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。實現了一種利用交流信號源對光路進行控制的新方法，并且具有驅動電壓較低，穩(wěn)定性較高，普遍適用等優(yōu)點。
關鍵詞：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，通常應用于自動控制電路中。它是利用密封在管內，具有觸點簧片和銜鐵磁路雙重作用的舌簧的動作來開，閉或轉換線路的繼電器。濕簧繼電器是將舌簧片和觸點均密封在管內，并通過管底水銀槽中水銀的毛細作用，而使水銀膜濕潤觸點的舌簧繼電器。本文將濕簧繼電器應用于激光控制領域，對于濕簧繼電器本身來說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建立外部電信號與激光光波的控制關系，實現了對激光波形，波形周期的控制，該方案在激光光源外進行控制，對激光本身的特性沒有影響，可以減少激光的失真度，并且對光源的要求限制很少，使實驗方案具有普遍靈活性。同時也具有穩(wěn)定性高，輸出波形不易發(fā)生畸變，驅動功率低等優(yōu)點。
利用電信號對激光光波進行控制的方法，多是利用某些晶體材料在外加電場作用下折射率發(fā)生變化的電光效應，此種方法的主要問題是需要較高的驅動功率，穩(wěn)定性較差，光波容易發(fā)生畸變等。而濕簧繼電器具有觸點無抖動，長期穩(wěn)定等優(yōu)點，使本設計系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，而作為觸點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(wěn)定性。且可以得到較好的輸出波形，結構簡單，成本低廉，易于實現。

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，它由濕簧管和驅動線圈組成，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，靜觸點被水銀膜潤濕。當在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，動簧片就會在電磁力吸引的作用下吸向靜簧片，從而使動簧片與靜簧片吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，動簧片就會返回原來的位置，使動簧片與靜簧片分開。
在本實驗中，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簧片的毛細管作用上升，當動簧片運動至靜簧片右側與他接觸時是通過動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，并且通過附著在動簧片上的水銀珠來擋住光路，以得到較大的消光比。將激光對準在動簧片右側時，濕簧繼電器結構如圖2所示。當線圈兩端不加電壓時，光路為開的狀態(tài)。當線圈通有電壓時，由于動簧片向靜簧片吸合，同時水銀由于毛細管作用上升至動簧片與靜簧片的接觸點，使光路被遮擋住，光路為關的狀態(tài)。通過在線圈上加載信號，使光路處于開關狀態(tài)，從而實現激光光波的控制。

2 實驗系統(tǒng)設計
2．1 對光光路的設計
本實驗系統(tǒng)需要通過準直器來完成對光路的調節(jié)，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驗平臺實物如圖3，圖4所示，其中準直器可以通過旋鈕進行高度，水平位置，水平角度等的調節(jié)，從而對光路進行精密的調節(jié)，使得對光結果達到最好。同時，將濕簧繼電器固定在可調的平臺上，該平臺也可以進行高度，水平位置，水平角度等的調節(jié)，以使得對光路的調節(jié)更為方便精密。
在對光時，為了便于對光可以選擇紅光激光源進行粗調，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，體現了實驗方案的靈活性與普遍性。通過準直器和放置濕簧繼電器的平臺上的微調旋鈕進行微調。調節(jié)過程中，通過功率計對光路中各部分的光功率進行測量以完成光路的調節(jié)。在本實驗中選擇1 550nm波長激光源進行結果測量。
線圈上加載信號源來對光路進行控制。所用驅動電壓為3V左右即可，使用交流脈沖信號源對光路進行控制，可以改變交流脈沖源的頻率來對激光輸出光波形，激光光波周期的進行控制。
2．2 實驗整體系統(tǒng)的設計
實驗系統(tǒng)如圖5所示，選擇穩(wěn)定的1550nm波長激光源作為光源，通過準直器對光路，使得激光輸出光對準在靜簧片右側面，通過另一個準直器接收通過濕簧繼電器的光，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察。將光放大器輸出光接入帶有光口的示波器進行探測，實驗系統(tǒng)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行控制，將交流脈沖信號源加載到濕簧繼電器的驅動線圈兩端，以實現對濕簧繼電器簧片等的控制。同時將該交流脈沖信號源的同步時鐘輸入到示波器上，作為示波器的觸發(fā)時鐘，以使得示波器與控制信號源到達同步狀態(tài)。控制信號源為HP 813lA。

3 實驗結果分析
因為紅光激光源便于觀察，首先利用紅光激光源對光路進行粗調，之后，利用1550nm波長激光源作為本實驗的光源進行進一步的測量，1550nm波長激光源的輸出光功率為4．01dBm，經過對光后，當光路中沒有濕簧繼電器時，第二個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EDFA進行放大后的接收光功率進行測量，當濕簧繼電器的簧片沒有接通時，光路處于開的狀態(tài)時，接收光功率為一8．43dBm， 當濕簧繼電器的簧片接通時，光路處于關的狀態(tài)時，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，觀察脈沖信號周期不同時，輸出激光波形，與周期的情況。當選擇的周期為3ms，驅動電壓為3v時，將該信號加載到濕簧繼電器的驅動線圈上，以控制濕簧繼電器簧片與水銀的運動。當該信號加載到線圈后，通過該系統(tǒng)的光就被該交流信號源所控制。示波器上經過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，上升時間為1．65ms，下降時間為1．35ms，光波幅度差為經光電轉換后的1100uW。波形為近似正弦波形。這是因為上升時間與下降時間之和與信號源的周期相近，整個波形由上升沿和下降沿組成。

當交流信號源周期為40ms時，驅動電壓為3v。示波器上經過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，上升時間為1．3ms，下降時間為1．55ms，控制深度經光電轉換后為890uW。波形為方波。周期為40ms．該輸出波形穩(wěn)定，受外界影響較小，且波形較好，使用的驅動電壓也較低，這也充分體現證實了該方案的優(yōu)點。
由以上結果可以分析得到，利用濕簧繼電器作為媒質通過準直器對光后，可以實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，可以得到正弦波，當外加信號大于3ms時，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
通過分析觀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，形成對通過其中的光路進行控制，由于濕簧繼電器是通過交流信號源控制的，所以此交流信號源也對光路進行了控制，該控制方法具有較低的驅動電壓，高的穩(wěn)定性，和較好的溫度穩(wěn)定性。同時對光源的要求限制很少，具有普遍適用性和靈活性。而其具備結構簡單，價格低廉等優(yōu)點，對實驗的進一步研究和產品的研發(fā)等具有很好的優(yōu)勢。同時，本文也是對濕簧繼電器的進一步研究和應用。