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高功率激光装置中整形电脉冲系统设计

刘辉  
【摘要】:惯性约束聚变是实现受控核聚变的一种途径。它是利用高功率的激光脉冲均匀照射微球靶丸,由靶面物质的消融喷离而产生的反冲力,使靶内氘氚燃料快速聚至高密度和热核温度,从而点燃高效率释放聚变能的微型热核爆炸过程。惯性约束聚变的实现要求激光脉冲辐照靶而产生的消融压力能够按照一定规律有步骤的增加,这就对打靶激光脉冲的时域形状提出了要求。 本文基于GaAs场效应管电压控制电流和开关的特性,设计了一种任意电脉冲发生器,并成功应用于高功率激光装置中。该电脉冲发生器利用超宽带窄脉冲触发多个GaAs场效应管,产生多路负脉冲,通过模拟延时线依次将各路负脉冲延迟一定时间后经微带线耦合输出,输出即为多路负脉冲叠加的波形。脉冲幅度由GaAs栅极偏压决定,而且通过多路不同幅度的脉冲堆积效应可以获得形状任意可调的整形电脉冲。在单脉冲触发电路中采用渐变微带线技术,补偿了脉冲的传输损耗,使得脉冲在传输中幅度基本保持一致。 对于整形电脉冲的形状控制,设计了电控系统。由LabVIEW开发的界面,通过串口与下位机——LPC2136通讯。上位机给出33路需要输出的电压数值,通过RS232由LPC2136接收后,控制DA的电压输出,从而得到33路模拟电压,用来控制各路GaAs的通断,得到不同形状的宽度为10ns的整形波形。LPC2136中移植μCOS-Ⅱ的内核,对串口通讯、DA输出等任务做相应的调度和资源分配。对于33路的模拟电压输出,只用了一个DA芯片,采取扫描输出后电压保持的方式,既降低了设计成本,又提高了资源的利用效率。 最终的测试结果表明,任意电脉冲发生器可以产生电脉冲幅度0-5V可调、脉宽0-10ns可调、时域调节精度为330ps、重复频率低于100kHz,整形后的方波脉冲下降沿428ps、上升沿471ps,电脉冲触发晃动峰峰值约28ps, RMS值约4.38ps,保证了激光脉冲的输出稳定度。将产生的电脉冲注入到半导体激光器中,获得了理想形状的整形激光脉冲,整形的激光脉冲可应用于高功率固体激光器前端整形系统,取得满意效果。


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