前言

遠(yuǎn)紅外HCN氰化氫(DCN氰化氘)激光屬于氣體分子激光器，具有光學(xué)均勻性好、單色性好、光束穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。常應(yīng)用于磁約束核聚變——托卡馬克裝置中等離子體電子密度的測(cè)量。本文主要介紹氰化氫激光器的負(fù)載特性，以及海伏科技生產(chǎn)的高頻氰化氫激光器電源相對(duì)傳統(tǒng)的氰化氫激光器電源及高壓電源有哪些優(yōu)勢(shì)。

更新歷史

2018年8月21日 - 初稿

作者：海伏科技——小濤（轉(zhuǎn)載注明出處）
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HCN激光器的結(jié)構(gòu)組成

圖1：HCN氰化氫激光器工作照片

直流電激勵(lì)連續(xù)被氰化氫激光器由以下幾部分組成：

1. 放電管：材料為玻璃，長(zhǎng)3.5米左右，放電長(zhǎng)度3米左右，放電管內(nèi)有油冷卻夾套，工作時(shí)對(duì)放電管進(jìn)行冷卻；
2. 電極：輝光放電電極由低濺射率的稀有金屬制成，分陰極、陽極兩個(gè)部分，其中陰極發(fā)熱較大需要安裝冷卻水（油）循環(huán)；
3. 電源：高壓恒流電源，功率一般在20kW以內(nèi)，電流0.5-2A范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，輸出電壓在2.5kV-7kV內(nèi)變化；
4. 諧振腔：在這里諧振產(chǎn)生激光，一端安裝平面反射鏡、另一端由金屬鎳網(wǎng)作耦合輸出；
5. 真空系統(tǒng)：一般由旋片式真空泵和緩沖瓶構(gòu)成，極限真空度要求在5Pa左右；
6. 恒溫控制系統(tǒng)：恒溫器控制放電管中的油溫；

HCN 激光器工作原理

諧振器內(nèi)有稀薄的\( N_2 \)、\( CH_4 \) 等氣體，在輝光放電時(shí)其化學(xué)反應(yīng)式如下：

\( N_2+2CH_4=2HCN+3H_2 \)

上述反應(yīng)發(fā)生生產(chǎn)HCN分子的電子處于較高的能級(jí)，不是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，將會(huì)向低能級(jí)躍遷。躍遷的同時(shí)會(huì)釋放出光子，釋放出的光子在諧振腔中不斷被積累就得到了我們所需要的激光。

工頻氰化氫激光器電源

早期的DCN激光器電源采用工頻升壓 + 真空四級(jí)管限流的方案。市電的輸入AC380V經(jīng)過工頻變壓器升壓——整流——濾波得到一個(gè)高壓直流電壓源，再經(jīng)過真空四級(jí)管限流將電壓源轉(zhuǎn)換為電流源。工頻電源的缺點(diǎn)如下：

• 體積大：由于升壓變壓器次級(jí)需要有較多的匝數(shù)與絕緣距離，而頻率很低又需要很大的鐵芯截面積，直接導(dǎo)致升壓變壓器體積和質(zhì)量都非常大。

• 真空四級(jí)管發(fā)熱量大：由于真空四級(jí)管屬于線性降壓器件，電壓降低的部分全部轉(zhuǎn)換為熱量，所以電源的整體效率非常低，真空四級(jí)管的發(fā)熱量達(dá)數(shù)kW量級(jí)。

• 不方便進(jìn)行遠(yuǎn)程控制：電壓的粗調(diào)靠轉(zhuǎn)動(dòng)升壓變壓器的碳刷改變變壓器匝數(shù)，如果想遠(yuǎn)程控制需要增加電機(jī)等操作機(jī)構(gòu)，而且響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)不利于進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

普通高壓電源直接驅(qū)動(dòng)氰化氫激光器存在的問題

問：普通的高頻直流高壓電源也有恒壓和恒流兩種工作模式，是否可以直接使用普通的高壓直流電源來驅(qū)動(dòng)氰化氫激光器呢？

答：要回答這個(gè)問題首先要了解普通的高壓直流電源的工作原理，和常見的開關(guān)電源類似，高壓直流電源是將電網(wǎng)的電壓通過濾波整流為直流電壓，再經(jīng)過開關(guān)管轉(zhuǎn)為高頻交流電壓，經(jīng)過升壓變壓器之后變成了高壓交流電源，之后通過整流濾波將電能存儲(chǔ)在高壓電容中，變成高壓直流電源。也就是說最終能量是存儲(chǔ)在電容中的，不知道大家是否還記得中學(xué)物理中學(xué)過的電容的特性是兩端電壓不能突變，所以說靠電容儲(chǔ)能的高壓電源本質(zhì)上都屬于恒壓源。

問：那么普通高壓電源是如何實(shí)現(xiàn)恒流輸出的呢？

答：高頻開關(guān)電源由于功率的控制非常方便，只需要控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間（占空比）就能控制輸出的能量，當(dāng)設(shè)定某一個(gè)工作電流時(shí)，電源檢測(cè)輸出電流，再通過PID等控制算法來改變電源的輸出能量，將輸出電流穩(wěn)定在設(shè)定值附近來達(dá)到恒流輸出的目的。

問：這樣有什么問題嗎？

答：如果負(fù)載非常穩(wěn)定，呈阻性、容性、感性、或者是共同擁有這三種性質(zhì)那么都沒問題。問題就在于氰化氫激光器負(fù)載是一個(gè)不穩(wěn)定的負(fù)載，簡(jiǎn)單說它呈現(xiàn)的是一個(gè)對(duì)電壓極度敏感的負(fù)阻性負(fù)載并帶有固有頻率阻性跳動(dòng)，如果用上述的高壓電源驅(qū)動(dòng)就會(huì)出現(xiàn)PID震蕩、激光器亮度跳變、熄滅、甚至損壞高壓電源的情況。

海伏科技生產(chǎn)的氰化氫激光器電源

海伏科技生產(chǎn)的氰化氫激光器電源在原有高頻高壓電源優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，通過一系列的改進(jìn)，使之匹配氰化氫激光器負(fù)載。并且保留高頻高壓開關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)，體積小，重量輕，內(nèi)部具有數(shù)字控制芯片，可與上位機(jī)進(jìn)行通信，方便的進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)記錄采集。

總結(jié)

海伏科技生產(chǎn)的氰化氫激光器電源可以匹配HCN（DCN）激光器負(fù)載，并且有成熟的應(yīng)用案例。