固體激光器的光泵浦系統(tǒng)

1、光電子技術(shù)光電子技術(shù)September 20042 3.1 惰性氣體放電燈惰性氣體放電燈 3.2 激光二極管激光二極管 3.3 聚光腔聚光腔 3.4 二極管激光泵浦耦合技術(shù)二極管激光泵浦耦合技術(shù)September 20043 3.1.1 惰性氣體燈的結(jié)構(gòu)與分類惰性氣體燈的結(jié)構(gòu)與分類 3.1.2 惰性氣體燈的放電過(guò)程惰性氣體燈的放電過(guò)程 3.1.3 惰性氣體燈的輸出特性及效率惰性氣體燈的輸出特性及效率 3.1.4 惰性氣體燈的技術(shù)參數(shù)及壽命惰性氣體燈的技術(shù)參數(shù)及壽命 3.1.5 惰性氣體燈的觸發(fā)和預(yù)燃惰性氣體燈的觸發(fā)和預(yù)燃 3.1.6 氙燈的充放電系統(tǒng)氙燈的充放電系統(tǒng)September 2004

2、4（1）分類）分類脈沖燈、連續(xù)燈脈沖氙燈：工作與較高電流密度下，以連續(xù)光譜為主。連續(xù)氪燈：電流密度較低，以線狀光譜為主。直管式、螺旋式September 20045管壁管壁電極電極接頭接頭氣體氣體September 20046 管壁管壁石英管優(yōu)點(diǎn)： 耐高溫 耐沖擊 耐強(qiáng)電流：電流密度104A/cm2 高透過(guò)率：白光的吸收系數(shù)0.002 缺點(diǎn)：紫外光的高透過(guò)率，破壞工作物質(zhì)，出現(xiàn)色心。 通過(guò)在石英中摻鈰（Ce），銪（Eu）轉(zhuǎn)換紫外光 為可見(jiàn)光。 September 20047 電極電極 材料鎢高熔點(diǎn)（3640），逸出功4.54eV釷鎢（鎢中摻入0.52%的氧化釷ThO2）逸出功2.7eV 形狀頭

3、部尖銳有利于放電，單電流大時(shí)易損壞，用于連續(xù)燈。平圓頭用于脈沖燈。 密封接頭密封接頭 過(guò)渡玻璃石英的線膨脹系數(shù)51071釷鎢的線膨脹系數(shù)461071 焊封September 20048 連續(xù)弧光燈連續(xù)弧光燈燈管內(nèi)惰性氣體可以工作在比較燈管內(nèi)惰性氣體可以工作在比較穩(wěn)定的弧光放電狀態(tài)穩(wěn)定的弧光放電狀態(tài) 脈沖燈脈沖燈燈管內(nèi)氣體工作在一個(gè)隨時(shí)間急劇變燈管內(nèi)氣體工作在一個(gè)隨時(shí)間急劇變化的放電過(guò)程中，發(fā)光猶如閃電，又稱閃光燈。化的放電過(guò)程中，發(fā)光猶如閃電，又稱閃光燈。 脈沖燈的伏安特性曲線脈沖燈的伏安特性曲線September 20049September 200410觸發(fā)段觸發(fā)段負(fù)阻段負(fù)阻段類穩(wěn)放電段類

4、穩(wěn)放電段消電離段消電離段September 200411 等離子體電阻系數(shù)等離子體電阻系數(shù)K 電阻率電阻率 等效電阻等效電阻12( ) jKj1112220224llK lRKjiK iSdd燈阻系數(shù)121.3K September 200412September 200413September 200414一、惰性氣體燈的輸出光譜一、惰性氣體燈的輸出光譜二、影響氣體燈輸出的主要因素二、影響氣體燈輸出的主要因素 1. 充氣種類 2. 充氣氣壓 3. 燈電流密度 4. 燈管內(nèi)徑 5. 放電寬度三、氙燈輻射光譜的擬合三、氙燈輻射光譜的擬合September 200415 氣體燈的光輻射由強(qiáng)烈加寬的

5、線狀光譜和連續(xù)譜氣體燈的光輻射由強(qiáng)烈加寬的線狀光譜和連續(xù)譜疊加而成。疊加而成。 線狀光譜對(duì)應(yīng)于受激原子或離子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)線狀光譜對(duì)應(yīng)于受激原子或離子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)的輻射躍遷。高溫下的碰撞，使特征譜線強(qiáng)烈加的輻射躍遷。高溫下的碰撞，使特征譜線強(qiáng)烈加寬。寬。 連續(xù)譜對(duì)應(yīng)于自由電子和正離子的空間復(fù)合及電連續(xù)譜對(duì)應(yīng)于自由電子和正離子的空間復(fù)合及電子、離子碰撞而產(chǎn)生的韌致輻射。子、離子碰撞而產(chǎn)生的韌致輻射。September 200416 1. 充氣種類的影響充氣種類的影響原子量大每次碰撞的平均能量轉(zhuǎn)移多。原子電離電位低，電離度大。相同氣壓和放電條件下，連續(xù)譜的成分和總輻射量高例如：Xe的原子序數(shù)54

