專利名稱：一種非線性晶體極化用電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種非線性晶體極化用電源裝置，可滿足各種厚度非線性晶體材料極化的需要。
背景技術(shù)：
目前，用于外加電場(chǎng)極化法制作非線性晶體周期性反轉(zhuǎn)疇的高壓脈沖電源的構(gòu)造主要有兩種，一種是電源由高頻信號(hào)發(fā)生器、調(diào)制信號(hào)發(fā)生器、升壓變壓器和保護(hù)電路組成，另一種是電源由可調(diào)開關(guān)電源、控制脈沖發(fā)生器和開關(guān)管組成。這兩種構(gòu)造的共同特點(diǎn)是電路全部由電子器件實(shí)現(xiàn)，并且輸出高壓脈沖的幅值在10kV左右。隨著光參量放大器和光參量振蕩器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，外加電場(chǎng)極化制作鐵電疇周期性反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)晶片技術(shù)要求高壓電源能夠提供強(qiáng)度24-100kV/mm的高壓脈沖，并且脈沖寬度、脈沖個(gè)數(shù)和脈沖幅值均可調(diào)整，用于極化0.25-1mm厚度的晶片。從目前的制作水平來看，上述兩種結(jié)構(gòu)的電源如果要滿足上述要求是難以實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述兩種構(gòu)造電源的缺陷，本實(shí)用新型提出了一種非線性晶體極化用電源裝置，不僅可以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)電源滿足各種規(guī)格晶片極化的需要，而且電源輸出脈沖幅值、脈沖寬度、脈沖個(gè)數(shù)均可同時(shí)調(diào)整并控制。
本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，一種非線性晶體極化用電源裝置，由高壓直流電源2、作為斬波器的飛盤式機(jī)械火花開關(guān)8和用于帶動(dòng)飛盤低速旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)9組成，該電源還包括調(diào)壓器1、用于儲(chǔ)存直流高壓電源2的輸出電能的儲(chǔ)能電容3、固定電極4、固定電極5、轉(zhuǎn)動(dòng)電極6、轉(zhuǎn)動(dòng)電極7、晶片15、16、17和用于對(duì)輸出脈沖波形進(jìn)行整形的脈沖成形電容11，晶片15、16和17被夾在兩個(gè)金屬厚壁圓筒18之間，金屬厚壁圓筒18與晶片15、16、17之間設(shè)有密封膠圈19，金屬厚壁圓筒18內(nèi)灌注有導(dǎo)電液體20，輸出端12輸出的高壓矩形脈沖通過導(dǎo)電液體20施加到晶片15、16、17上；調(diào)壓器1為高壓直流電源2供電，使高壓直流電源2的輸出電壓可調(diào)，高壓直流電源2的輸出端連接到儲(chǔ)能電容3和固定電極4，輸出電能被儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電容3里，固定電極4和轉(zhuǎn)動(dòng)電極6構(gòu)成一個(gè)火花隙，固定電極5與轉(zhuǎn)動(dòng)電極7構(gòu)成一個(gè)火花隙，轉(zhuǎn)動(dòng)電極6和轉(zhuǎn)動(dòng)電極7固定在飛盤式機(jī)械火花開關(guān)8上，飛盤式機(jī)械火花開關(guān)8由步進(jìn)電機(jī)9帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)9的轉(zhuǎn)動(dòng)速度由控制器10來控制，轉(zhuǎn)動(dòng)電極6和轉(zhuǎn)動(dòng)電極7之間由導(dǎo)線22相連，轉(zhuǎn)動(dòng)電極6和轉(zhuǎn)動(dòng)電極7之間的水平間隔角度范圍為18度-342度，同時(shí)通過金屬針狀電極23同脈沖成形電容11連接，脈沖成形電容11與高電壓輸出端子12相連接，輸出端12、晶片15、16和17與地電極14之間構(gòu)成回路；儲(chǔ)能電容3、固定電極4和固定電極5、轉(zhuǎn)動(dòng)電極6和轉(zhuǎn)動(dòng)電極7、飛盤式機(jī)械火花開關(guān)8和脈沖成形電容11被密閉在一個(gè)金屬屏蔽外殼13中進(jìn)行電磁屏蔽，轉(zhuǎn)動(dòng)電極6和轉(zhuǎn)動(dòng)電極7分別安裝在飛盤式機(jī)械火花開關(guān)8的上、下兩面，飛盤式機(jī)械火花開關(guān)8由高壓絕緣材料制成。
