基于濕簧繼電器的外加電信號對激光光波控制的新方案

摘要：設計了一種利用濕簧繼電器和外加信號源對光波控制的新方案，可以通過(guò)信號源控制激光光波輸出的波形，波形周期等參數，提出了一種濕簧繼電器的新的應用。實(shí)現了一種利用交流信號源對光路進(jìn)行控制的新方法，并且具有驅動(dòng)電壓較低，穩定性較高，普遍適用等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：濕簧繼電器；水銀；準直器

O 引言
舌簧繼電器是一種電子控制器件，通常應用于自動(dòng)控制電路中。它是利用密封在管內，具有觸點(diǎn)簧片和銜鐵磁路雙重作用的舌簧的動(dòng)作來(lái)開(kāi)，閉或轉換線(xiàn)路的繼電器。濕簧繼電器是將舌簧片和觸點(diǎn)均密封在管內，并通過(guò)管底水銀槽中水銀的毛細作用，而使水銀膜濕潤觸點(diǎn)的舌簧繼電器。本文將濕簧繼電器應用于激光控制領(lǐng)域，對于濕簧繼電器本身來(lái)說(shuō)是一種新的應用與設計。對于激光光波的控制，它作為一種中間媒質(zhì)建立外部電信號與激光光波的控制關(guān)系，實(shí)現了對激光波形，波形周期的控制，該方案在激光光源外進(jìn)行控制，對激光本身的特性沒(méi)有影響，可以減少激光的失真度，并且對光源的要求限制很少，使實(shí)驗方案具有普遍靈活性。同時(shí)也具有穩定性高，輸出波形不易發(fā)生畸變，驅動(dòng)功率低等優(yōu)點(diǎn)。
利用電信號對激光光波進(jìn)行控制的方法，多是利用某些晶體材料在外加電場(chǎng)作用下折射率發(fā)生變化的電光效應，此種方法的主要問(wèn)題是需要較高的驅動(dòng)功率，穩定性較差，光波容易發(fā)生畸變等。而濕簧繼電器具有觸點(diǎn)無(wú)抖動(dòng)，長(cháng)期穩定等優(yōu)點(diǎn)，使本設計系統具有較高的穩定性，而作為觸點(diǎn)的舌簧片被封結在沖有氮氣玻璃管內，也使得設計有較好的溫度穩定性。且可以得到較好的輸出波形，結構簡(jiǎn)單，成本低廉，易于實(shí)現。

1 濕簧繼電器基本工作原理
濕簧繼電器是一種電子控制器件，它由濕簧管和驅動(dòng)線(xiàn)圈組成，結構如圖1，

濕簧管是濕簧繼電器的核心，它充有一定量的水銀，依靠動(dòng)簧片的毛細管作用，可使處于濕簧管下端的水銀上升，從而使動(dòng)，靜觸點(diǎn)被水銀膜潤濕。當在線(xiàn)圈兩端加上一定的電壓，線(xiàn)圈中就會(huì )流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應，動(dòng)簧片就會(huì )在電磁力吸引的作用下吸向靜簧片，從而使動(dòng)簧片與靜簧片吸合。當線(xiàn)圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，動(dòng)簧片就會(huì )返回原來(lái)的位置，使動(dòng)簧片與靜簧片分開(kāi)。
在本實(shí)驗中，使激光光路對準在靜簧片右側面，因為濕簧繼電器中的水銀依靠動(dòng)簧片的毛細管作用上升，當動(dòng)簧片運動(dòng)至靜簧片右側與他接觸時(shí)是通過(guò)動(dòng)簧片上的水銀與靜簧片接觸，將光斑對準在靜簧片的右側可以使得光控制速度較快，并且通過(guò)附著(zhù)在動(dòng)簧片上的水銀珠來(lái)?yè)踝」饴?，以得到較大的消光比。將激光對準在動(dòng)簧片右側時(shí)，濕簧繼電器結構如圖2所示。當線(xiàn)圈兩端不加電壓時(shí)，光路為開(kāi)的狀態(tài)。當線(xiàn)圈通有電壓時(shí)，由于動(dòng)簧片向靜簧片吸合，同時(shí)水銀由于毛細管作用上升至動(dòng)簧片與靜簧片的接觸點(diǎn)，使光路被遮擋住，光路為關(guān)的狀態(tài)。通過(guò)在線(xiàn)圈上加載信號，使光路處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而實(shí)現激光光波的控制。

