脈沖電場測試中的激光供電技術(shù)

嚴(yán)雪飛， 朱長青， 石科仁， 王 佳

(1. 陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 強電磁場環(huán)境模擬與防護技術(shù)國防科技重點實驗室, 河北 石家莊 050003;2. 陸軍裝甲兵學(xué)院, 北京 100071)

1 引 言

脈沖電場的測試是針對復(fù)雜電磁環(huán)境進行電磁防護的先決條件，而在電場測試中，測試裝置的供電問題一直是學(xué)者們所關(guān)注的熱點之一[1-4]。目前，大多數(shù)的電場測試裝置一般選擇電池或者電纜進行供電[5-6]，由于設(shè)備的測試環(huán)境和自身結(jié)構(gòu)的限制，傳統(tǒng)的電池或電纜供電一般存在以下缺點：(1)續(xù)航能力不足，為滿足測試要求，需要頻繁更換電池；(2)由于電池尺寸和容量無法兼顧，使得傳感器無法在小型化設(shè)計上取得突破；(3)在強電磁場的測試環(huán)境中，金屬結(jié)構(gòu)的電纜會通過耦合影響被測電場，造成測量誤差。

目前，對于脈沖電場傳感器激光供電部分的研究較少，其中德國的Mann開發(fā)了一套適用于脈沖電場測試的激光供電系統(tǒng)[7-9]，但通過筆者同Mann聯(lián)系獲知，其傳感器的最大探測場強僅為100 V/m，無法滿足瞬態(tài)強電磁場的測試。國內(nèi)主要是陸軍工程大學(xué)的朱長青教授團隊對脈沖電場傳感器開展了研究[4，10]。

為解決電場測試中的供電問題，我們設(shè)計了一套以光纖為傳輸媒介的激光供電系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由以半導(dǎo)體激光管(Laser diode,LD)為核心器件的光發(fā)射模塊、光纖模塊以及以GaAs光電池為核心器件的光接收模塊三部分構(gòu)成，通過非接觸的方式，實現(xiàn)從電網(wǎng)側(cè)到用電設(shè)備的電-光-電轉(zhuǎn)換。

本文主要對系統(tǒng)的光發(fā)射模塊和光接收模塊進行了研究。在光發(fā)射模塊中，設(shè)計了D型透鏡和凸透鏡來實現(xiàn)LD輸出光束的準(zhǔn)直聚焦，解決了直接耦合時效率低的問題。

在光接收模塊中，利用GaAs光電池的特點，開發(fā)了適用于單色激光供電的光電池，為了提高光電耦合效率，對傳統(tǒng)的球形“光伏眼”進行了改進，解決了光束反射隨機性大、損耗嚴(yán)重的問題，并通過ZEMAX進行了仿真驗證。最后，設(shè)計了兩組實驗對文中設(shè)計的環(huán)節(jié)進行驗證。

2 總體設(shè)計方案

本文的用電設(shè)備是一個邊長為70 mm的三棱錐型電場測試探頭，其用電需求為：7 V直流電壓，功率240 mW。由于用電設(shè)備體積較小且工作時間較長，這要求所設(shè)計的供電系統(tǒng)體積足夠小，并且能夠連續(xù)不間斷地供電。激光供電系統(tǒng)作為一種以光纖作為媒介的光電傳輸設(shè)備，可以實現(xiàn)從電網(wǎng)側(cè)非接觸式的供電。其主要環(huán)節(jié)包括光發(fā)射端的電-光轉(zhuǎn)換、光纖傳輸以及光接收端的光-電轉(zhuǎn)換。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 激光供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of laser power supply system

圖1為供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，以LD為核心器件的光發(fā)射模塊、光纖模塊及以光電池為核心器件的光接收模塊。光發(fā)射模塊主要由半導(dǎo)體激光管以及激光光源驅(qū)動和保護電路構(gòu)成，其主要作用是提供穩(wěn)定的光源，實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。光纖模塊主要由傳輸光纖及其連接器構(gòu)成，用來實現(xiàn)穩(wěn)定高效的光能傳輸。光接收模塊由PPC和穩(wěn)壓電路構(gòu)成，能夠?qū)⒐饫w輸出的光能轉(zhuǎn)換為電能，并通過穩(wěn)壓裝置為設(shè)備提供穩(wěn)定電壓。