本實(shí)用新型適用于0.25mm-1mm厚度范圍的非線性晶體周期性極化反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)及批量生產(chǎn)電場(chǎng)極化法要求電源能夠提供強(qiáng)度為24-100kV/mm的高壓脈沖。
直流高壓電源2的輸出端連接到儲(chǔ)能電容3，輸出電能儲(chǔ)存在該電容里面。固定電極4和5一個(gè)接儲(chǔ)能電容3，一個(gè)接大地14，轉(zhuǎn)動(dòng)電極6和轉(zhuǎn)動(dòng)電極7之間是用導(dǎo)線22連通的、固定電極4、固定電極5和轉(zhuǎn)動(dòng)電極6、轉(zhuǎn)動(dòng)電極7組成兩對(duì)火花間隙，一個(gè)火花間隙用于對(duì)脈沖成形電容11充電及對(duì)負(fù)載放電，一個(gè)火花間隙用于斬?cái)噍敵鲭妷杭靶狗诺裘}沖成形電容11和負(fù)載上的電能。儲(chǔ)能電容3連接到固定電極4。轉(zhuǎn)動(dòng)電極6和轉(zhuǎn)動(dòng)電極7固定在飛盤式機(jī)械火花開關(guān)上，分別安裝在飛盤式機(jī)械火花開關(guān)的上、下面，位置相差一定角度，該角度決定輸出脈沖寬度，飛盤式機(jī)械火花開關(guān)8由步進(jìn)電機(jī)9帶動(dòng)水平旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)電極與脈沖成形電容11及負(fù)載晶片相連接，當(dāng)位于飛盤式機(jī)械火花開關(guān)8上面的轉(zhuǎn)動(dòng)電極轉(zhuǎn)動(dòng)到與接有儲(chǔ)能電容3的固定電極最接近位置時(shí)，發(fā)生空氣擊穿，火花隙導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容11對(duì)脈沖成形電容和負(fù)載放電。當(dāng)位于飛盤式機(jī)械火花開關(guān)8下面的轉(zhuǎn)動(dòng)電極轉(zhuǎn)動(dòng)到與接地固定電極最接近位置時(shí)，發(fā)生空氣擊穿，火花隙導(dǎo)通，脈沖成形電容11及負(fù)載上的電能被泄放掉。這樣在負(fù)載上得到的是矩形的高壓脈沖。
輸出高壓脈沖的重復(fù)頻率由步進(jìn)電機(jī)9的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。步進(jìn)電機(jī)9是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。步進(jìn)電機(jī)9的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給步進(jìn)電機(jī)9加一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)9則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。本實(shí)用新型中，由控制單元輸出脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)9低速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)停止提供脈沖信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)9時(shí)，步進(jìn)電機(jī)9迅速制動(dòng)。通過這種方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓輸出脈沖頻率和輸出脈沖個(gè)數(shù)的準(zhǔn)確控制。
