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摘?要 设计了小型氮分子激光器的电源，电路体积小、功率大、发热小、寿命长、容易制作，具有耐冲击、高效率的优点。氮分子激光器的供电电路由变压器、零电压开关驱动和高压包三部分组成。在核心的零电压开关上，我们设计的电路
可以产生高压拉弧效果，能给激光器提供高达约1.5万伏的高压，将氮分氮分子激发到高能级，从而激励出激光。
关键词 氮分子激光器；零电压开关；高压包；高压拉弧
中图分类号 TN248 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）112-0180-02
氮分子激光器??是具有输出峰值功率高，输出激光波长处于紫外波段（337.1nm）等特点，它是一种重要的近紫外相干光源。它的应用也十分广泛，可以作为有机染料激光器的泵浦光源；分离同位素、荧光诊断、超高速摄影、污染检测以及医疗卫生、农业育种等方面。
氮分子激光器需要高达万伏级的电源实现激励出光。关于氮分子激光器电源制作这方面的文献很少。我们设计制作了氮分子激光器的供电电路，运用了变压器中的电压变换、软开关中的零电压开关、行输出变压器提高阳极电压，电源整体轻便小巧，能输出12 kV的高压。当大气压下的氮气流过激光腔，脉冲形成线外侧冲压的火化室内自触发火花隙放电时，激光器有稳定输出。本文主要介绍通过调整火花隙的距离和激光器输出能量，使得氮分子激光器处于最佳的放电电压。
1 氮分子激光器的工作原理
氮分子激光器的原理如图1所示：铝板和铝箔以环氧树脂板为电介质形成两个电容器，电源接通后，由于电感对直流为通路，电源同时对储能电容器和脉冲传输线充电，上面两块铝箔板均为高电位，下面铝箔为零电位，这时激光腔内两电极具有相同电位，不会产生气体放电。当达到一定高压时，火花隙击穿，该点电位突然降到零，与下面铝箔的零电位相等。零电位迅速向左传播，使激光腔内接脉冲传输线的电极也降到零电位。因为电感对瞬时电流为断路，而接储能电容器的电极仍处于高电位，此时两电极间形成的高电位差使气体放电，激励氮分子产生激光。经很短时间的放电后，两电极间的电压降到了击穿电压以下，放电停止，完成一个激光脉冲。
2 激光器高压电源的电路结构
图1 氮分子激光器的结构
氮分子激光器的电源主要分为三个部分（图2）：变压器、高压包和零电压开关驱动电路。变压器将220 V交流电源转成零电压开关驱动电路所需的12 V～36 V电压。变压器输出的电压通过两块IRFP250N驱动芯片双驱动来驱动高压包，从而使高压包两个输出端口产生12 KV～16 KV的高压，以此来击穿火花隙，产生一个激光脉冲。上下铝箔板的电压差的要求是万伏级的，制作起来有一定的难度。
3 变压器、高压包和零电压开关驱动电路
变压器利用电磁感应原理改变交流电压的装置，主要由初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）构成。我们的电路中利用了变压器的电压变化及稳压功能，将220 V电压变化成12 V～36 V电压。高压包是行输出变压器的俗称，功能是输出高压直流电。其原理是提高阳极电压，使电子束以更快的速度轰击出。高压包主要运用于电视机中，在电视机用来加速电子式屏幕达到足够亮度，也用在电脑液晶显示屏中，使屏幕达到足够亮度。我们设计的电路利用高压包给氮分子激光器供电。零电压开关电源[2]以硬开关模式工作，即开关过程中电压下降/上升和电流上升/下降波形有交叠，因而开关损耗大。高频化虽然可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了。为此，必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关（Zero Voltage Switch，简称ZVS）/零电流开关（ZCS）技术，或称软开关技术。零电压开关驱动电路如图3
所示。
图3 零电压开关驱动电路
4 火花隙的距离与放电电压的关系
断开电源之后，改变火花隙的放电距离L1，这样就能方便地控制火花隙的放电电压U（前提是控制气压不变，因为控制气压也能改变放电电压）。图4为火花隙在标准大气压（1.013×105Pa）下，火花隙放电电压与放电距离的实验值，如A点火花隙的距离L1=1.0 mm时，电源电压超过了6.5 kV，两铝电极会自动击穿氮气放电。
图4 放电电压与放电距离的关系
5 激光器输出能量与放电电压的关系
图5 激光器输出能量与放电电压的关系