為了實現(xiàn)激光供電系統(tǒng)的設(shè)計，提高系統(tǒng)的耦合效率，本文對系統(tǒng)3個模塊的設(shè)計進行了分析研究。其中，對于光纖模塊，本文選用多模光纖作為傳能光纖。雖然從光纖損耗方面考慮，單模光纖似乎更具有優(yōu)勢，但多模光纖的損耗是按照km/dB來計算的，對于只有幾十米的傳輸距離，其損耗可忽略不計[11]。并且由于多模光纖的芯徑較大，可以有效降低高功率激光所帶來的光纖損耗，相比于單模光纖，有著更高的傳輸效率[12]。

3 光發(fā)射模塊設(shè)計

在光發(fā)射模塊中，LD與光纖的耦合效率是影響供電系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。其耦合方式一般可分為直接耦合和透鏡耦合兩種[13]。

采用直接耦合方式時，其原理圖如圖2所示。圖2中激光器寬為100 μm，厚度為2 μm，寬厚比為50∶1，中心波長為808 nm，光斑半寬為0.47 μm，快慢軸方向的發(fā)散角分別為35°和3.8°，其遠場光束分布成橢球形高斯分布[14]。多模光纖參數(shù)為：NA=0.2，孔徑角2θc=25°。由于其快軸發(fā)散角大于光纖孔徑角，光束無法完全進去光纖，導(dǎo)致激光器與光纖的耦合效率較低，為了提高耦合效率，需對光束進行壓縮、準(zhǔn)直和聚焦。對此，我們選擇了一種D型透鏡對光束進行準(zhǔn)直壓縮，其原理如圖3所示。

圖2 LD與光纖的直接耦合Fig.2 Direct coupling of LD and laser

圖3 LD光束的準(zhǔn)直壓縮Fig.3 Compression for the light of LD

壓縮前后快軸的發(fā)散角分別為θ和θ′，光斑半寬分別為ω和ω′，f為透鏡焦距。此時有：

(1)

選用D型透鏡對光束進行準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的光束如圖4所示。圖4中，f為透鏡焦距，t為激光器到透鏡的距離，d為透鏡厚度，曲率半徑為r，透鏡材料為BK7玻璃，折射率n=1.516 8，根據(jù)圖中幾何關(guān)系：

(2)

(3)

聯(lián)立公式(2)、(3)可得曲率半徑r=0.8 mm，t=0.85 mm，將其帶入式(1)中，可得準(zhǔn)直后的快軸發(fā)散角壓縮為3.2°。

圖4 準(zhǔn)直后的光束Fig.4 Light after collimation

為了驗證計算的正確性，在軟件ZEMAX中進行了仿真，仿真參數(shù)設(shè)置如下：設(shè)置x方向發(fā)散角為3.8°，y方向發(fā)散角為35°，激光波長為0.808 mm，t=0.85 mm,r=0.8 mm。仿真得到準(zhǔn)直后的光斑如圖5所示。

圖5 準(zhǔn)直前后的光斑Fig.5 Light before and after collimation

從圖5中可以看出，經(jīng)過透鏡準(zhǔn)直后的光斑快軸發(fā)散角壓縮到了3.2°左右，光斑近似呈圓形。由于選取的多模光纖徑芯為400 μm，為了實現(xiàn)準(zhǔn)直后光束和光纖的匹配，還需要對光斑進行聚焦，本文中選取了焦距f=10 mm的透鏡對光斑進行聚焦，并用ZEMAX軟件進行了仿真分析，圖6為經(jīng)過透鏡聚焦后的光束，圖7為光束的能量分布。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，聚焦后的光束有超過95%的能量都集中在光束中心20 μm處，耦合效果良好。

