Приборы и техника эксперимента, 2021, № 2, стр. 40-43

Для управления интенсивностью и поляризацией оптического излучения широко применяются электрооптические модуляторы (э.о.м.), использующие эффект Поккельса. В частности, методика возбуждения–зондирования, используемая для исследования тепловых и упругих свойств микро- и наноструктур, требует модуляции возбуждающего лазерного излучения для применения метода синхронного детектирования [1]. Для линейного управления напряжением на э.о.м. фирмы-изготовители, как правило, предлагают специальные усилители, которые, однако, весьма дороги и имеют ограниченную полосу пропускания (~1 МГц) [2]. В то же время во многих случаях, как, например, в методике возбуждение–зондирование, линейное управление не является обязательным, достаточно управления э.о.м. с помощью прямоугольных импульсов. При этом можно также существенно понизить потребляемую схемой управления мощность, сделав ее компактной и расположив максимально близко к э.о.м., что существенно уменьшит проблемы с нежелательным электромагнитным излучением.

В данной статье описан простой малогабаритный формирователь импульсов для управления широкополосными электрооптическими модуляторами, такими как МЛ-102, МЛ-103, Thorlabs (модели EO-AM-NR-Cx, EO-PM-NR-Cx, x = 1, 2, 3, 4), Newport (модели 400x, x = 2, 4, 6) и подобными. От ранее опубликованных устройств [3, 4] его отличает существенно меньшая потребляемая мощность ~20 мВт/кГц (при емкостной нагрузке 100 пФ, скважности 0.5 и амплитуде импульсов 300 В) и возможность формирования импульсов с длительностью фронтов нарастания и спада ~30–50 нс.

Схема формирователя приведена на рис. 1. Существенное упрощение схемы достигнуто за счет использования микросхемы IR2113 производства фирмы International Rectifier [5], обычно используемой для управления полумостами импульсных источников питания на полевых транзисторах. В отличие от типовой схемы включения [5], в предлагаемой схеме использован дополнительный, изолированный от земли источник питания (FV, 13 В) драйвера верхнего транзистора (Т₁). Это позволяет понизить минимальную рабочую частоту формирователя до нуля.

Рис. 1.

Принципиальная схема формирователя. М₁ – 74HC02; T₁, T₂ – 2SK3067 (транзисторы установлены на радиаторе площадью 160 см²); HFBR2528 – оптоволоконный приемный модуль; Др1–Др3 – дроссели подавления помех, например BL01RN1A2A2B; R₁, R₂ – МЛТ-2-300 Ом (по три параллельно). К выводам 2 и 3 микросхемы IR2113 подключены параллельно конденсаторы 10 и 0.1 мкФ.

В схеме использованы транзисторы 2SK3067 фирмы Toshiba (Т₁, Т₂), имеющие малый заряд переключения (~9 нКл). Кроме того, в цепях их затворов установлены рекомендованные в [6] токоограничивающие резисторы 16 Ом. В результате оказалось возможным снизить выделяющуюся в микросхеме IR2113 мощность и поднять верхнюю рабочую частоту до более чем 1 МГц, что существенно выше типовой рабочей частоты (100 кГц), указанной в [6]. Для облегчения теплового режима транзисторов Т₁, Т₂ введены резисторы R₁ и R₂ с рассеиваемой мощностью 6 Вт каждый, на которых выделяется большая часть мощности при протекании токов заряда/разряда емкости нагрузки и выходной емкости транзисторов.

При емкости нагрузки ~100 пФ (характерной для вышеперечисленных электрооптических модуляторов) эти резисторы удлиняют фронты нарастания и спада выходного импульса на ~10 нс, что меньше времен нарастания и спада использованных полевых транзисторов 2SK3067. Заметим, что на частотах выше 500 кГц эти резисторы нагреваются до ~60°С и более. Управление на микросхему IR2113 поступает с двух схем задержки, собранных на элементах М_1B и М_1C микросхемы 74HC02, не позволяющих включить верхний и нижний транзисторы Т₁, Т₂ одновременно.

Дополнительный источник питания (рис. 2) собран по двухтактной схеме с использованием в качестве задающего генератора микросхемы КР1211ЕУ1, работающей на частоте ~290 кГц. Напряжение питания этой микросхемы (6 В) получено от маломощного трехвыводного стабилизатора 78L06. Такое напряжение питания выбрано с целью минимизации помех от сквозных токов, протекающих в выходных каскадах КР1211ЕУ1. Гальваническая развязка выхода источника от земли осуществляется с помощью трансформатора Тр. Емкость между первичной и вторичной обмотками трансформатора составляет ~40 пФ, что незначительно дополнительно нагружает выходной каскад на T₁, T₂ (рис. 1).

