He-Ne激光器电源的设计与制作

XXXXXX学院

激光器件课程设计

班 级：姓 名：学 号：指导教师：设计时间：成 绩：

评 语：

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XXXXXX学院 二〇一三年

一 实验目的

1、熟悉激光器的基本原理； 2、熟悉激光器的基本组成； 3、掌握氦氖激光器工作原理； 4、掌握气体激光器对电源的要求；

5、学会气体激光器电源的设计和制作方法；

6、完成3mW（250mm）氦氖激光器放电电源的制作与调试。

二 实验仪器设备

氦氖激光器、万用表、线路板、电子元器件。

三 设计制作原理

1. 激光器基本原理：实现光的受激辐射放大，产生激光的必不可少的条件

是粒子数反转和增益大于损耗。

2. 激光器基本组成：工作物质 谐振腔 泵浦源

3.氦氖激光器工作原理：

(1) He-Ne激光器的基本组成：放电管、电极和光学谐振腔;

(2) 粒子数反转分布的建立：激发态He-Ne原子间的共振能量转移实现Ne原子激光上能级的激发，选择减小放电管径尺寸实现Ne原子激光下能级的消激发;

(3) 最佳放电条件: 选择使增益达到最大的放电电流、总气压、气体混合比等参量。

4. 气体放电基本原理：气体激光器的激励方式一般采用气体放电。在平常情况下气态物质是绝缘体，当加上电压时，气体中产生的电流很微弱，但当电压升高至一定值时电流会突然增大，同时电极间电压突然减小，气体从绝缘体迅速变成导体，这叫做气体的击穿或“着火”。按照气体导电的伏安特性来区分，击穿后气体导电还可分为正常辉光放电和反常辉光放电。氦氖激光器工作在正常辉光放电区域。由于放电管击穿后变成导体，此时放电管电压比击穿时低很多，所以整个放电电路的电压就会有相当大的一部分落到限流电阻上。击穿气体导电性质的突变，是由于此时气体中产生许多正离子和自由电子，在外电场的作用下，分别向阴、阳极运动，造成放电电流很大。

放电电流对于激光器的输出功率有直接影响，即有一个最佳放电电流。击穿后处于正常工作的氦氖激光器，其放电属于正常辉光放电。整个放电过程由伏安特性曲线描述。

5. 氦氖激光器对电源系统的要求：氦氖激光器常采用直流高压辉光放电激励，此类放电的特征是：

①传导电流的范围为106~101,管压降为几百伏到几千伏，工作在小电流高电压的正常辉光放电区域；

②有较高的阴极位降和较强的阴极溅射；

③激光管的伏安特性呈负阻性。为此，在设计电源系统时，必须选择合理的外特性，使激光管处于稳定工作状态。

6. 设计的具体要求如下：

（1）激光管能进入正常辉光放电状态，其空载端电压必须达到击穿电压。对管长250~450毫米的氦氖管，击穿电压在4000~6000伏特。

（2）击穿后，电源应能保证供给激光管正常工作电压和工作电流。在正常辉光放电区，其伏安特性呈负阻特性，因此必须采取一定的限流措施。 （3）氦氖激光器的输出功率强烈的依赖于放电管的电流强度。在一定范围内，与电流平方成正比。

（4）为使激光电源有较大的使用范围，其电压、电流应有一定的调节范围。调节范围的下限为维持放电电流，对氦氖激光器，最小维持电流为3~5mA；上限为略大于最佳工作电流。

7. 氦氖激光器电源系统的设计

氦氖激光器电源电路有多重形式，例如倍压整流式、直流交流交换升压式等。本次试验以250mm氦氖激光管氦氖激光器倍压式电源为例，说明此类电路的设计思路。

(1) 考虑到250mm氦氖激光管的击穿电压在5000~6000V之间，对220V交流电压需要26倍升压.

(2) 保证击穿后能正常工作, 工作电压在1000~1500V之间, 工作电流在5~10mA之间, 必须选取适当的限流电阻.