6、，Kr的原子序數(shù)36氙燈的連續(xù)譜和總能量高于氪燈。對(duì)于Vc1200V，C250uF，P600mmhg，d5mm，l70mm。氙燈與氪燈效率之比為：100/55。September 200417 充氣壓增高，效率提高充氣壓增高，效率提高 高充氣壓不易觸發(fā)高充氣壓不易觸發(fā) 高充氣壓燈，在觸發(fā)時(shí)對(duì)燈管的沖擊大。高充氣壓燈，在觸發(fā)時(shí)對(duì)燈管的沖擊大。September 200418 燈電流密度燈電流密度增高增高線狀譜和連續(xù)譜都增加。連續(xù)譜增長(zhǎng)比線狀譜快短波部分增長(zhǎng)比長(zhǎng)波快September 200419September 200420September 200421 最佳管徑（最大電光轉(zhuǎn)換率）總是對(duì)應(yīng)幾

7、乎最佳管徑（最大電光轉(zhuǎn)換率）總是對(duì)應(yīng)幾乎恒定的峰值電流密度恒定的峰值電流密度2500A/cm2。直徑大，電弧無(wú)法充滿管徑，熱中心氣體密度低。直徑大，放電充滿橫截面時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于短脈沖泵浦，未完全電離，輸入功率已經(jīng)下降，造成效率低。直徑小，管壁損失，效率降低。September 200422 脈沖寬度過(guò)短，大部分能量用于電離，效率低。脈沖寬度過(guò)短，大部分能量用于電離，效率低。 脈沖時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電流密度下降，效率降低。脈沖時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電流密度下降，效率降低。 最佳脈寬選擇原則最佳脈寬選擇原則脈寬短，可以減少自發(fā)輻射的影響，一般脈寬小于激光介質(zhì)的熒光壽命。脈寬過(guò)長(zhǎng)，電流密度下降，發(fā)光效率低，自發(fā)輻射嚴(yán)重。

8、能量越大，脈寬越長(zhǎng)，保證接近最佳電流密度。September 200423( )()( , )( )( , )1( , )BB lBBI T IT I T eIT 基爾霍夫定律：基爾霍夫定律：, ,2521( , )1BBhc kThcIT e待求待求September 2004240.180.0920.0179300Tjdp電流密度電流密度（KAcm2）氙燈氙燈直徑直徑（cm）絕對(duì)溫度絕對(duì)溫度充氣壓強(qiáng)充氣壓強(qiáng)（千分之一大氣（千分之一大氣壓壓1.33E2Pa）September 200425( )( )( )( , , )cl M j d p2( , , )exp(1.57ln0.071ln0

9、.19ln0.46ln )M j d pjjdp寬帶連續(xù)譜寬帶連續(xù)譜分立譜分立譜September 20042622121212exp () exp () c2.37E-2cm-11.5E-3cm-10.330um0.700um0.140um0.300um2001( ,)lnnnn g 見(jiàn)見(jiàn)P62September 200427( , )( , ) ( ), BBI T IT F d9131,5.0( )11( ) ,5.0nnnnnna xxF xcxx見(jiàn)見(jiàn)P62對(duì)角度平均的輻對(duì)角度平均的輻射函數(shù)射函數(shù)Trenholme-Emmett 擴(kuò)展多項(xiàng)式擴(kuò)展多項(xiàng)式September 200428d=

10、15mmp=4.05E4PaPin=20.1KWcm-29200KSeptember 20042920.958exp(1.11ln0.094ln0.60ln0.080ln)irPjjdpoutuvvisirPPPP2.071.310.20.174uvPjdp0( , )visPI T SdSeptember 200430 著火電壓著火電壓 自閃電壓自閃電壓 觸發(fā)電壓觸發(fā)電壓 極限負(fù)載能力極限負(fù)載能力 工作壽命工作壽命September 200431September 200432 充氣電壓充氣電壓 電極形狀和材料電極形狀和材料 形狀電極尖，電壓低。 材料電極材料電荷發(fā)射性好，電壓低。 氣體純度

