本发明专利技术提供了一种可输出超低重复频率高电压矩形波脉冲的电源，可满足各种厚度非线性晶体材料极化的需要。由步进电机带动旋转的飞盘式机械火花开关构成斩波器，将直流高压电源的输出电压变换为超低频的高电压矩形波脉冲。本发明专利技术的高压脉冲电源的输出特性为：（１）输出脉冲幅度：２－１００ｋＶ可调（２）输出脉冲重复频率范围０．５－１００Ｈｚ（３）输出脉冲宽度范围０．５ｍｓ－１．９ｓ（４）输出脉冲电流大于３００微安（５）输出脉冲平顶下降小于２％。采用本发明专利技术的超低频矩形波高压脉冲电源，可以进行非线性晶体周期性极化反转的最佳实验参量测定及具有铁电畴周期性反转结构晶片的批量生产实验。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种可输出超低重复频率高电压矩形波脉冲的电源，可满足各种厚度非线性晶体材料极化的需要。
技术介绍
现代光学技术的发展，对激光提出了更新更高的要求。拓宽激光输出波长范围，最常用、最有效的方法之一，就是利用非线性晶体的频率变换技术。由于非线性晶体材料在进行频率转换时，必须满足相位匹配这一条件的要求，目前人们通常利用各向异性晶体双折射特性的二次折射相位匹配PMPhase Matching技术和人为地在非线性晶体上制备出周期结构的准相位匹配QPMQuasi-phase-matching技术来实现高效频率转换。由于准相位匹配技术有其独特的技术优势，解决了常规PM难以解决的问题，拓宽了非线性晶体的应用范围，极大地提高了频率转换效率，已成为非线性光学材料和固体激光器等诸多领域的研究热点之一。采用体材料准相位匹配非线性过程的铁电畴周期性极化反转结构可以补偿光波间的相位失配。外加电场极化法是实现铁电体的铁电畴周期性极化反转的一种方法。外加电场极化法是利用半导体工艺中成熟的光刻工艺，在单畴化的非线性晶体上制作一定周期的电极，然后在晶体的正负畴面施加高压电场，就可以获得周期反转畴结构。此方法有反转层深、工艺简单和成本低廉等优点，是目前研究使用比较多的一种方法。应用外加电场极化法已在厚为0.25mm的Z切LiNbO3、LiTaO3和KTiOPO4晶体样品上制备出了铁电畴周期性反转结构。对于用外加电场极化法来说，高压电源的性能对获得理想的周期性畴结构非常重要，并且输出波形丰富的高压电源对研究非线性晶体电致极化的机理是必不可少的。需要一种脉冲宽度、重复频率、脉冲幅度均可调的矩形脉冲电源，其主要技术指标为1脉冲幅度2-100kV 2频率范围0.5-100Hz 3脉冲宽度0.2％-50％T周期 4脉冲电流大于300微安 5平顶下降小于2％在外加电场极化法的原有技术中，电源电路全部由电子器件实现，高压矩形脉冲产生的方法中主要有高频脉冲加低频脉冲调制、脉冲变压器升压和高反向耐压开关管直流斩波。高频脉冲加低频脉冲调制的方法，电源输出脉冲频率最小是75Hz，输出脉冲幅值最大12kV，在频率可调整范围、输出幅值可调整范围方面难以满足各种规格晶片极化的要求；脉冲变压器升压的方法，由于电场极化法要求电源输出脉冲频率低，变压器体积巨大，不易制造，同时脉冲波形难以保证要求；高反向耐压开关管直流斩波的方法，由于受到现有制作水平的限制，目前商用的开关管的最大反向耐压只有3kV，因此输出电压的幅值受到限制，虽然氢闸管的反向耐压值高，由于造价高，且依赖进口，没有普遍推广的意义。由于电场极化法要求电源输出脉冲频率低，脉冲宽度宽，脉冲幅度高，平顶下降小，并且诸多参数在使用过程中需要调整，因此采用常规方法，不仅难以达到各种规格晶片极化的技术要求，而且由于器件的制作水平受到限制不易制造，目前这种电源在国内外尚属空白。
技术实现思路
为了克服常规的脉冲变压器升压法及利用高反向耐压开关管进行直流斩波方法电源体积大、输出高压脉冲幅值受到限制、技术上难以实现等缺点，本专利技术提出了一种可用于外加电场极化制作非线性晶体周期反转畴的超低重复频率矩形波输出高压电源，其输出脉冲重复频率在0.5-100Hz范围可调，输出电压可在2-100kV范围可调，其输出高压的线性度和稳定度都满足电场极化法的要求。在LiNbO3晶体上进行了多次极化实验，效果很好。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是，一种超低重复频率高压矩形脉冲电源，包括高压直流电源2、作为斩波器的飞盘式机械火花开关8和用于带动飞盘低速旋转的步进电机9，该电源还包括调压器1、用于储存直流高压电源2的输出电能的储能电容3、固定电极4、固定电极5、转动电极6、转动电极7、晶片15、16、17和用于对输出脉冲波形进行整形的脉冲成形电容11，晶片15、16、17被夹在两个金属厚壁圆筒18之间，金属厚壁圆筒18与晶片15、16、17之间设有密封胶圈19，金属厚壁圆筒18内灌注有导电液体20，输出端12输出的高压矩形脉冲通过导电液体20施加到晶片15、16、17上，调压器1为高压直流电源2供电，使高压直流电源2的输出电压可调，高压直流电源2的输出端连接到储能电容3和固定电极4，输出电能被储存在储能电容3里，固定电极4和转动电极6构成一个火花隙，固定电极5与转动电极7构成一个火花隙，