Рис. 2.

Принципиальная схема дополнительного источника питания. Транзисторы – КТ660А;  Д₁, Д₂ – 1N5818, остальные – 1N5819; Тр – кольцевой сердечникк 7.5 × 12.6 × 3.5 мм с начальной магнитной проницаемостью 3200, w₁ – две секции по 36 витков, в два провода ПЭВ-1 ∅0.3 мм, w₂ – 42 витка провода ПЭЛШО ∅0.1 мм; C₁ и C₂ должны быть установлены максимально близко к выводам 5 и 6 микросхемы IR2113 на рис. 1.

Работа формирователя импульсов проверялась на частотах вплоть до 1.5 МГц. На более высоких частотах из-за перегрева микросхемы IR2113 работоспособность нарушалась.

С целью минимизации электромагнитного излучения от формирователя управляющие импульсы подаются по оптоволокну на оптоволоконный приемный модуль HFBR2528 (рис. 1). Схема управления оптоволоконным передатчиком (рис. 3) находится вне формирователя на значительном расстоянии (~1.5 м) и может получать питание от батарей, ее средний ток потребления ~50–70 мА.

Рис. 3.

Принципиальная схема управления оптоволоконным передатчиком. HFBR1528 – оптоволоконный передающий модуль. На вход схемы подаются импульсы от генератора, управляющего э.о.м., например, с TTL-выхода синхронного усилителя SR844.

Амплитуда выходных импульсов формирователя зависит от высокого напряжения питания U_п, что очень удобно для регулировки средней интенсивности оптического излучения на выходе модулятора. В авторском варианте формирователь использовался для управления электрооптическим модулятором МЛ-102А, а в качестве источника питания U_п использовался стабилизированный блок питания Б5-50, позволяющий устанавливать напряжение от 0 до 300 В с шагом 1 В.

Конструктивно макет формирователя был выполнен на печатной плате размером 70 × 100 мм и соединен с помощью отрезка коаксиального кабеля длиной ~5 см с модулятором в единый блок. Специальное экранирование формирователя с э.о.м. не использовалось.

Модулятор использовался в оптической схеме возбуждение–зондирование для синхронного детектирования малых (~10^–6–10^–3) относительных изменений интенсивности оптического излучения, регистрируемых с помощью фотодиода (также не экранированного) и синхронного усилителя SR844 фирмы Stanford Research Systems. Расстояние между фотодиодом и модулятором составляло <1 м, при этом уровень наводки на фотодиод был <2 мкВ.

Длительности фронта τ_ф и спада τ_сп импульсов на э.о.м. при различных напряжениях питания U_п измерялись цифровым осциллографом LeCroy WR62Xi-A и составили: при U_п = 300 В – τ_ф = 30 нс, τ_сп = 45 нс; при U_п = 160 В – τ_ф = 33 нс, τ_сп = 47 нс; при U_п = 50 В – τ_ф = 45 нс, τ_сп = 57 нс. При уменьшении напряжения питания длительности фронтов увеличивались, что связано с увеличением выходной емкости и емкости Миллера транзисторов T₁ и T₂; от частоты длительность фронтов не зависела.

В качестве примера работы схемы на рис. 4 приведены зависимости управляющего напряжения на выходе формирователя при работе с электрооптическим модулятором МЛ-102А (кривая 1) и интенсивности пропускаемого им оптического излучения (кривая 2) от времени при работе на частоте 1.1 МГц при скважности 0.5. Измерение интенсивности оптического излучения производилось фотодиодом ФДГ-150С с временем нарастания 150 пс. В этом случае по уровням 0.1–0.9 времена нарастания составляют для управляющего напряжения 30 нс, а для интенсивности оптического излучения 20 нс, времена спада – 44 нс и 26 нс соответственно.

Рис. 4.

Зависимости управляющего напряжения на выходе формирователя U₀ при работе с электрооптическим модулятором МЛ-102А (1) и интенсивности пропускаемого им оптического излучения W (2, для наглядности смещена по вертикали) от времени t.

Осцилляции интенсивности проходящего излучения, наблюдаемые на кривой 2, вызваны паразитным акустооптическим эффектом в кристаллах DKDP, используемых в модуляторе МЛ-102А.

В заключение отметим, что подобный формирователь работает в составе экспериментальной установки более 10 000 ч. Паспортное максимальное рабочее напряжение микросхемы IR2113 и транзисторов T₁ и T₂ (2SK3067) составляет 600 В. Поэтому без изменения схемных решений возможно получение импульсов амплитудой до 500 В, при возможном некотором снижении максимальной рабочей частоты.