11、氣體純度 少量雜質(zhì)氣體可使電壓顯著增加。 電極和管壁濺射，降低氣體純度。 觸發(fā)強(qiáng)度觸發(fā)強(qiáng)度 觸發(fā)電壓，觸發(fā)頻率，觸發(fā)方式（內(nèi)，外）0VVklp火火極間距充氣壓September 200433 燈的失效燈的失效破壞性爆炸，破損非破壞性輸出能量，平均功率逐步減小 失效原因失效原因高溫作用內(nèi)壁熔化，蒸發(fā)，重新凝聚在管壁上，形成白色沉淀。電極濺射，在管壁形成黑色沉淀接頭裂縫，漏氣沖擊波等離子體的雪崩擴(kuò)張，產(chǎn)生沖擊波，沖擊波強(qiáng)度正比于輸入功率，且隨燈壓增高而增大，當(dāng)沖擊波超出管壁極限時(shí)引起燈管爆炸。September 20043441.2 10expEld t8.5()exinEE壽命壽命單位單位s單位

12、單位cmSeptember 200435 液冷下石英管散熱功率液冷下石英管散熱功率最大300400Wcm2保守值使用值50100Wcm2September 200436內(nèi)徑內(nèi)徑d極間距極間距l(xiāng) l燈阻系數(shù)燈阻系數(shù)K0最大平最大平均功率均功率最大最大峰值峰值電流電流工作電壓工作電壓最小觸發(fā)電最小觸發(fā)電壓壓7mm150mm 28.5A1/26597W1400A 9003150V18KV,1.2us某廠家脈沖氙燈參數(shù)如下：某廠家脈沖氙燈參數(shù)如下：試計(jì)算，當(dāng)閃光時(shí)間試計(jì)算，當(dāng)閃光時(shí)間tp1.6ms，輸入能量，輸入能量Ein1KJ時(shí)，燈壽時(shí)，燈壽命和最高重復(fù)頻率？命和最高重復(fù)頻率？September 2

13、00437內(nèi)觸發(fā)內(nèi)觸發(fā)September 200438September 200439September 200440September 200441September 200442September 200443 一、充電電路一、充電電路電阻限流諧振充電開(kāi)關(guān)電源 二、放電電路二、放電電路純電容放電單網(wǎng)孔脈沖成形網(wǎng)絡(luò)仿真線脈沖成形網(wǎng)絡(luò)斬波電路September 20044400(1),tctVVeRCVieR220012RWi RdtCVSeptember 20044500tdiLRiidtVdt220d idiiLRdtdtC210LRC2221 202124RRLLLC ，特征根:特征根:

14、01LC2RL1212( ) t ti tC eC e通解：通解：September 2004460(1)2LRC0(2)2LRC0(3)2LRC過(guò)阻尼過(guò)阻尼臨界阻尼臨界阻尼衰減振蕩衰減振蕩September 200447電容電壓電容電壓充電電流充電電流衰減振蕩衰減振蕩臨界臨界過(guò)阻尼過(guò)阻尼衰減振蕩衰減振蕩臨界臨界過(guò)阻尼過(guò)阻尼September 20044802201,2,ddCj L L當(dāng)R 2當(dāng)R 50usSeptember 200457 峰值電流：峰值電流： 純電容放電的特點(diǎn)：純電容放電的特點(diǎn)：放電電流和功率上升快，峰值高，對(duì)燈沖擊大放電脈沖窄，放電時(shí)間正比于電容衰減曲線尾部時(shí)間長(zhǎng)，光能利

15、用率低2200(0),(0)CCmeqCVKVii tRKiV忽略放電上升時(shí)間忽略放電上升時(shí)間September 20045812001tCdiLK iiidtVdtC歸一化歸一化歸一化方程歸一化方程0000NCCLzTLCCizKtITVV z1201NNNdIII dd120RK iSeptember 20045920( )NCP tPVzSeptember 200460一般給定輸入能量，閃光時(shí)間，燈參數(shù)，取=0.8 求：L，C，Vc1423402()inE TCK212inCECVTLC02.2TT閃光時(shí)間閃光時(shí)間September 200461給定：輸入能量給定：輸入能量Ein=100

16、j，閃光時(shí)間，閃光時(shí)間T0=100us，=0.8，氙燈，氙燈560mm2，K=1.3A1/2求：充電電壓求：充電電壓Vc，電感，電感L，電容，電容C。解：解：C=140uF Vc=1200V L=15uh對(duì)于對(duì)于Vc=1600V， 0.7，可以接受，可以接受September 200462September 2004630iiLzC1143200()LiinRK iK T E320iniPK iEPT燈阻燈阻特征阻抗特征阻抗September 2004640()2iLiiTzR Cn LC匹配條件下：匹配條件下：02.12iiiiiTn LCTn LC實(shí)驗(yàn)結(jié)論：實(shí)驗(yàn)結(jié)論：212inicEnCV