本實(shí)用新型中，輸出高壓脈沖寬度的調(diào)整由改變轉(zhuǎn)動(dòng)電極6和轉(zhuǎn)動(dòng)電極7之間的間隔角度來實(shí)現(xiàn)。飛盤式機(jī)械火花開關(guān)8水平旋轉(zhuǎn)，飛盤式機(jī)械火花開8關(guān)被20等分，轉(zhuǎn)動(dòng)電極6和轉(zhuǎn)動(dòng)電極7之間的最小間隔角度為18度，最大間隔角度為342度。當(dāng)輸出高壓脈沖重復(fù)頻率為0.5Hz時(shí)，最小脈沖寬度為0.1s，最大脈沖寬度為1.9s；當(dāng)輸出高壓脈沖重復(fù)頻率為100Hz時(shí)，最小脈沖寬度為0.5ms，最大脈沖寬度為9.5ms。
本實(shí)用新型的有益效果是，該電源裝置具備以下特點(diǎn)輸出脈沖幅度、重復(fù)頻率、寬度、平頂均可以根據(jù)需要調(diào)整；輸出脈沖個(gè)數(shù)可以精確控制；可以實(shí)現(xiàn)二步脈沖觸發(fā)反轉(zhuǎn)技術(shù)，即用一個(gè)很大強(qiáng)度的短脈沖觸發(fā)核點(diǎn)，在繼以較寬的低強(qiáng)度脈沖使核點(diǎn)均勻生長(zhǎng)?？梢赃M(jìn)行非線性晶體周期性極化反轉(zhuǎn)的最佳實(shí)驗(yàn)參量測(cè)定及具有鐵電疇周期性反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)晶片的批量生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步增大光參量放大器和光參量振蕩器的應(yīng)用領(lǐng)域。


圖1是本實(shí)用新型的基本電路圖圖2本實(shí)用新型的實(shí)施例電路圖圖3本實(shí)用新型的晶片夾具結(jié)構(gòu)圖圖4本實(shí)用新型飛盤式機(jī)械旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖圖5本實(shí)用新型飛盤式機(jī)械旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖及轉(zhuǎn)動(dòng)電極相對(duì)位置圖圖中1、調(diào)壓器，2、高壓直流電源3、儲(chǔ)能電容4、固定電極，5、固定電極，6、轉(zhuǎn)動(dòng)電極，7、轉(zhuǎn)動(dòng)電極，8、飛盤式機(jī)械火花開關(guān)，9、步進(jìn)電機(jī)，10、控制器，11、脈沖成形電容，12、高電壓輸出端子，13、金屬屏蔽外殼，14、地電極，15、周期性A1柵格電極，16、LiNbO3晶體，17、鋁膜，18、金屬厚壁圓筒，19、密封膠圈，20、導(dǎo)電液體電極，21、金屬圓片，22、導(dǎo)線，23、金屬針狀電極，24、絕緣基座，25、轉(zhuǎn)動(dòng)電極相對(duì)位置調(diào)整孔。
具體實(shí)施方式
調(diào)壓器1為高壓直流電源2供電，使高壓直流電源2的輸出電壓可調(diào)。高壓直流電源2的輸出端連接到儲(chǔ)能電容3和固定電極4，輸出電能被儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電容3里。固定電極4和轉(zhuǎn)動(dòng)電極6構(gòu)成一個(gè)火花隙，固定電極5接地與轉(zhuǎn)動(dòng)電極7構(gòu)成一個(gè)火花隙。轉(zhuǎn)動(dòng)電極6和轉(zhuǎn)動(dòng)電極7固定在飛盤式機(jī)械火花開關(guān)8上，飛盤式機(jī)械火花開關(guān)8由絕緣有機(jī)玻璃板制成，由步進(jìn)電極9帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)9的轉(zhuǎn)動(dòng)速度由控制器10來控制。轉(zhuǎn)動(dòng)電極6和轉(zhuǎn)動(dòng)電極7之間由導(dǎo)線相連，同時(shí)通過金屬針狀電極23同脈沖成形電容11連接。脈沖成形電容連接到電源輸出端12，輸出端12、負(fù)載晶片和地電極14之間構(gòu)成回路。儲(chǔ)能電容3、固定電極4和固定電極5、轉(zhuǎn)動(dòng)電極6和轉(zhuǎn)動(dòng)電極7、飛盤式機(jī)械火花開關(guān)8、脈沖成形電容11被密閉在一個(gè)金屬殼體13中，進(jìn)行電磁屏蔽。
