4-4  大口径单脉冲过程驱动电光开关研究进展

张雄军  吴登生 郑奎兴  林东晖  田晓琳

用于ICF研究的大型激光驱动器，为了获得高输出通量，采用了大量的大口径光学元件，造价昂贵。因此，避免大口径光学元件受到损坏尤其重要。而等离子体电极普克尔盒电光开关是用晶体两侧稀薄气体放电形成的高电导率透明等离子体作电极，可以用薄晶体做到大口径，并具有低损耗、高空间均匀性、高损伤阈值，目前正在建造的几台大型激光系统都将采用其作为级间隔离和反向激光隔离的光开关。

单脉冲驱动普克尔盒与传统的等离子体电极普克尔盒相比，每个气体放电腔只有一个放电电极。驱动源包括一正一负两台开关脉冲发生器，采用仿真线成形,仿真线由集中参数的电感和电容组成，仿真线成形的优点是阻抗和波形可调，易于同负载匹配，可以调整出好的脉冲平顶和低的尾后剩余电压，在低阻抗长脉冲情况下也能做到结构紧凑。当普克尔盒工作时，首先将两放电腔中的气压调节到理想的工作点，然后同时分别将正负开关脉冲加在两气体放电腔的电极上，该开关脉冲高压导致气体击穿，并通过雪崩过程使放电腔气体电离形成覆盖全口径的等离子体，并通过它将开关脉冲加到KDP晶体两侧，从而实现对传输光束偏振方向的控制。

开关效率测量采用连续激光器，起偏器和检偏器平行放置，连续激光沿晶体光轴通过普克尔盒，用光电二极管测量透过检偏器的激光波形，当普克尔盒不加电时，光电二极管输出一定幅值的直流电压，当正负开关脉冲电压同时加到普克尔盒上，通过起偏器的线偏振光将旋转90°，不能通过检偏器，光电二极管输出一下凹的电压波形。图1为实验测得的正开关脉冲电压波形和检偏器的透射光脉冲波形。在优化的工作气压下，对施加不同开关脉冲电压下的开关效率进行了测试，见图2。从图中可看出，实际施加的电压较理论计算值较高，这是由于气体放电中德拜屏蔽效应的影响。将理论计算曲线向右平移(图中实线)，即半波电压点由16.4 kV变为19.3 kV，该曲线与实测值符合得较好。

采用单脉冲过程驱动方式，使电光开关驱动源相对简单，同时由于气体电离时间较短，可减少放电电极材料溅射对电光开关中较为昂贵的开关晶体和光窗的污染，而这种污染会降低开关性能(例如透过率和损伤阈值等)，因此，对于拟采用大口径电光开关的几十(甚至数百)束的大型ICF激光驱动器，单脉冲过程驱动方式对于降低电光开关工程造价，提高其可靠性和稳定性具有较大的吸引力。