转动电极6和转动电极7固定在飞盘式机械火花开关8上，飞盘式机械火花开关8由步进电机9带动旋转，步进电机9的转动速度由控制器10来控制，转动电极6和转动电极7之间由导线22相连，转动电极6和转动电极7之间的水平间隔角度范围为18度-342度，转动电极(6)和转动电极(7)通过金属针状电极(23)同脉冲成形电容(11)连接，脉冲成形电容11与高电压输出端子12相连接，输出端12、晶片15、16、17与地电极14之间构成回路，储能电容3、固定电极4和固定电极5、转动电极6和转动电极7、飞盘式机械火花开关8和脉冲成形电容11被密闭在一个金属屏蔽外壳13中进行电磁屏蔽，高电压输出端子12输出的脉冲幅值为2-100kV，其输出脉冲重复频率范围为0.5-100Hz，脉冲宽度范围为0.5ms-1.9，直流高压电源2的输出电压为0-100。转动电极6和转动电极7分别安装在飞盘式机械火花开关8的上、下两面，飞盘式机械火花开关8的边缘每间隔18度角处设有一个转动电极相对位置调整孔25，飞盘式机械火花开关8由高压绝缘材料制成。本专利技术适用于0.25mm-1mm厚度范围的非线性晶体周期性极化反转实验及批量生产电场极化法要求电源能够提供强度为24-100kV/mm的高压脉冲。直流高压电源2正极性或负极性产生可连续调整的直流高电压在2-100kV范围可调，使用中按照所需要的脉冲幅值设定直流高压的输出值根据晶片15、16、17的厚度计算，外加电场强度为24-100kV/mm。直流高压电源2的输出端连接到储能电容3，输出电能储存在该电容里面。固定电极4和固定电极5一个接储能电容3，一个接大地14，转动电极6和转动电极7之间是用导线22连通的、固定电极4、固定电极5和转动电极6、转动电极7组成两对火花间隙，一个火花间隙用于对脉冲成形电容11充电及对负载放电，一个火花间隙用于斩断输出电压及泄放掉脉冲成形电容11和负载上的电能。储能电容3连接到固定电极4。转动电极6和转动电极7固定在飞盘式机械火花开关8上，分别安装在飞盘式机械火花开关8的上、下面，位置相差一定角度，该角度决定输出脉冲宽度，飞盘式机械火花开关8由步进电机9带动水平旋转。转动电极与脉冲成形电容11及负载晶片相连接，当位于飞盘式机械火花开关8上面的转动电极转动到与接有储能电容3的固定电极最接近位置时，发生空气击穿，火花隙导通，储能电容11对脉冲成形电容和负载放电。当位于飞盘式机械火花开关8下面的转动电极转动到与接地固定电极最接近位置时，发生空气击穿，火花隙导通，脉冲成形电容11及负载上的电能被泄放掉。这样在负载上得到的是矩形的高压脉冲。输出高压脉冲的重复频率由步进电机9的转速决定。步进电机9是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。步进电机9的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种超低重复频率高压矩形脉冲电源，包括：高压直流电源（２）、飞盘式机械火花开关（８）和步进电机（９），其特征在于，该电源还包括：调压器（１）、储能电容（３）、固定电极（４）、固定电极（５）、转动电极（６）、转动电极（７）、晶片（１５）、（１６）、（１７）和脉冲成形电容（１１），晶片（１５）、（１６）、（１７）被夹在两个金属厚壁圆筒（１８）之间，金属厚壁圆筒（１８）与晶片（１５）、（１６）、（１７）之间设有密封胶圈（１９），金属厚壁圆筒（１８）内灌注有导电液体电极（２０），输出端（１２）输出的高压矩形脉冲通过导电液体（２０）施加到晶片（１５）、（１６）和（１７）上，高压直流电源（２）的输出端连接到储能电容（３）和固定电极（４）上，固定电极（４）和转动电极（６）构成一个火花隙，固定电极（５）与转动电极（７）构成一个火花隙，转动电极（６）和（７）固定在飞盘式机械火花开关（８）上，飞盘式机械火花开关（８）由步进电机（９）带动旋转，步进电机（９）的转动速度由控制器（１０）来控制，转动电极（６）和转动电极（７）之间由导线（２２）相连，转动电极（６）和转动电极（７）之间的水平间隔角度范围为１８度－３４２度，转动电极（６）和转动电极（７）通过金属针状电极（２３）同脉冲成形电容（１１）连接，脉冲成形电容（１１）与高电压输出端子（１２）相连接，高电压输出端子（１２）、晶片（１５）、（１６）和（１７）与地电极（１４）之间构成回路，储能电容（３）、固定电极（４）和（５）、转动电极（６）和转动电极（７）、飞盘式机械火花开关（８）和脉冲成形电容（１１）被密闭在一个金属屏蔽外壳（１３）内进行电磁屏蔽，输出端（１２）输出的脉冲幅值为２－１００ｋＶ，其输出脉冲重复频率范围为０．５－１００Ｈｚ，脉冲宽度范围为０．５ｍｓ－１．９ｓ。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李国锋，吴彦，王宁会，李杰，宋加中，王田丰，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]
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