CN108843991A - 一种面向多氙灯光源非耦合集束的强紫外光源实验*** - Google Patents
一种面向多氙灯光源非耦合集束的强紫外光源实验*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于多氙灯光源非耦合集束的强紫外光源实验***，面向生物工程领域和光固化工业领域。其特征在于：包括多个氙灯光源、滤光***、聚光***和光束集束器四个部分；聚光***，由两个不同焦距凸透镜组成；分别称作为：长焦距凸透镜和短焦距凸透镜，将长焦距凸透镜的后焦点与短焦距透镜的前焦点重合，平行光射入，出射光仍然为平行光，光束直径被压缩且压缩比为两个透镜的焦距比；光束集束器是一个从正N棱锥截出的正N棱台，N等于氙灯数量每一个棱台侧面对应一束氙灯光束，光束在镀了增反膜的棱台表面发生反射，传输路径发生改变，达到将N束光耦合、增加光源亮度和功率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种紫外光源实验***，主要是利用非耦合的方法将多束氙灯光源集束，尤其涉及光束整形耦合，面向生物工程领域和光固化工业领域。
背景技术
大功率、高能量光源广泛用于军事、科研等领域中，光电***中需要发射能够发射高功率的光源，毫无疑问这其中也包括了目前被广泛应用的激光光源。提高光源功率、能量目前多为通过直接增加单个光源的功率来解决，现有多种在单光源中采用耦合技术来增加功率及能量的方法，这些传统的方法十分有局限性：一是耦合的过程中光束能量及功率有较大损失；二是耦合过程中大量产热，存在明显安全隐患；三是耦合技术成本高，且只能针对某一种波长光束进行耦合。近年来，生物工程大型化、产业化趋势明显，面向市场需求，大功率、高能量的用于光催化、光固化的紫外光源亟待发展。与此同时，由于紫外固化胶的广泛应用，产热小、可选择性多的大功率电源有很大的应用空间，并且对低成本、高功率的激光器也有较大需求。
目前，国内外多采用多光束耦合即激光相干集束的方法，主要包括利用非线性光学相位共轭激光集束、主动反馈式激光集束、腔耦合激光集束、倏逝波激光集束、自组织激光集束等。
激光集束发展到今天，人们基于不同的原理和技术提出和研究了如此多的技术方案，但是并不能说有哪一种方案已经把激光集束这一当前激光领域的研究热点问题给解决了。每种方案都存在其自身的优势和不足。SBS激光并行集束***的负载过于集中，不能承受大的负载，而且集束效率低、调整精度要求高、可扩展性小；布里渊增强四波混频技术可以很好的实现相位共轭，但相位共轭下的并行结构对方案的实用性和扩展性有很大的限制；主动反馈式激光集束需要同时对每束光的位相进行精确监测并通过反馈控制修正，这需要高精度复杂的干涉探测器和控制调相器件；腔耦合激光集束在低功率水平上很成功，但是随着功率的增长，获得低阶模式运转很困难；倏逝波(漏泄波)激光集束主要倾向于对反相光束进行耦合，这会使共轴远场光强为零，在扩展性上有难度；自组织激光集束目前的实验结果也显示了其在对数目较大的激光阵列进行组束时，效率下降明显。
基于上述情况，本发明提出一种基于多氙灯光源的非耦合、多光束的合成技术，在光源腔体外对多个单光源进行光束整形、光斑微缩、传输路径的研究，在此基础上，采用非耦合集束的方式将光束耦合，整合成一束具有高功率、高能量、内含多种自由选择波长等特点的强光束。
发明内容
本发明涉及一种基于多氙灯光源非耦合集束的强紫外光源实验***，主要是设计并制作具有高稳定度的氙灯电源，搭建基于多氙灯光源的多光束非耦合***的紫外光源实验***，可进行不同排列、不同数量的集束方式，获得多种不同的组合方式，为其在生物工程领域和光固化工业领域的不同应用场景提供选择。