三 设计制作内容步骤 1.设计电路原理图

该倍压整流电路的优点是每个电容上的电压不会超过输入电压U的两倍，即

440V，所以可以选用耐压较低的电容。缺点是电容是串联放电，纹波大。 2.元器件的选取

二极管 1N4007型 26只 电容器 223（0.022μF）/630V 16只 电解电容 CDIIZ(10UF)/400V 18只 电阻 1MΩ 9只 限流电阻 44KΩ 10W碳膜电阻 4只 3.氦氖激光器电源系统的制作（电路板焊接）

（1）熟悉、检查元件是否完好，进行二极管断通试验

（2）表面处理：元件管教是焊盘氧化层的处理，以防止虚焊 （3）挂锡

（4）焊接元器件

（5）送交指导老师检查

（6）经验收调试: 焊接电源接线, 连接氦氖激光管工作电路

（7）经检查合格后，在指导老师监护下接通电源；进行最佳放电电流测试

三 仿真分析

用仿真软件画出电路图，测得输出波形如下：

由图可知，输出电压约为4.7KV，220V经26倍整流后，输出电压应为5.72KV，由于限流电阻的分压，使得最后输出电压为4.7KV。

四 实验结果

把焊好的电源加在氦氖激光管两端时，氦氖激光管发出正常的红色激光。测得工作电流约为9.52mA，工作电压在2000V~3000V之间。给氦氖激光管的两端并联上一电阻时，加上高压后，氦氖激光管不能发光。去掉并联的电阻，加上

高压，氦氖激光管正常发光，然后再加上并联电阻，氦氖激光管正常发光。此现象说明氦氖激光管工作需要高的击穿电压，加入并联电阻后分压使氦氖管两端达不到击穿电压；当正常发光后，氦氖激光管的工作电压会比击穿电压低很多很多，所以再并联上电阻时，氦氖管仍能依靠较低的电压正常工作。这就是氦氖激光管工作需要高压电源(击穿)的原因。另外实验结束后需要对电容进行放电处理，说明电容充放电时间较长。

五 实习心得

通过本次对3mW（250mm）氦氖激光器放电电源的制作与调试实验，再次熟悉了激光器的基本组成和工作原理，掌握了气体激光器对电源的要求,学会了气体激光器电源的设计与制作，再次练习了电路板的焊接技术，巩固了对仿真软件的使用。这次的氦氖激光器电源的设计与制作，综合运用《激光原理》、《激光器件》、《电路电子技术》及焊接的相关的知识和技能，并在老师的指导下，自己设计制作了一个氦氖激光器电源，而且调试通过能正常工作发出激光，这加深了我们对激光技术的理解和理论知识的巩固，也深化了我们对大学两年所学光学，电子学等专业课的理解，也为毕业后的工作技能打下基础。

通过这次实习我认识到了理论学习与实际动手实践相结合的重要性。在课本上学习到的知识，只有在实际应用后才能正真理解与应用，理论学习学习到的只是理论，只有将自己所学的理论动手实践做出产品才能更好的为人类提高生活水平提供物质基础，才能为社会作出贡献和服务。通过这次实习，我发现自己的动手能力还有欠缺，需要在以后的学习中切实注重提高自己的动手能力，全面拓展自己的知识面，学会能独立提出问题，解决问题和分析问题，科学是一个不断发现问题和解决问题的过程，所以，在以后的过程中，我将会更加注重这方面的思考力和行动力。我们将要毕业进入社会工作，在社会上我们需要的用自己学习到的知识来解决在生活工作中的实际问题，仅仅知道理论是完全不够的，所以我们需要多加强自己的动手能力，学会合理，灵活运用自己学习到的知识。当然，我们也要加强理论学习，只有自己脑袋里有知识，才能在需要的时候有所用，才能谈及应用。

“机会总是垂青有积极准备的人”，接下来我们面临着找工作和做毕业设计的任务，我们应该利用可以利用的一切资源，提高自己的知识技能，扩展自己的知识面，丰富自己的头脑，努力学习各种软件设计，硬件设计制作的技能，为下阶段的任务打好基础，这也是对我们大学学习的一个检验。通过这次实习，让我受益颇多，我认识到了自己的缺点和不足，这样可以在以后的生活学习中努力加以改进，并为以后成功的人生道路奠定基础。