激光腔放电电极的距离L2在0.8 mm～3.4 mm之间变化时，激光器都有激光输出。对不同的距离，激光器输出能量与放电电压的实验关系曲线如图5所示，其中U为放电电压，E为单脉冲能量的相对值。在放电电极距离L2较小时，放电电压最低可为4 kV，但是激光输出很弱，而且激光腔中放电不稳定。随着放电电极距离L2的增大，激光器的能量明显增加，且能量输出均匀稳定。放电电极对应一段距离，激光器的输出随放电电压的升高而增加，并且有一个最大值，此时放电电压再升高，输出能量也不再增加。当放电电极的距离超过3.6mm以上时，会有弧光放电。
6 总结
经过多次实验测试，氮分子激光器的电极间距最佳值是：火花隙的放电距离L1为3.5 mm，放电电极L2为3.2 mm，放电电压为14.4 kV。
我们设计的小型氮分子激光器的供电电路采用了驱动电视机高压包与零电压开关电路，电路体积小、功率大、发热小、寿命长、耐冲击、效率高。在24 V供电的情况下，可以200 W-300 W的功率连续长时间运行。在不连接激光腔时可以观察到高压电弧。此外，该电路设计可以运用于特斯拉线圈、马克思发生器、雅各布天梯，对电学的高压设计有一定的参考价值。
致谢
本研究受大学生创新活动计划项目（编号cx1121009）、上海市教委学科建设专项（编号A-3500-11-10）的资助。在实验制作过程中，上海工程技术大学电子电气工程学院熊洁老师给予了大力支持和帮助，在此深表感谢。
参考文献
[1]复旦大学光学系.氮分子激光器[J].中国激光，1976，3（4）：29-33.
[2]阮新波，严仰光.直流开关电源的软开关技术[M].北京：科学出版社，2000：87.
[3]蔡凤鑫，李方正，刘凤臣.氮分子激光器研究[J].河南师大学报，1980，1：123.
[4]赵玲玲.光学.上海：上海科学技术文献出版社，1986：608.
[5]顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京：机械工业出版社，2007：59.
[6]张育川，解燕.电容倒空式氮分子激光器[J].激光.1982.9（1）：28.
[7]郑用武，陈绍辉.陶瓷储能小型氮分子激光器的研究[J].1982，9（6）：38.
[8]郑用武，陈绍辉.封闭式氮分子激光器[J].中国激光，1984，11（11）：667.
[9]蔡伯荣，王瑞丰，程泽东等.激光器件[M].长沙：湖南科学技术出版社，1984：125.
作者简介
张均一，上海工程技术大学电子电气工程学院10级自动化2班学生，研究方向：激光、高压。
可以产生高压拉弧效果，能给激光器提供高达约1.5万伏的高压，将氮分氮分子激发到高能级，从而激励出激光。
关键词 氮分子激光器；零电压开关；高压包；高压拉弧
中图分类号 TN248 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）112-0180-02
氮分子激光器??是具有输出峰值功率高，输出激光波长处于紫外波段（337.1nm）等特点，它是一种重要的近紫外相干光源。它的应用也十分广泛，可以作为有机染料激光器的泵浦光源；分离同位素、荧光诊断、超高速摄影、污染检测以及医疗卫生、农业育种等方面。
氮分子激光器需要高达万伏级的电源实现激励出光。关于氮分子激光器电源制作这方面的文献很少。我们设计制作了氮分子激光器的供电电路，运用了变压器中的电压变换、软开关中的零电压开关、行输出变压器提高阳极电压，电源整体轻便小巧，能输出12 kV的高压。当大气压下的氮气流过激光腔，脉冲形成线外侧冲压的火化室内自触发火花隙放电时，激光器有稳定输出。本文主要介绍通过调整火花隙的距离和激光器输出能量，使得氮分子激光器处于最佳的放电电压。
1 氮分子激光器的工作原理
氮分子激光器的原理如图1所示：铝板和铝箔以环氧树脂板为电介质形成两个电容器，电源接通后，由于电感对直流为通路，电源同时对储能电容器和脉冲传输线充电，上面两块铝箔板均为高电位，下面铝箔为零电位，这时激光腔内两电极具有相同电位，不会产生气体放电。当达到一定高压时，火花隙击穿，该点电位突然降到零，与下面铝箔的零电位相等。零电位迅速向左传播，使激光腔内接脉冲传输线的电极也降到零电位。因为电感对瞬时电流为断路，而接储能电容器的电极仍处于高电位，此时两电极间形成的高电位差使气体放电，激励氮分子产生激光。经很短时间的放电后，两电极间的电压降到了击穿电压以下，放电停止，完成一个激光脉冲。
2 激光器高压电源的电路结构
图1 氮分子激光器的结构