17、輸入能量與電壓關(guān)系：輸入能量與電壓關(guān)系：September 200465給定輸入能量，閃光時(shí)間，氙燈參數(shù)，仿真線節(jié)數(shù)n，求：Li，Ci和Vc140300120()224()iLiniLiLinLCK TRELR TnTCnRE RVTSeptember 200466多層纏法多層纏法單層纏法單層纏法220.083910D NLDbc220.010.44D NLlDD，b，c：厘米：厘米N：匝數(shù)，：匝數(shù)，L：uhSeptember 200467September 200468September 200469一脈沖氙燈一脈沖氙燈7.580mm2，峰值放電電流，峰值放電電流2000A，等離子，等離子體

18、電阻系數(shù)體電阻系數(shù)K1.13A1/2。求：氙燈的等效電阻求：氙燈的等效電阻Req和燈阻系數(shù)和燈阻系數(shù)K0？電容，電感氙燈放電電路中，氙燈電容，電感氙燈放電電路中，氙燈880mm2， K1.13A1/2，閃光時(shí)間，閃光時(shí)間T00.23ms，電容儲(chǔ)能，電容儲(chǔ)能Ein=144j，阻尼系數(shù)，阻尼系數(shù)=0.8求：電感求：電感L，電容，電容C和充電電壓和充電電壓Vc？September 200470 一、概述一、概述 二、基本結(jié)構(gòu)二、基本結(jié)構(gòu) 三、二極管線陣和陣列條三、二極管線陣和陣列條 四、二維面陣四、二維面陣 五、光譜特性五、光譜特性September 200471 光譜窄，與工作物質(zhì)吸收帶匹配可提高

19、效率，減輕熱效應(yīng)光譜窄，與工作物質(zhì)吸收帶匹配可提高效率，減輕熱效應(yīng) 結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)構(gòu)緊湊 壽命長(zhǎng)，連續(xù)壽命長(zhǎng)，連續(xù)10E4h，脈沖，脈沖10E9次次 波長(zhǎng)波長(zhǎng) 630680nm AlGaInP 770990nm GaAlAs 9001000nm InGaAs 模塊化模塊化 價(jià)格高價(jià)格高September 200472September 200473September 200474September 200475September 200476September 200477September 200478September 200479September 200480September 20048

20、1 一、泵浦方式一、泵浦方式1、端面泵浦2、側(cè)面泵浦3、基于內(nèi)反射的泵浦構(gòu)型 二、耦合光學(xué)系統(tǒng)二、耦合光學(xué)系統(tǒng)September 200482September 200483September 200484September 200485September 200486September 200487September 200488September 200489September 200490 一、聚光腔類型一、聚光腔類型 二、聚光腔材料選擇二、聚光腔材料選擇 三、聚光腔反射表面選擇三、聚光腔反射表面選擇 四、聚光效率四、聚光效率 五、泵浦光在激光棒內(nèi)分布五、泵浦光在激光棒內(nèi)分布Septem

21、ber 200491 保證泵浦光最大限度地為工作物質(zhì)吸收保證泵浦光最大限度地為工作物質(zhì)吸收 冷卻液通道冷卻液通道 燈棒等的固定場(chǎng)所燈棒等的固定場(chǎng)所September 200492September 200493September 200494September 200495September 200496September 200497 金屬金屬鋁輕型系統(tǒng)銅熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱率高不銹鋼不生銹，光潔度高，熱導(dǎo)率低 玻璃玻璃易碎，導(dǎo)熱性差，不生銹，耐腐蝕 陶瓷陶瓷易碎，導(dǎo)熱性差，不生銹，耐腐蝕September 200498 金屬金屬 多層介質(zhì)膜多層介質(zhì)膜 陶瓷陶瓷 漫反射粉末漫反射粉末Septe

22、mber 200499September 2004100 單橢圓柱腔的聚光效率單橢圓柱腔的聚光效率copge(1)(1)(1)opwrcrrf聚光效率：聚光效率：光學(xué)效率光學(xué)效率幾何傳幾何傳輸效率輸效率光譜帶上光譜帶上的反射率的反射率棒和冷卻管棒和冷卻管上的反射率上的反射率非反射面非反射面積比例積比例濾光玻璃，冷濾光玻璃，冷卻液的吸收卻液的吸收September 2004101 幾點(diǎn)假設(shè)幾點(diǎn)假設(shè)1. 燈在圓截面上對(duì)稱均勻發(fā)光2. 不考慮軸向傾斜光線3. 只考慮一次反射光線，焦點(diǎn)上泵浦4. 不考慮直接照射，遮擋，忽略反射損耗5. 燈作為黑體對(duì)待September 2004102RrRlLrLl2a2b2cSeptember 2004103LrLr()RLLLlrrlRlLlSeptember 2004104P0LRrr00September 2004105LRrr1p P200September 2004106LRrr1RRLpLLRrr lrr lP10September 200410700020001(2 )11gepppRLLRE dE d dr ldr l待求待求Sep