kV static, 7.2kV dynamic

下圖是，高脈衝率，高輸出功率，巨脈衝 Q-調制雷射的核心晶體，LiNbO3

晶體的規格及高壓電路和電源驅動器照片圖::

Specifications

Parameter EM508M, EM510M

Damage Threshold: 600 MW/cm

²

Insertion loss with AR

coatings: 4%

Physical Dimensions: 35mm ∅, 42mm long

Model Number 2-019 2-020* 2-021 2-022* 2-019-PC B*

2-020-PC B*

Fast Transition HV →0 V 0 V → HV

0 V →HV and HV →0 V

0 V →HV and HV →0 V

HV →0 V 0 V → HV

HV Output, adjustment

-500 V to –3.5 kV

-500 V to –3.5 kV

0.5 kV to 5.5 kV

0.5 kV to 6 kV

-500 V to –3.5 kV

-500 V to –3.5 kV Rise Time <15 nsec <15 nsec <35 nsec <20 nsec <10 nsec <10 nsec

Fall Time

(or Recovery Time) < 150 µsec < 150

µsec <25 nsec <20 nsec < 100 µsec < 100 µsec Maximum

Repetition Rate 100 Hz 100 Hz 5 kHz 200 Hz 100 Hz 100 Hz

Package box box box box pcb pcb

HVP50/80 High Voltage Pockels Cell Q-Switch Driver

Step Pulse Generator HVP 50/80

Output Pulse

Voltage Range 1 - 8 kV

Maximum Output current 200 A

Electrical Falltime < 3 ns

Recovery Time 100 µs exponential

Output Impedance 50 Ω

Maximum on time at maximum

current 200 ns

Maximum Repitition rate 100Hz

Minimum Pulse Width 10 ns

External Trigger Input

Amplitude -3 V to + 3 V

Polarity of Leading Edge Positive or Negative

Input Impedance 50 Ω

Minimum Internal Delay 40 ns

Sync Output

Amplitude > 3 V into 50 ohms

Jitter wrt High Voltage Pulse 100 ps Internal Rate Generator

Repetition Rate 0.1 Hz - 100 Hz

Pulse Terminating Load

(designed to correctly terminate a 50 ohm coaxial cable)

AC Impedance 50 ohms nominal

Cabinet

Volume (W x D x H) 330 x 330 x 100 mm

Weight 4 kg

Environmental Temperature

Range 0°C - 40°°C

Supply

Mains Voltage @ 50 or 60 Hz 120 or 240 V ± 10%

Power 50W

Enable Input

Removal of a short circuit will prevent operation

Applications

Q-switching Q-switching Opening Times < 3 ns Pulse Slicing Optical Switching Time < 3 ns

Cable length (50 ohm, 100 pF/m) 2 m - 4 m

Cable Delay 5 ns / m

Pulse Width 10 ns - 20 ns

Optical Risetime < 3 ns Pulse Picking Using

4 - Terminal EO Modulator

Optical Falltime < 3 ns

LiNbO3 晶體的相位匹配如上圖所示，在使用 Pockels cell 主動式巨 脈沖雷射Q-值調制，我們是用 LiNbO3晶體。這個 LiNbO3晶體的 C-軸則是 與雷射的 Porro 稜鏡組共振腔架構 Z 軸有一小傾斜角度(tilted angle)。在整 個雷射共振腔激勵振盪時，當腔內光經過偏極分光雷射輸出光片時，其中 s-component 的偏極光部分，就是有效的雷射的輸出。

而其他 p-component 的偏極光，則穿過偏極分光片，繼續在共振腔內共 振放大。當腔內 p-component 的偏極光，穿過 Pockels cell 的 LiNbO3晶體 時，它會有一個經過 Pockels cell 晶軸傾斜角度的相位偏移角，δt。並且在 Pockels cell 的 LiNbO3 晶體加上高電壓做開關器時，同時會有一個電壓的 相位偏移角，δv。腔內的光束再經過使用 BK-7 玻離材料所做成的 Porro 稜 鏡的兩次直角全反射偏折，則會有 180° + 76°的相位偏移角。當腔內的光束 再經過 Pockels cell 的 LiNbO3晶體時，它再會δt與δv的相位偏移角。所以 在共振腔內一個往返(round trip)，它的總相位變化是：

－δt－δv＋180° + 76°－δt－δv

在巨脈沖Q-值調制的開關條件，要求其總相位差應為 0°或為 2mπ(m 是整數)。

所以 LiNbO3晶體的 C-軸與雷射的 Porro 稜鏡組共振腔架構 Z 軸有一小傾斜 角度，約是 0.96°，也就是可以補償其中稜鏡 BK-7 玻離所產生的 76°的相位 偏移角。

接著，我們來計算 LiNbO3晶體，當腔內的光束經過時要產生δv 為 90°

的相位偏移角所需要的高電壓值。Pockels cell 的 LiNbO3晶體，在當巨脈沖 Q-值調制開關，其相位偏移公式為：

ΔΦ= 2πL × n03 × γ22 × V0/d ---(2)

其中γ 是 LiNbO 晶體的光電系數，其值為 2.82×10^-9 mmV^-1; n 是 LiNbO

晶體的折射率，其值為 2.23568; d 是晶體的厚度; L 是晶體的長度; 以及 V0

則是 LiNbO3晶體，當腔內的光束經過時，要產生相位偏移角，所需要的高 電壓值。我們所用的 LiNbO3晶體，其體積為 9×9×25 mm³，要在 LiNbO3晶 體產生相位偏移 ΔΦ= 2π，代入公式(2)計算，我們在 LiNbO3 晶體上要加 3021V 的高電壓。

上圖是，LiNbO3晶體上，要加的電壓值到最高電壓過程中，其 LiNbO3

晶體的穿透率曲線。

下圖則是 LiNbO3晶體上電極得標示和對應晶軸的圖示:

最後，除了LiNbO3晶體外，一些雷射的核心電-光晶體，我們也製做一個 表，可做比較應用。

Table 1. Electro-Optic Materials

Material Abbreviation Chemical Formula

Transmission Range (μ M)

Bandwidth (MHz)

Index of Refraction

no,ne at wavelength

(μm) Ammonium

dihydrogen phosphate

ADP

NH⁴H²PO⁴ 0.3 - 1.2 to 500 1.51, 1.47 at 1.06

Potassium dihydrogen phosphate

KDP

KH²PO⁴ 0.25 - 1.7 > 100 1.51, 1.47 at 0.55

Potassium dideuterium phosphate

KD*P

KD²PO⁴ 0.3 - 1.1 to 350 1.49, 1.46 at 1.06

Lithium

niobate

LN

LiNbO³ 0.5 - 2 to 8000 2.23, 2.16 at 1.06 Lithium

tantalate — LiTaO³ 0.4 - 1.1 to 1000 2.14, 2.143 at 1.00 Cadmium

telluride — CdTe 2 - 16 to 1000 n^o = 2.6 at 10

另外也附加基本的驅動電路、實驗方塊圖等以為參考。

(i) 雷射鎖碼 Q 調制 Coded Q-switch modulation

雷射測距導引在戰場上應用，一定要有鎖碼功能，才能針對指定目標完成任 務。密碼是機密製定，在本研究中將避免去量測及分析密碼。但是我們已對要標 碼的技術如調頻、調幅、脈衝率數，以及實際戰術時序等，技術性能力，都說明 了，也有了可以設定密碼的能力了。

在文檔中 國防科技學術合作研究計畫成果報告 (頁 86-97)