2 實(shí)驗系統設計
2．1 對光光路的設計
本實(shí)驗系統需要通過(guò)準直器來(lái)完成對光路的調節，光纖準直器由尾纖與自聚焦透鏡精確定位而成。它可以將光纖內的傳輸光轉變成準直光，或將外界平行光耦合至單模光纖內。設計中，通過(guò)準直器將光斑定位于靜簧片的右側。準直器與濕簧繼電器整體實(shí)驗平臺實(shí)物如圖3，圖4所示，其中準直器可以通過(guò)旋鈕進(jìn)行高度，水平位置，水平角度等的調節，從而對光路進(jìn)行精密的調節，使得對光結果達到最好。同時(shí)，將濕簧繼電器固定在可調的平臺上，該平臺也可以進(jìn)行高度，水平位置，水平角度等的調節，以使得對光路的調節更為方便精密。
在對光時(shí)，為了便于對光可以選擇紅光激光源進(jìn)行粗調，之后可以選擇其他任意激光源，這使本設計方案對光源的要求限制較少，體現了實(shí)驗方案的靈活性與普遍性。通過(guò)準直器和放置濕簧繼電器的平臺上的微調旋鈕進(jìn)行微調。調節過(guò)程中，通過(guò)功率計對光路中各部分的光功率進(jìn)行測量以完成光路的調節。在本實(shí)驗中選擇1 550nm波長(cháng)激光源進(jìn)行結果測量。
線(xiàn)圈上加載信號源來(lái)對光路進(jìn)行控制。所用驅動(dòng)電壓為3V左右即可，使用交流脈沖信號源對光路進(jìn)行控制，可以改變交流脈沖源的頻率來(lái)對激光輸出光波形，激光光波周期的進(jìn)行控制。
2．2 實(shí)驗整體系統的設計
實(shí)驗系統如圖5所示，選擇穩定的1550nm波長(cháng)激光源作為光源，通過(guò)準直器對光路，使得激光輸出光對準在靜簧片右側面，通過(guò)另一個(gè)準直器接收通過(guò)濕簧繼電器的光，在準直器輸出端加入光放大器，以使得輸出光便于在示波器上觀(guān)察。將光放大器輸出光接入帶有光口的示波器進(jìn)行探測，實(shí)驗系統中所選用的示波器為HP83430A。使用交流信號源對濕簧繼電器的進(jìn)行控制，將交流脈沖信號源加載到濕簧繼電器的驅動(dòng)線(xiàn)圈兩端，以實(shí)現對濕簧繼電器簧片等的控制。同時(shí)將該交流脈沖信號源的同步時(shí)鐘輸入到示波器上，作為示波器的觸發(fā)時(shí)鐘，以使得示波器與控制信號源到達同步狀態(tài)?？刂菩盘栐礊镠P 813lA。

3 實(shí)驗結果分析
因為紅光激光源便于觀(guān)察，首先利用紅光激光源對光路進(jìn)行粗調，之后，利用1550nm波長(cháng)激光源作為本實(shí)驗的光源進(jìn)行進(jìn)一步的測量，1550nm波長(cháng)激光源的輸出光功率為4．01dBm，經(jīng)過(guò)對光后，當光路中沒(méi)有濕簧繼電器時(shí)，第二個(gè)準直器接收到的光功率為4．99dBm。當光路中加入濕簧繼電器后，對通過(guò)EDFA進(jìn)行放大后的接收光功率進(jìn)行測量，當濕簧繼電器的簧片沒(méi)有接通時(shí)，光路處于開(kāi)的狀態(tài)時(shí)，接收光功率為一8．43dBm， 當濕簧繼電器的簧片接通時(shí)，光路處于關(guān)的狀態(tài)時(shí)，接收光功率為一13．56dBm，消光比為5．1dB。
交流信號源為周期脈沖信號，觀(guān)察脈沖信號周期不同時(shí)，輸出激光波形，與周期的情況。當選擇的周期為3ms，驅動(dòng)電壓為3v時(shí)，將該信號加載到濕簧繼電器的驅動(dòng)線(xiàn)圈上，以控制濕簧繼電器簧片與水銀的運動(dòng)。當該信號加載到線(xiàn)圈后，通過(guò)該系統的光就被該交流信號源所控制。示波器上經(jīng)過(guò)信號源控制的波形如圖6所示，控制光周期為3ms，與交流信號源頻率相同，其中，上升時(shí)間為1．65ms，下降時(shí)間為1．35ms，光波幅度差為經(jīng)光電轉換后的1100uW。波形為近似正弦波形。這是因為上升時(shí)間與下降時(shí)間之和與信號源的周期相近，整個(gè)波形由上升沿和下降沿組成。

當交流信號源周期為40ms時(shí)，驅動(dòng)電壓為3v。示波器上經(jīng)過(guò)信號源控制的波形如圖7所示，控制光周期為40ms，與交流信號源頻率相同，其中，上升時(shí)間為1．3ms，下降時(shí)間為1．55ms，控制深度經(jīng)光電轉換后為890uW。波形為方波。周期為40ms．該輸出波形穩定，受外界影響較小，且波形較好，使用的驅動(dòng)電壓也較低，這也充分體現證實(shí)了該方案的優(yōu)點(diǎn)。
由以上結果可以分析得到，利用濕簧繼電器作為媒質(zhì)通過(guò)準直器對光后，可以實(shí)現外部電信號對激光光波形，周期的控制。波形可以為正弦波，方波等。當外加信號源周期為3ms時(shí)，可以得到正弦波，當外加信號大于3ms時(shí)，波形即為方波。激光光波的周期由信號源控制與信號源相同。

4 結 論
通過(guò)分析觀(guān)察濕簧繼電器的內部結構，利用濕簧繼電器簧片與水銀的運動(dòng)，形成對通過(guò)其中的光路進(jìn)行控制，由于濕簧繼電器是通過(guò)交流信號源控制的，所以此交流信號源也對光路進(jìn)行了控制，該控制方法具有較低的驅動(dòng)電壓，高的穩定性，和較好的溫度穩定性。同時(shí)對光源的要求限制很少，具有普遍適用性和靈活性。而其具備結構簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，對實(shí)驗的進(jìn)一步研究和產(chǎn)品的研發(fā)等具有很好的優(yōu)勢。同時(shí)，本文也是對濕簧繼電器的進(jìn)一步研究和應用。