在圖2中，矩形高壓脈沖施加到負(fù)載晶片15、16、17上。晶片選用已單疇化了的Z切LiNbO3晶體，首先對(duì)晶體進(jìn)行清洗，在清洗后的LiNbO3晶體的-Z面進(jìn)行金屬Al掩膜的蒸鍍，其膜厚為200nm。通過光刻技術(shù)在晶體的+Z表面刻蝕出按所設(shè)計(jì)的掩膜板結(jié)構(gòu)的周期性Al柵格電極15。因此，晶片的結(jié)構(gòu)為+Z面的Al柵格電極15、LiNbO3晶片16和-Z面的鋁膜17，晶片的尺寸為40×30×0.5mm。高壓輸出端子12輸出的矩形高壓脈沖施加到晶片的周期性Al柵格電極15，鋁膜17連接到地電極14。由于晶片很薄厚度0.5mm，如果對(duì)晶體施加一個(gè)持續(xù)的直流高壓，會(huì)發(fā)生電蹦現(xiàn)象導(dǎo)致晶體被擊碎，因此，為了避免這一現(xiàn)象，需要對(duì)晶體施加一定數(shù)量的矩形高壓脈沖。此外，為了阻尼放電對(duì)晶體的沖擊，防止晶片被擊碎，使用了液體電極20。
圖3中，密封膠圈19的作用是一方面是防止導(dǎo)電液體泄漏造成晶體上下兩面斷路，另一方面阻尼放電對(duì)晶片的沖擊防止晶片被擊碎。
圖4中，固定電極4和轉(zhuǎn)動(dòng)電極6之間的間隙決定了火花間隙的最小擊穿電壓，本實(shí)用新型中，火花隙的最小擊穿電壓為2kV，即電源可以輸出的最小脈沖峰值為2kV。當(dāng)固定電極4和轉(zhuǎn)動(dòng)電極6之間的間隙被擊穿時(shí)，儲(chǔ)能電容3上的電能通過轉(zhuǎn)動(dòng)電極6、導(dǎo)線22、金屬圓片21和金屬針狀電極23對(duì)脈沖成形電容11和負(fù)載晶片放電。金屬針狀電極8固定在絕緣基座24上，其主要作用是一方面?zhèn)鲗?dǎo)電能到脈沖成形電容11和負(fù)載，另一方面支撐飛盤式機(jī)械火花開關(guān)8且不影響旋轉(zhuǎn)。飛盤式機(jī)械火花開關(guān)8由絕緣材料有機(jī)玻璃制成，且具有一定厚度，將保證低壓部分步進(jìn)電機(jī)9與高壓部分轉(zhuǎn)動(dòng)電極6和轉(zhuǎn)動(dòng)電極7、導(dǎo)線22、金屬圓片21、金屬針狀電極23之間的電氣絕緣。飛盤式機(jī)械火花開關(guān)8由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中兩個(gè)火花間隙固定電極4和轉(zhuǎn)動(dòng)電極6之間、固定電極5和轉(zhuǎn)動(dòng)電極7之間輪流導(dǎo)通，飛盤式機(jī)械火花開關(guān)8的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了輸出脈沖的頻率。輸出脈沖的寬度通過調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)電極6和轉(zhuǎn)動(dòng)電極7之間的相對(duì)位置實(shí)現(xiàn)。圖5為本實(shí)用新型飛盤式機(jī)械旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)8的俯視圖及轉(zhuǎn)動(dòng)電極6相對(duì)位置圖。圖5中，飛盤式機(jī)械火花開關(guān)8的邊緣處每間隔18度角設(shè)有一個(gè)透孔，即轉(zhuǎn)動(dòng)電極6相對(duì)位置調(diào)整孔25。在具體實(shí)施過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)電極7固定不動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)電極6將根據(jù)需要分別插入不同的透孔中。兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)電極6和轉(zhuǎn)動(dòng)電極7的最小平面間隔角度為18度，最大平面間隔角度為342度。當(dāng)輸出高壓脈沖重復(fù)頻率為0.5Hz時(shí)，最小脈沖寬度為0.1s，最大脈沖寬度為1.9s；當(dāng)輸出高壓脈沖重復(fù)頻率為100Hz時(shí)，最小脈沖寬度為0.5ms，最大脈沖寬度為9.5ms。高壓直流電源最高輸出電壓為100kV，功率120W。儲(chǔ)能電容3和脈沖成形電容11選用低電感、長(zhǎng)壽命的高壓脈沖電容器，儲(chǔ)能電容3的電容值選擇大于脈沖成形電容器的10倍以上，在0.5-10μF范圍。由于被極化晶體的負(fù)載特性為電容性，因此，脈沖成形電容11的電容值與負(fù)載的電容值之間的關(guān)系決定了輸出脈沖波形平頂下降的大小，選擇前者的電容值大于后者的10倍以上，在這樣的條件下，平頂下降小于2％。