圖6 聚焦后的光束Fig.6 Focused light

圖7 光束能量分布Fig.7 Energy distribution

4 光電轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

對于激光供電系統(tǒng)來說，其設(shè)計的核心是光電轉(zhuǎn)換模塊——也就是光電池的設(shè)計。GaAs因其光電轉(zhuǎn)換效率高、抗輻射性能好、可制成微型結(jié)構(gòu)等優(yōu)點而被廣泛使用[15-16]。目前，市場上的GaAs光電池一般是針對太陽光設(shè)計的，對于單色激光響應(yīng)較低，不適用于激光供電系統(tǒng)。為此，我們設(shè)計了一種與激光供電系統(tǒng)相匹配、轉(zhuǎn)化效率高的GaAs光電池。

4.1 光電池的設(shè)計及性能指標(biāo)

為了提高光電池的轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)光電池的微型化設(shè)計，我們采用有機金屬化學(xué)氣相沉積法(Metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)實現(xiàn)GaAs光電池的外延層生長[17]，其具體的制作流程包括背電極、Ge襯底、N型GaAs緩沖層、背電場層、N型GaAs基極層、P型GaAs發(fā)射層、窗口層、減反射層以及前電極，如圖8所示。

圖9為MOCVD系統(tǒng)外延層生長方法。鼓泡器內(nèi)裝有H2，氫化物氣體、有機金屬反應(yīng)源、摻雜源等有機反應(yīng)氣體在H2的作用下一同進入氣體混合系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)溫度升高到700 ℃時，有機氣體間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生GaAs，在Ge襯底上生長出外延層。

圖8 光電池的結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of PV cells

圖9 MOVCD外延層生長方法Fig.9 Growing method of MOVCD epitaxial layer

由于所設(shè)計的GaAs光電池電壓在1.2 V左右，不能滿足脈沖電場測試系統(tǒng)電壓(7 V)的要求。對此，我們采用6節(jié)電池串聯(lián)的方式來提高電壓，串聯(lián)方式采用扇形結(jié)構(gòu)，以耦合激光器所發(fā)出的圓形光斑，如圖10所示。

圖10 光電池實物Fig.10 Produced PV cells

為了驗證所設(shè)計的光電池性能，對其進行了性能測試。光電池主要性能指標(biāo)如表1。

表1 光電池主要性能指標(biāo)Tab.1 Performance indicators of PV cells

4.2 光纖與光電池的耦合設(shè)計

光纖與光電池的耦合效率是影響光電轉(zhuǎn)換效率的一個重要環(huán)節(jié)，最簡單的耦合方法是對準(zhǔn)直接耦合，但由于輸出激光的發(fā)散性，這使得在遠場區(qū)域(一般大于130 μm)[18]有部分光束無法照射到光電池表面，造成發(fā)散損耗。因此，采用直接耦合時，光電轉(zhuǎn)換效率較低，根據(jù)本實驗室的測量數(shù)據(jù)，在遠場區(qū)域，直接耦合的效率大約在21%左右。為了提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，我們設(shè)計了“光伏眼”結(jié)構(gòu)，其原理為：光電池放置在“光伏眼”內(nèi)部，部分入射光束可以直接照射到光電池表面，而發(fā)散的光束可以經(jīng)過反射到達光電池表面，這樣可以最大限度地降低發(fā)散損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。但這種球形的“光伏眼”也存在一些缺點:(1)光束反射的隨機性較大，多次反射導(dǎo)致光能損耗嚴(yán)重；(2)存在光束照射不到的死角[19-20]。為了解決該問題，我們對“光伏眼”進行了改進，將球形結(jié)構(gòu)變?yōu)闄E球形結(jié)構(gòu)(如圖11所示)。

圖11 改進的“光伏眼”結(jié)構(gòu)Fig.11 Improved structure of ‘PV eye’

圖11中，O1/O2為橢球體的兩個焦點，在O1位置，將橢球體截去，換成兩個帶反射鏡面的泡沫A。B為發(fā)散透鏡，材料選用K9玻璃，兩塊光電池背對背排列，激光束從O1位置射入，經(jīng)過透鏡B到達橢球面C上，經(jīng)過C的反射，匯聚在光電池O2處，以此來實現(xiàn)光纖與光電池的耦合。

