专利名称：一种非线性晶体极化用电源装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种非线性晶体极化用电源装置，可满足各种厚度非线性晶体材料极化的需要。
背景技术：
目前，用于外加电场极化法制作非线性晶体周期性反转畴的高压脉冲电源的构造主要有两种，一种是电源由高频信号发生器、调制信号发生器、升压变压器和保护电路组成，另一种是电源由可调开关电源、控制脉冲发生器和开关管组成。这两种构造的共同特点是电路全部由电子器件实现，并且输出高压脉冲的幅值在10kV左右。随着光参量放大器和光参量振荡器的应用领域不断扩展，外加电场极化制作铁电畴周期性反转结构晶片技术要求高压电源能够提供强度24-100kV/mm的高压脉冲，并且脉冲宽度、脉冲个数和脉冲幅值均可调整，用于极化0.25-1mm厚度的晶片。从目前的制作水平来看，上述两种结构的电源如果要满足上述要求是难以实现的。
发明内容
为了克服上述两种构造电源的缺陷，本实用新型提出了一种非线性晶体极化用电源装置，不仅可以实现一台电源满足各种规格晶片极化的需要，而且电源输出脉冲幅值、脉冲宽度、脉冲个数均可同时调整并控制。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是，一种非线性晶体极化用电源装置，由高压直流电源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组成，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和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，同时通过金属针状电极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和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，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由高压绝缘材料制成。
本实用新型适用于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上，分别安装在飞盘式机械火花开关的上、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，即给步进电机9加一个脉冲信号，步进电机9则转过一个步距角。本实用新型中，由控制单元输出脉冲信号控制步进电机9低速旋转，当停止提供脉冲信号给步进电机9时，步进电机9迅速制动。通过这种方式，实现了对高压输出脉冲频率和输出脉冲个数的准确控制。
本实用新型中，输出高压脉冲宽度的调整由改变转动电极6和转动电极7之间的间隔角度来实现。飞盘式机械火花开关8水平旋转，飞盘式机械火花开8关被20等分，转动电极6和转动电极7之间的最小间隔角度为18度，最大间隔角度为342度。当输出高压脉冲重复频率为0.5Hz时，最小脉冲宽度为0.1s，最大脉冲宽度为1.9s；当输出高压脉冲重复频率为100Hz时，最小脉冲宽度为0.5ms，最大脉冲宽度为9.5ms。
本实用新型的有益效果是，该电源装置具备以下特点输出脉冲幅度、重复频率、宽度、平顶均可以根据需要调整；输出脉冲个数可以精确控制；可以实现二步脉冲触发反转技术，即用一个很大强度的短脉冲触发核点，在继以较宽的低强度脉冲使核点均匀生长。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，进一步增大光参量放大器和光参量振荡器的应用领域。
图1是本实用新型的基本电路图图2本实用新型的实施例电路图图3本实用新型的晶片夹具结构图图4本实用新型飞盘式机械旋转火花开关的结构示意图图5本实用新型飞盘式机械旋转火花开关的俯视结构示意图及转动电极相对位置图图中1、调压器，2、高压直流电源3、储能电容4、固定电极，5、固定电极，6、转动电极，7、转动电极，8、飞盘式机械火花开关，9、步进电机，10、控制器，11、脉冲成形电容，12、高电压输出端子，13、金属屏蔽外壳，14、地电极，15、周期性A1栅格电极，16、LiNbO3晶体，17、铝膜，18、金属厚壁圆筒，19、密封胶圈，20、导电液体电极，21、金属圆片，22、导线，23、金属针状电极，24、绝缘基座，25、转动电极相对位置调整孔。
具体实施方式
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接地与转动电极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由绝缘有机玻璃板制成，由步进电极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之间由导线相连，同时通过金属针状电极23同脉冲成形电容11连接。脉冲成形电容连接到电源输出端12，输出端12、负载晶片和地电极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、脉冲成形电容11被密闭在一个金属壳体13中，进行电磁屏蔽。