權(quán)利要求1.一種非線性晶體極化用電源裝置，由高壓直流電源(2)、飛盤式機(jī)械火花開關(guān)(8)和步進(jìn)電機(jī)(9)組成，其特征在于，該電源裝置還包括調(diào)壓器(1)、儲(chǔ)能電容(3)、固定電極(4)、固定電極(5)、轉(zhuǎn)動(dòng)電極(6)、轉(zhuǎn)動(dòng)電極(7)、晶片(15)、(16)、(17)和脈沖成形電容(11)，晶片(15)、(16)、(17)被夾在兩個(gè)金屬厚壁圓筒(18)之間，金屬厚壁圓筒(18)與晶片(15)、(16)、(17)之間設(shè)有密封膠圈(19)，金屬厚壁圓筒(18)內(nèi)灌注有導(dǎo)電液體電極(20)，高壓直流電源(2)的輸出端連接到儲(chǔ)能電容(3)和固定電極(4)上，轉(zhuǎn)動(dòng)電極(6)和轉(zhuǎn)動(dòng)電極(7)固定在飛盤式機(jī)械火花開關(guān)(8)上，飛盤式機(jī)械火花開關(guān)(8)上面設(shè)有步進(jìn)電機(jī)(9)，步進(jìn)電機(jī)(9)與控制器(10)相連接，轉(zhuǎn)動(dòng)電極(6)和轉(zhuǎn)動(dòng)電極(7)之間由導(dǎo)線(22)相連，轉(zhuǎn)動(dòng)電極(6)和轉(zhuǎn)動(dòng)電極(7)通過金屬針狀電極(23)同脈沖成形電容(11)連接，脈沖成形電容(11)與高電壓輸出端子(12)相連接，高電壓輸出端子(12)、晶片(15)、(16)和(17)與地電極(14)之間構(gòu)成回路，儲(chǔ)能電容(3)、固定電極(4)和(5)、轉(zhuǎn)動(dòng)電極(6)和轉(zhuǎn)動(dòng)電極(7)、飛盤式機(jī)械火花開關(guān)(8)和脈沖成形電容(11)被密閉在一個(gè)金屬屏蔽外殼(13)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的一種非線性晶體極化用電源裝置，其特征在于，所述的轉(zhuǎn)動(dòng)電極(6)和(7)分別安裝在飛盤式機(jī)械火花開關(guān)(8)的上、下兩面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的一種非線性晶體極化用電源裝置，其特征在于，所述的飛盤式機(jī)械火花開關(guān)(8)的邊緣每間隔18度角處設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)電極相對(duì)位置調(diào)整孔(25)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的的一種非線性晶體極化用電源裝置，其特征在于，所述的轉(zhuǎn)動(dòng)電極(6)和(7)之間的水平間隔角度范圍為18度-342度。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種非線性晶體極化用電源裝置，由高壓直流電源、飛盤式機(jī)械火花開關(guān)和步進(jìn)電機(jī)組成，還包括調(diào)壓器、用于儲(chǔ)能電容、固定電極、轉(zhuǎn)動(dòng)電極、晶片和脈沖成形電容。晶片夾在兩個(gè)金屬厚壁圓筒之間，金屬厚壁圓筒與晶片之間設(shè)有密封膠圈，金屬厚壁圓筒內(nèi)灌注有導(dǎo)電液體，高壓直流電源的輸出端連接到儲(chǔ)能電容和固定電極，轉(zhuǎn)動(dòng)電極固定在飛盤式機(jī)械火花開關(guān)上，通過金屬針狀電極同脈沖成形電容連接。脈沖成形電容與高電壓輸出端子相連接，儲(chǔ)能電容、固定電極、轉(zhuǎn)動(dòng)電極和飛盤式機(jī)械火花開關(guān)和脈沖成形電容被密閉在一個(gè)金屬屏蔽外殼中進(jìn)行電磁屏蔽?？蓾M足各種厚度非線性晶體材料極化的需要。
文檔編號(hào)C30B33/04GK2775932SQ200520089039
公開日2006年4月26日 申請(qǐng)日期2005年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月21日
發(fā)明者李國(guó)鋒, 吳彥, 王寧會(huì), 李 杰, 宋加中, 王田豐 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)