基于舌簧继电器和电信号实现激光光波控制系统的设计

引言

舌簧继电器是一种电子控制器件，通常应用于自动控制电路中。它是利用密封在管内，具有触点簧片和衔铁磁路双重作用的舌簧的动作来开，闭或转换线路的继电器。湿簧继电器是将舌簧片和触点均密封在管内，并通过管底水银槽中水银的毛细作用，而使水银膜湿润触点的舌簧继电器。本文将湿簧继电器应用于激光控制领域，对于湿簧继电器本身来说是一种新的应用与设计。对于激光光波的控制，它作为一种中间媒质建立外部电信号与激光光波的控制关系，实现了对激光波形，波形周期的控制，该方案在激光光源外进行控制，对激光本身的特性没有影响，可以减少激光的失真度，并且对光源的要求限制很少，使实验方案具有普遍灵活性。同时也具有稳定性高，输出波形不易发生畸变，驱动功率低等优点。

利用电信号对激光光波进行控制的方法，多是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的电光效应，此种方法的主要问题是需要较高的驱动功率，稳定性较差，光波容易发生畸变等。而湿簧继电器具有触点无抖动，长期稳定等优点，使本设计系统具有较高的稳定性，而作为触点的舌簧片被封结在冲有氮气玻璃管内，也使得设计有较好的温度稳定性。且可以得到较好的输出波形，结构简单，成本低廉，易于实现。

1、 湿簧继电器基本工作原理

湿簧继电器是一种电子控制器件，它由湿簧管和驱动线圈组成，结构如图1，

湿簧管是湿簧继电器的核心，它充有一定量的水银，依靠动簧片的毛细管作用，可使处于湿簧管下端的水银上升，从而使动，静触点被水银膜润湿。当在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，动簧片就会在电磁力吸引的作用下吸向静簧片，从而使动簧片与静簧片吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，动簧片就会返回原来的位置，使动簧片与静簧片分开。

在本实验中，使激光光路对准在静簧片右侧面，因为湿簧继电器中的水银依靠动簧片的毛细管作用上升，当动簧片运动至静簧片右侧与他接触时是通过动簧片上的水银与静簧片接触，将光斑对准在静簧片的右侧可以使得光控制速度较快，并且通过附着在动簧片上的水银珠来挡住光路，以得到较大的消光比。将激光对准在动簧片右侧时，湿簧继电器结构如图2所示。当线圈两端不加电压时，光路为开的状态。当线圈通有电压时，由于动簧片向静簧片吸合，同时水银由于毛细管作用上升至动簧片与静簧片的接触点，使光路被遮挡住，光路为关的状态。通过在线圈上加载信号，使光路处于开关状态，从而实现激光光波的控制。

2、 实验系统设计

2．1 对光光路的设计

本实验系统需要通过准直器来完成对光路的调节，光纤准直器由尾纤与自聚焦透镜精确定位而成。它可以将光纤内的传输光转变成准直光，或将外界平行光耦合至单模光纤内。设计中，通过准直器将光斑定位于静簧片的右侧。准直器与湿簧继电器整体实验平台实物如图3，图4所示，其中准直器可以通过旋钮进行高度，水平位置，水平角度等的调节，从而对光路进行精密的调节，使得对光结果达到最好。同时，将湿簧继电器固定在可调的平台上，该平台也可以进行高度，水平位置，水平角度等的调节，以使得对光路的调节更为方便精密。

在对光时，为了便于对光可以选择红光激光源进行粗调，之后可以选择其他任意激光源，这使本设计方案对光源的要求限制较少，体现了实验方案的灵活性与普遍性。通过准直器和放置湿簧继电器的平台上的微调旋钮进行微调。调节过程中，通过功率计对光路中各部分的光功率进行测量以完成光路的调节。在本实验中选择1 550nm波长激光源进行结果测量。

线圈上加载信号源来对光路进行控制。所用驱动电压为3V左右即可，使用交流脉冲信号源对光路进行控制，可以改变交流脉冲源的频率来对激光输出光波形，激光光波周期的进行控制。

2．2 实验整体系统的设计

实验系统如图5所示，选择稳定的1550nm波长激光源作为光源，通过准直器对光路，使得激光输出光对准在静簧片右侧面，通过另一个准直器接收通过湿簧继电器的光，在准直器输出端加入光放大器，以使得输出光便于在示波器上观察。将光放大器输出光接入带有光口的示波器进行探测，实验系统中所选用的示波器为HP83430A。使用交流信号源对湿簧继电器的进行控制，将交流脉冲信号源加载到湿簧继电器的驱动线圈两端，以实现对湿簧继电器簧片等的控制。同时将该交流脉冲信号源的同步时钟输入到示波器上，作为示波器的触发时钟，以使得示波器与控制信号源到达同步状态。控制信号源为HP 813lA。

3 、实验结果分析

因为红光激光源便于观察，首先利用红光激光源对光路进行粗调，之后，利用1550nm波长激光源作为本实验的光源进行进一步的测量，1550nm波长激光源的输出光功率为4．01dBm，经过对光后，当光路中没有湿簧继电器时，第二个准直器接收到的光功率为4．99dBm。当光路中加入湿簧继电器后，对通过EDFA进行放大后的接收光功率进行测量，当湿簧继电器的簧片没有接通时，光路处于开的状态时，接收光功率为一8．43dBm， 当湿簧继电器的簧片接通时，光路处于关的状态时，接收光功率为一13．56dBm，消光比为5．1dB。

交流信号源为周期脉冲信号，观察脉冲信号周期不同时，输出激光波形，与周期的情况。当选择的周期为3ms，驱动电压为3v时，将该信号加载到湿簧继电器的驱动线圈上，以控制湿簧继电器簧片与水银的运动。当该信号加载到线圈后，通过该系统的光就被该交流信号源所控制。示波器上经过信号源控制的波形如图6所示，控制光周期为3ms，与交流信号源频率相同，其中，上升时间为1．65ms，下降时间为1．35ms，光波幅度差为经光电转换后的1100uW。波形为近似正弦波形。这是因为上升时间与下降时间之和与信号源的周期相近，整个波形由上升沿和下降沿组成。

当交流信号源周期为40ms时，驱动电压为3v。示波器上经过信号源控制的波形如图7所示，控制光周期为40ms，与交流信号源频率相同，其中，上升时间为1．3ms，下降时间为1．55ms，控制深度经光电转换后为890uW。波形为方波。周期为40ms．该输出波形稳定，受外界影响较小，且波形较好，使用的驱动电压也较低，这也充分体现证实了该方案的优点。

由以上结果可以分析得到，利用湿簧继电器作为媒质通过准直器对光后，可以实现外部电信号对激光光波形，周期的控制。波形可以为正弦波，方波等。当外加信号源周期为3ms时，可以得到正弦波，当外加信号大于3ms时，波形即为方波。激光光波的周期由信号源控制与信号源相同。

4 、结 论

通过分析观察湿簧继电器的内部结构，利用湿簧继电器簧片与水银的运动，形成对通过其中的光路进行控制，由于湿簧继电器是通过交流信号源控制的，所以此交流信号源也对光路进行了控制，该控制方法具有较低的驱动电压，高的稳定性，和较好的温度稳定性。同时对光源的要求限制很少，具有普遍适用性和灵活性。而其具备结构简单，价格低廉等优点，对实验的进一步研究和产品的研发等具有很好的优势。同时，本文也是对湿簧继电器的进一步研究和应用。

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