到了重复频率和脉宽分别在1～10kHz和10～100ns范围内可调的双快沿激光脉冲输出。
作者：杨清 霍玉晶 何淑芳 单位：清华大学电子工程系