为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种基于多氙灯光源非耦合集束的强紫外光源实验***，主要包括氙灯光源(多个)、滤光***、聚光***、光束集束器四个部分。
首先根据氙灯的工作原理设计一种采用脉冲宽度调制技术的开关式氙灯电源。氙灯电源的电路部分包括：辅助电路及保护电路、氙灯工作时供电的开关电源电路及使氙灯起弧点燃的高频高压电路。氙灯电源***框图如附图1所示。输入+220V直流电，通过整流滤波2后的高频高压电路10触发电灯，SG3524PWM控制器7输出两路PWM控制隔离变压器3，隔离变压器3对SG3524PWM控制器7有电路反馈和电压反馈两个闭环，电路由触发状态自动切换至稳定弧光放电过程，氙灯进入稳定工作状态产生光束。脉冲宽度调制技术的开关式氙灯电源的自动切换触发器见图2。2CW56稳压二极管D1的正极与3DA87C三极管Q1的基极连接，负极与3.6K电阻R2、10K电阻R1连接，R1电阻和R2电阻对通过二级升压的高压分压，再通过稳压二极管实现带有阈值电压的方式控制Q1的开合，进而实现氙灯的高压触发和低压横流供电的自动切换；10K电阻R3并联在D1正极、Q1发射极两端，IN4007二极管D2与Q1集电极连接，D2与电磁继电器K1的线圈两端并联后连接47欧姆的电阻R12，K1常关触点置空；5个0.1欧姆的电阻R4、R5、R6、R7、R8以及一个0.1uF的电容C4串联，47欧姆的电阻R9与330uF的电容C2串联，10K的电阻R10与1K的滑动变阻器采用限流式接法，与上述支路以及一个330uF电容C1、一个4.7nF电容C3以及K1的常开触点并联。触发器电路见图3。0.1uF/1000V油浸电容C5与D3二极管IN4007、3.3K电阻R13、SIDAC硅双向触发开关二极管D4串联，R13一端与D3正极连接，另一端与1.5uF/160V电容C6连接后与变压器T1原边并联，T1副边一端与16KV二极管D5正极连接，D5负极与750pF/16KV电容C7连接，T1副边与变压器T2原边并联，放电管F1一端与D5连接，另一端与T1、T2并联点以及T2副边的一端连接，灯罩锁扣开关S1与氙灯负载L1串联后一段与D3负极连接，另一端与T2副边连接，并入电路。高频高压脉冲电电离氙灯内的氙气，使得氙灯点燃；直流电源模块提供2倍的工作电压使得氙灯由辉光放电过程转入弧光放电过程；直流电源提供大量能量，在其到达阈值的时候灯内氙气大量高压电离，发射大量阴极热电子并形成气体辐射，导电率剧增，导致电流增加电压减小，氙灯的弧光放电过程趋于稳定，电压趋于稳定，氙灯自主切换触发成功，发射出高质量光束。
滤光***采用滤光片法滤出波长为λ0的目标紫外光。在折射率为ns玻璃基底15上，以图4中虚线为对称轴，交替镀上光学厚度为λ0/4、折射率分别为n1的薄膜A 13和折射率为n2的薄膜B 14，其中n1小于ns，n2大于ns，对称轴虚线两侧的薄膜均为折射率为n1的薄膜A13，玻璃基底上的第一层膜和最后一层膜均为折射率为u2的薄膜B 14。P层薄膜A 13与P+1层薄膜B 14，交替排列。对称轴两侧厚度为λ0/2的薄膜A 13的上下两个界面处形成的两束相干透射光，满足干涉加强条件，对波长为λ0的目标紫外光来说，起到增透膜的作用。与此两层薄膜A 13相邻的两层薄膜B 14厚度也为λ0/2，与上述薄膜A 13相同，也类似于增透膜。以此类推，对于波长为λ0的光，理论上可以无损通过此2P+1层薄膜，其他波长的光不满足反射加强条件，透射效率下降，由此达到过滤出波长为λ0的目标紫外光的目的。
聚光***，由两个不同焦距凸透镜组成，具体示意图见附图5。长焦距凸透镜16的焦距越大，孔径越大，越有助于对氙灯灯光的采集；短焦距凸透镜17的焦距越小，孔径越小，越有利于提高光束压缩的效率，将长焦距凸透镜16的后焦点与短焦距透镜17的前焦点重合，平行光射入，出射光仍然为平行光，光束直径被压缩且压缩比为两个透镜的焦距比。