在图2中，矩形高压脉冲施加到负载晶片15、16、17上。晶片选用已单畴化了的Z切LiNbO3晶体，首先对晶体进行清洗，在清洗后的LiNbO3晶体的-Z面进行金属Al掩膜的蒸镀，其膜厚为200nm。通过光刻技术在晶体的+Z表面刻蚀出按所设计的掩膜板结构的周期性Al栅格电极15。因此，晶片的结构为+Z面的Al栅格电极15、LiNbO3晶片16和-Z面的铝膜17，晶片的尺寸为40×30×0.5mm。高压输出端子12输出的矩形高压脉冲施加到晶片的周期性Al栅格电极15，铝膜17连接到地电极14。由于晶片很薄厚度0.5mm，如果对晶体施加一个持续的直流高压，会发生电蹦现象导致晶体被击碎，因此，为了避免这一现象，需要对晶体施加一定数量的矩形高压脉冲。此外，为了阻尼放电对晶体的冲击，防止晶片被击碎，使用了液体电极20。
图3中，密封胶圈19的作用是一方面是防止导电液体泄漏造成晶体上下两面断路，另一方面阻尼放电对晶片的冲击防止晶片被击碎。
图4中，固定电极4和转动电极6之间的间隙决定了火花间隙的最小击穿电压，本实用新型中，火花隙的最小击穿电压为2kV，即电源可以输出的最小脉冲峰值为2kV。当固定电极4和转动电极6之间的间隙被击穿时，储能电容3上的电能通过转动电极6、导线22、金属圆片21和金属针状电极23对脉冲成形电容11和负载晶片放电。金属针状电极8固定在绝缘基座24上，其主要作用是一方面传导电能到脉冲成形电容11和负载，另一方面支撑飞盘式机械火花开关8且不影响旋转。飞盘式机械火花开关8由绝缘材料有机玻璃制成，且具有一定厚度，将保证低压部分步进电机9与高压部分转动电极6和转动电极7、导线22、金属圆片21、金属针状电极23之间的电气绝缘。飞盘式机械火花开关8由步进电机带动旋转，旋转过程中两个火花间隙固定电极4和转动电极6之间、固定电极5和转动电极7之间轮流导通，飞盘式机械火花开关8的转速决定了输出脉冲的频率。输出脉冲的宽度通过调整转动电极6和转动电极7之间的相对位置实现。图5为本实用新型飞盘式机械旋转火花开关8的俯视图及转动电极6相对位置图。图5中，飞盘式机械火花开关8的边缘处每间隔18度角设有一个透孔，即转动电极6相对位置调整孔25。在具体实施过程中，转动电极7固定不动，转动电极6将根据需要分别插入不同的透孔中。两个转动电极6和转动电极7的最小平面间隔角度为18度，最大平面间隔角度为342度。当输出高压脉冲重复频率为0.5Hz时，最小脉冲宽度为0.1s，最大脉冲宽度为1.9s；当输出高压脉冲重复频率为100Hz时，最小脉冲宽度为0.5ms，最大脉冲宽度为9.5ms。高压直流电源最高输出电压为100kV，功率120W。储能电容3和脉冲成形电容11选用低电感、长寿命的高压脉冲电容器，储能电容3的电容值选择大于脉冲成形电容器的10倍以上，在0.5-10μF范围。由于被极化晶体的负载特性为电容性，因此，脉冲成形电容11的电容值与负载的电容值之间的关系决定了输出脉冲波形平顶下降的大小，选择前者的电容值大于后者的10倍以上，在这样的条件下，平顶下降小于2％。
权利要求1.一种非线性晶体极化用电源装置，由高压直流电源(2)、飞盘式机械火花开关(8)和步进电机(9)组成，其特征在于，该电源装置还包括调压器(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)，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，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)上面设有步进电机(9)，步进电机(9)与控制器(10)相连接，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)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。
2.根据权利要求1所述的的一种非线性晶体极化用电源装置，其特征在于，所述的转动电极(6)和(7)分别安装在飞盘式机械火花开关(8)的上、下两面。
3.根据权利要求1所述的的一种非线性晶体极化用电源装置，其特征在于，所述的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)。
4.根据权利要求1或2所述的的一种非线性晶体极化用电源装置，其特征在于，所述的转动电极(6)和(7)之间的水平间隔角度范围为18度-342度。
专利摘要本实用新型涉及一种非线性晶体极化用电源装置，由高压直流电源、飞盘式机械火花开关和步进电机组成，还包括调压器、用于储能电容、固定电极、转动电极、晶片和脉冲成形电容。晶片夹在两个金属厚壁圆筒之间，金属厚壁圆筒与晶片之间设有密封胶圈，金属厚壁圆筒内灌注有导电液体，高压直流电源的输出端连接到储能电容和固定电极，转动电极固定在飞盘式机械火花开关上，通过金属针状电极同脉冲成形电容连接。脉冲成形电容与高电压输出端子相连接，储能电容、固定电极、转动电极和飞盘式机械火花开关和脉冲成形电容被密闭在一个金属屏蔽外壳中进行电磁屏蔽。可满足各种厚度非线性晶体材料极化的需要。
文档编号C30B33/04GK2775932SQ200520089039
公开日2006年4月26日 申请日期2005年1月21日 优先权日2005年1月21日
发明者李国锋, 吴彦, 王宁会, 李 杰, 宋加中, 王田丰 申请人:大连理工大学