為了驗證橢球形“光伏眼”的效果，在ZEMAX軟件中進行了仿真，仿真參數(shù)如下：光源為1 W擴展光源、入射孔徑為0.4 mm，波長為808 nm，角度選取為0°、±7.5°、±15°，其光路圖如圖12所示。

圖12 “光伏眼”中的光路圖Fig.12 Light path in ‘PV eye’

圖12為光電輸出光束進入“光伏眼”后的光路圖。可以看出，改進后的“光伏眼”能夠有效地減少光束的反射損耗，使得大部分光束能夠聚焦到O2位置。

5 實驗驗證

5.1 LD與光纖的耦合實驗

LD與光纖耦合實驗所用的器材包括波長為808 nm的半導(dǎo)體激光器、D型透鏡和焦距為10 mm的凸透鏡(分別實現(xiàn)光束的準(zhǔn)直和聚焦)、激光功率計，實驗原理如圖13所示。

通過調(diào)節(jié)LD來輸出不同大小的電流，記錄所對應(yīng)的激光功率計1和2的數(shù)據(jù)，得到表2。

圖13 LD與光纖耦合實驗原理圖Fig.13 Coupling experiment schematic diagram of LD and laser

表2 透鏡耦合效率Tab.2 Efficiency of lens coupling

從表2中可以看出，經(jīng)過透鏡整形聚焦后，LD與光纖的耦合效率可達80%以上，遠遠高出直接耦合時的16%，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 光纖與光電池的耦合實驗

光纖與光電池耦合實驗使用的器材包括波長為808 nm的半導(dǎo)體激光器、D型透鏡和焦距為10 mm的凸透鏡(分別實現(xiàn)光束的準(zhǔn)直和聚焦)、激光功率計、橢球形“光伏眼”、2 kΩ電位器。實驗原理圖如圖14所示。圖15為測試系統(tǒng)實物圖。

圖14 光纖與光電池耦合實驗原理圖Fig.14 Coupling experiment schematic diagram of laser and PV cell

圖15 測試系統(tǒng)實物圖Fig.15 Physical device of testing system

實驗步驟：

(1)按照圖中結(jié)構(gòu)將實驗器材連接。

(2)調(diào)節(jié)LD，使光功率輸出達到600 W，緩慢調(diào)節(jié)電位器，記錄光電池的輸出電壓V和電流I，并計算輸出功率P。

(3)將圖中的“光伏眼”移除，使光纖與光電池直接耦合，重復(fù)步驟2。

(4)根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)繪制直接耦合和使用“光伏眼”時的V-I圖和V-P圖。

從圖16、17中可以看出，使用“光伏眼”結(jié)構(gòu)后，光電池的輸出電壓和輸出電流有了明顯提升，系統(tǒng)的輸出功率從原來的156 mW提升至241 mW， 提高了54.5%，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率達到40%以上。

圖16 直接耦合時的V-I和V-P圖Fig.16 V-I and V-P of direct coupling

圖17 使用“光伏眼”后的V-I和V-P圖Fig.17 V-I and V-P after using ‘PV eye’

6 結(jié) 論

本文主要對脈沖電場測試時的供電問題過行了研究,通過設(shè)計一套激光供電系統(tǒng),解決了傳統(tǒng)電池供電時可持續(xù)時間受限的問題。主要結(jié)論如下：

(1)根據(jù)用電設(shè)備的需求，確定了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，選用多模光纖作為系統(tǒng)的傳輸光纖。

(2)設(shè)計了D型透鏡和凸透鏡對LD的輸出光束進行準(zhǔn)直聚焦，整形后的LD與光纖的耦合效率可達80%以上，遠遠超過直接耦合時的效率。

(3)通過MOCVD實現(xiàn)光電池的制作，并對傳統(tǒng)的球形“光伏眼”進行改進，通過ZEMAX對其進行仿真驗證。

(4)對所制作的橢球形“光伏眼”進行實驗驗證。實驗結(jié)果表明，橢球形“光伏眼”相比直接耦合時效率提高了54.5%，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率可達40%以上。