光束集束器是一个从正N棱锥截出的正N棱台，N等于氙灯数量，一般取6或8，图6为六灯***的光束集束器示意图。每一个棱台侧面对应一束氙灯光束，光束在镀了增反膜的棱台表面发生反射，传输路径发生改变，达到将N束光耦合、增加光源亮度和功率的目的。
本发明所具有的有益效果：
(1)一种采用脉冲宽度调制技术的开关式氙灯电源，可进行氙灯起弧点燃的高频高压电路和氙灯正常工作时的开关电源电路的自动切换，提高效率和安全系数；
(2)相较于传统的多光束耦合方式，突破性地选择了非耦合的技术，在腔体外对光束进行整形、聚合，改善散热问题；
(3)非耦合集束方式能够对波长做出更为灵活的选择，可以根据不同用户、不同场合的不同需求，通过调整光源和滤光片这种简单直观的方式设计不同的光束耦合***；
附图说明
图1是本发明氙灯电源***框图，其中，1：EMI滤波电路；2：整流滤波；3：隔离变压器；4：电路自动切换；5：氙灯；6：稳压；7：SG3524PWM控制器；8：过压保护；9：直流自激震荡升压；10：高频高压；11：缓冲启动；12：过热、过压保护。
图2是本发明氙灯电源自动切换触发电路图；
图3是本发明本发明氙灯电源触发器电路图；
图4是本发明滤光***示意图，其中，13：薄膜A；14：薄膜B；15：玻璃基底。
图5是本发明平行光聚光***示意图，其中，16：长焦距凸透镜；17：短焦距凸透镜。
图6是本发明六灯***的光束集束器示意图。
具体实施方式
下面以六灯***为例结合附图对本发明进一步说明
6个可自动切换触发的氙灯电源分别为6个直径为31mm、功率为500w的氙灯供电。稳压管Q7和继电器relay1组成自动控制回路，当整流电源电压上升到氙灯维持弧光放电电压的阈值时稳压管Q7被击穿，relay1闭合，触发器导通开始工作，变压器T2原边电流增加，电压增至SIDAC击穿电压阈值时，SIDAC导通，电容C17与变压器T2的原边电感放电，维持SIDAC阶段性导通，电阻R6和二极管D4实现限流功能，一旦C17与变压器T2的原边电感放电结束，SIDAC截至，关断后再次进行上述充电、放电过程，由此产生交变电流，在变压器T2副边获得500V-1000V电压，这一高压持续对电容C18和变压器T3原边串联的震荡回路供能。变压器T2副边电压升高到达阈值后，触发放电管F1放电，由于T2副边电感与电容C18能量中和，触发放电管F1放电产生的是交变电流，电流的方向及大小均成周期性变化，能量周期性衰减，电路中产生高频电流，变压器T3的副边产生2000V-5000V的高频电压，氙气击穿，氙灯触发、点亮，电源电压下降至氙灯工作电压阈值，稳压管Q7截至，relay1断开，触发器停止工作，氙灯电压趋于稳定，进入弧光放电的正常工作过程，发射出高质量光束。滤光***的参数计算和材料选择十分重要。本专利需要波长为370nm的紫外光，λ0＝370nm；玻璃基底15选用普通玻璃即可，ns＝1.5；薄膜A 13选用MgF2，n1＝1.38，实际厚度d1＝λ0/4n1＝67.0nm；薄膜B 14选用ZnS，n2＝2.35，实际厚度d2＝λ0/4n2＝39.4nm。聚光***，长焦距凸透镜(1)选择焦距为50mm，孔径为25.4mm的凸透镜；短焦距凸透镜(2)选择焦距为30mm，孔径为6mm的凸透镜。光束集束器的制作需要先裁剪出六块底角均为67.79°的梯形，将六块梯形焊接为正六棱台状，保证正六棱台每一侧面均与地面成45°，正六棱台侧面表面镀增反膜，增强反射率，降低光在反射过程中的损失。利用光的传输原理，改变光路的传播方向，将六束光耦合成一束光，在最亮光斑处即可获得最大功率的紫外光。
Claims (5)
1.一种基于多氙灯光源非耦合集束的强紫外光源实验***，其特征在于：包括多个氙灯光源、滤光***、聚光***和光束集束器四个部分；