氮分子激光器的电源主要分为三个部分（图2）：变压器、高压包和零电压开关驱动电路。变压器将220 V交流电源转成零电压开关驱动电路所需的12 V～36 V电压。变压器输出的电压通过两块IRFP250N驱动芯片双驱动来驱动高压包，从而使高压包两个输出端口产生12 KV～16 KV的高压，以此来击穿火花隙，产生一个激光脉冲。上下铝箔板的电压差的要求是万伏级的，制作起来有一定的难度。
3 变压器、高压包和零电压开关驱动电路
变压器利用电磁感应原理改变交流电压的装置，主要由初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）构成。我们的电路中利用了变压器的电压变化及稳压功能，将220 V电压变化成12 V～36 V电压。高压包是行输出变压器的俗称，功能是输出高压直流电。其原理是提高阳极电压，使电子束以更快的速度轰击出。高压包主要运用于电视机中，在电视机用来加速电子式屏幕达到足够亮度，也用在电脑液晶显示屏中，使屏幕达到足够亮度。我们设计的电路利用高压包给氮分子激光器供电。零电压开关电源[2]以硬开关模式工作，即开关过程中电压下降/上升和电流上升/下降波形有交叠，因而开关损耗大。高频化虽然可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了。为此，必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关（Zero Voltage Switch，简称ZVS）/零电流开关（ZCS）技术，或称软开关技术。零电压开关驱动电路如图3
所示。
图3 零电压开关驱动电路
4 火花隙的距离与放电电压的关系
断开电源之后，改变火花隙的放电距离L1，这样就能方便地控制火花隙的放电电压U（前提是控制气压不变，因为控制气压也能改变放电电压）。图4为火花隙在标准大气压（1.013×105Pa）下，火花隙放电电压与放电距离的实验值，如A点火花隙的距离L1=1.0 mm时，电源电压超过了6.5 kV，两铝电极会自动击穿氮气放电。
图4 放电电压与放电距离的关系
5 激光器输出能量与放电电压的关系
图5 激光器输出能量与放电电压的关系
激光腔放电电极的距离L2在0.8 mm～3.4 mm之间变化时，激光器都有激光输出。对不同的距离，激光器输出能量与放电电压的实验关系曲线如图5所示，其中U为放电电压，E为单脉冲能量的相对值。在放电电极距离L2较小时，放电电压最低可为4 kV，但是激光输出很弱，而且激光腔中放电不稳定。随着放电电极距离L2的增大，激光器的能量明显增加，且能量输出均匀稳定。放电电极对应一段距离，激光器的输出随放电电压的升高而增加，并且有一个最大值，此时放电电压再升高，输出能量也不再增加。当放电电极的距离超过3.6mm以上时，会有弧光放电。
6 总结
经过多次实验测试，氮分子激光器的电极间距最佳值是：火花隙的放电距离L1为3.5 mm，放电电极L2为3.2 mm，放电电压为14.4 kV。
我们设计的小型氮分子激光器的供电电路采用了驱动电视机高压包与零电压开关电路，电路体积小、功率大、发热小、寿命长、耐冲击、效率高。在24 V供电的情况下，可以200 W-300 W的功率连续长时间运行。在不连接激光腔时可以观察到高压电弧。此外，该电路设计可以运用于特斯拉线圈、马克思发生器、雅各布天梯，对电学的高压设计有一定的参考价值。
致谢
本研究受大学生创新活动计划项目（编号cx1121009）、上海市教委学科建设专项（编号A-3500-11-10）的资助。在实验制作过程中，上海工程技术大学电子电气工程学院熊洁老师给予了大力支持和帮助，在此深表感谢。
参考文献
[1]复旦大学光学系.氮分子激光器[J].中国激光，1976，3（4）：29-33.
[2]阮新波，严仰光.直流开关电源的软开关技术[M].北京：科学出版社，2000：87.
[3]蔡凤鑫，李方正，刘凤臣.氮分子激光器研究[J].河南师大学报，1980，1：123.
[4]赵玲玲.光学.上海：上海科学技术文献出版社，1986：608.
[5]顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京：机械工业出版社，2007：59.
[6]张育川，解燕.电容倒空式氮分子激光器[J].激光.1982.9（1）：28.
[7]郑用武，陈绍辉.陶瓷储能小型氮分子激光器的研究[J].1982，9（6）：38.
[8]郑用武，陈绍辉.封闭式氮分子激光器[J].中国激光，1984，11（11）：667.
[9]蔡伯荣，王瑞丰，程泽东等.激光器件[M].长沙：湖南科学技术出版社，1984：125.
作者简介
张均一，上海工程技术大学电子电气工程学院10级自动化2班学生，研究方向：激光、高压。