聚光***，由两个不同焦距凸透镜组成；分别称作为：长焦距凸透镜和短焦距凸透镜，将长焦距凸透镜的后焦点与短焦距透镜的前焦点重合，平行光射入，出射光仍然为平行光，光束直径被压缩且压缩比为两个透镜的焦距比；
光束集束器是一个从正N棱锥截出的正N棱台，N等于氙灯数量每一个棱台侧面对应一束氙灯光束，光束在镀了增反膜的棱台表面发生反射，传输路径发生改变，达到将N束光耦合、增加光源亮度和功率的目的。
2.根据权利要求1所述的实验***，其特征在于：
氙灯电源的电路部分包括：辅助电路及保护电路、氙灯工作时供电的开关电源电路及使氙灯起弧点燃的高频高压电路；；输入+220V直流电，通过整流滤波后的高频高压电路触发电灯，SG3524PWM控制器输出两路PWM控制隔离变压器隔离变压器对SG3524PWM控制器有电路反馈和电压反馈两个闭环，电路由触发状态自动切换至稳定弧光放电过程，氙灯进入稳定工作状态产生光束。
3.根据权利要求2所述的实验***，其特征在于：脉冲宽度调制技术的开关式氙灯电源的自动切换触发器具体如下；2CW56稳压二极管D1的正极与3DA87C三极管Q1的基极连接，负极与3.6K电阻R2、10K电阻R1连接，R1电阻和R2电阻对通过二级升压的高压分压，再通过稳压二极管实现带有阈值电压的方式控制Q1的开合，进而实现氙灯的高压触发和低压横流供电的自动切换；10K电阻R3并联在D1正极、Q1发射极两端，IN4007二极管D2与Q1集电极连接，D2与电磁继电器K1的线圈两端并联后连接47欧姆的电阻R12，K1常关触点置空；5个0.1欧姆的电阻R4、R5、R6、R7、R8以及一个0.1uF的电容C4串联，47欧姆的电阻R9与330uF的电容C2串联，10K的电阻R10与1K的滑动变阻器采用限流式接法，与上述支路以及一个330uF电容C1、一个4.7nF电容C3以及K1的常开触点并联。
4.根据权利要求3所述的实验***，其特征在于：触发器电路具体如下；0.1uF/1000V油浸电容C5与D3二极管IN4007、3.3K电阻R、SIDAC硅双向触发开关二极管D4串联，R一端与D3正极连接，另一端与1.5uF/160V电容C6连接后与变压器T1原边并联，T1副边一端与16KV二极管D5正极连接，D5负极与750pF/16KV电容C7连接，T1副边与变压器T2原边并联，放电管F1一端与D5连接，另一端与T1、T2并联点以及T2副边的一端连接，灯罩锁扣开关S1与氙灯负载L1串联后一段与D3负极连接，另一端与T2副边连接，并入电路；高频高压脉冲电电离氙灯内的氙气，使得氙灯点燃；直流电源模块提供2倍的工作电压使得氙灯由辉光放电过程转入弧光放电过程。
5.根据权利要求1所述的实验***，其特征在于：滤光***采用滤光片法滤出波长为λ0的目标紫外光；在折射率为ns玻璃基底上，交替镀上光学厚度为λ0/4、折射率分别为n1的薄膜A和折射率为n2的薄膜B，其中n1小于ns，n2大于ns，对称轴虚线两侧的薄膜均为折射率为n1的薄膜A，玻璃基底上的第一层膜和最后一层膜均为折射率为n2的薄膜B；P层薄膜A与P+1层薄膜B，交替排列；对称轴两侧厚度为λ0/2的薄膜A的上下两个界面处形成的两束相干透射光，满足干涉加强条件，对波长为λ0的目标紫外光来说，起到增透膜的作用；与此两层薄膜A相邻的两层薄膜B厚度也为λ0/2，与上述薄膜A相同；以此类推，对于波长为λ0的光，通过此2P+1层薄膜，其他波长的光不满足反射加强条件，透射效率下降，由此达到过滤出波长为λ0的目标紫外光的目的。
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2018
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