實驗報告-調(diào)Q YAG激光器實驗

1、實驗報告調(diào)QYAG激光器實驗實驗時間：2017.03.07一、實驗?zāi)康?、掌握Nd3+:YAG激光器的工作原理2、學(xué)習(xí)并掌握Nd3+:YAG激光器調(diào)整技術(shù)3、學(xué)習(xí)聲光調(diào)QNd3+:YAG激光器的工作原理4、掌握聲光調(diào)Q實驗技術(shù)，學(xué)習(xí)nm量級激光脈沖測量方法5、學(xué)習(xí)腔外倍頻實驗技術(shù)二、實驗原理摻釹釔鋁石榴石摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)是一種典型的四能級激光工作物質(zhì)，由于它的熱傳導(dǎo)性好;激光閾值低和轉(zhuǎn)換效率高，所以用它可作成連續(xù)激光器和高重復(fù)頻率的脈沖激光器。YAG激光器可輸出幾種波長，其中最強(qiáng)的為1.06um0如果采用調(diào)Q、倍頻技術(shù)，則可獲得波長為532nm的脈沖激光。這種以Nd3+:YA

2、G激光器為基礎(chǔ)的脈沖激光系統(tǒng)以其高峰值功率、高重復(fù)頻率和寬波長調(diào)諧特性等優(yōu)點而得到了廣泛的應(yīng)用。2.YAG激光器的結(jié)構(gòu)圖1為典型的Nd3+:YAG激光器示意圖。其中包括YAG棒；泵浦燈(連續(xù)運轉(zhuǎn)的氪燈兩個)；Q開關(guān)和光學(xué)諧振腔。圏2雙橢圓主面反光褫堿面圖m2ml圖1除型的Nd3_:YAG激光器示意圖YAG晶體棒Nd3+:YAG激光器的工作物質(zhì)是一種人工晶體，它的基質(zhì)是釔(Y)鋁(AI)石榴石(G),其分子式為YA1O。晶體在高溫的過程中摻入氧化釹，用提拉法制成。釹就以三價正3512離子的形式存在于YAG的晶格中，摻釹量約為1%。通常Nd3+:YAG晶體被加工成6mmX100mm左右的圓棒狀，兩

3、端磨成光學(xué)平面，平面的法線與棒軸有一個小夾角，面上鍍有增透膜，能承受高的功率密度，棒的側(cè)面全部“打毛”，以防止寄生振蕩。激勵泵浦源YAG激光器可用多種光源作為激勵泵浦源，連續(xù)YAG激光器常用氪燈和碘鎢燈為泵浦源，脈沖YAG激光器常用脈沖氙燈為泵浦源。因為這些燈的輻射光譜與YAG棒晶體的吸收光譜匹配較好。如圖1所示，泵浦用的氪燈做成和YAG棒長度相近的直管形，以便達(dá)到最佳的耦合。兩氪燈串聯(lián)后，外接直流電源。聚光腔為了有效地利用燈的光能，把YAG棒和燈放在一個內(nèi)壁鍍金的空心雙橢圓柱面聚光腔中。棒占據(jù)雙橢圓柱面腔的中心焦線，兩燈各占雙橢圓柱面腔的一根焦線上。圖2表示了這一結(jié)構(gòu)的橫截面，不難想象，氪燈

4、發(fā)出的光通過雙橢圓柱面鏡的反射，理論上百分之百到達(dá)YAG棒上。在此類激光器中，加到氪燈上的電能只有少量轉(zhuǎn)變成激光能量，其余都變成熱能，所以燈和棒都需要散熱和冷卻。為此，用石英玻璃管分別套上燈和棒，并在腔內(nèi)通入流動的水，以帶走其釋放出來的熱能。對YAG棒加以密封能夠濾去紫外光，防止YAG棒由于紫外光的照射而使其性能逐漸退化。諧振腔光學(xué)諧振腔是激光器的重要組成部分。它有兩個方面的作用：提供光學(xué)反饋作用。這是腔內(nèi)建立和維持激光振蕩不可少的。它取決于組成腔的兩個反射鏡的反射率；反射鏡的幾何形狀及其尺寸。上述因素的改變都會引起光反饋的變化，即引起腔內(nèi)損耗的變化；對實際振蕩光束的限制作用。即控制激光器的特

5、性；光束橫向分布，光斑大小，光束發(fā)散角及諧振頻率。本實驗采用平行平面腔，平鏡Ml為全反鏡，平面鏡M2為輸出鏡。兩個腔鏡分別裝在兩個精密的光學(xué)調(diào)整架上，仔細(xì)調(diào)節(jié)可以使腔鏡準(zhǔn)直并與YAG棒同軸。當(dāng)平面腔反射鏡不嚴(yán)格平行時，光波損耗增大，光束發(fā)散角變大，模式變得更為復(fù)雜。腔內(nèi)工作物質(zhì)不均勻或諧振腔不穩(wěn)也將產(chǎn)生類似的影響。而平面鏡平面度差，則使激光譜線度變寬。一般平面反射鏡的平面度在幾分之一波長數(shù)量級。YAG激光器工作過程如下：連續(xù)氪燈在觸發(fā)時，輻射強(qiáng)烈的光譜，經(jīng)聚光腔聚在YAG棒上，被棒吸收，使棒中Nd3+離子激發(fā)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射，并在諧振腔內(nèi)振蕩，多次經(jīng)過激活介質(zhì)，使光被放大，產(chǎn)生波

6、長為1064nm的連續(xù)激光。如在腔內(nèi)合適放置Q開關(guān)，則產(chǎn)生調(diào)Q巨脈沖；在腔內(nèi)或腔外使用KDP倍頻晶體，可以產(chǎn)生532nm的倍頻激光。Nd3+的能譜721064pm0.75|4iii11;2Nd3+的有關(guān)能級圖如圖3所示，用具有連續(xù)光譜的氪燈照射Nd3+:YAG晶體，Nd3+離子就從基態(tài)E1躍遷至激發(fā)態(tài)E4的一系列能級。其中最低的兩個能級為4F5/2和4F7/2。相應(yīng)于中心波長為0.81口m和0.75卩m的兩個光譜吸收帶。由于E4的壽命僅約為1ns，所以受激的Nd3+離子絕大部分都經(jīng)過無輻射躍遷轉(zhuǎn)移到了E3態(tài)。E3是一個亞穩(wěn)態(tài)，壽命長達(dá)250-500us，很容易獲得粒子數(shù)積累。E2態(tài)的壽命為50

7、ns，即使有粒子處于E2，也會很快地弛豫到E1。因此，相對于E3而言，E2態(tài)上幾乎沒有粒子，這樣就在E3和E2之間造成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。正是E3-E2的感應(yīng)輻射在激光諧振腔中得到增益而形成了激光。其波長為1064nm。只要泵浦光存在，Nd3+離子的能態(tài)就總是處在E1fE4E3fE2E1的循環(huán)之中。這是一個典型的四能級系統(tǒng)。Q開關(guān)原理泵浦光源是連續(xù)工作的氪燈時，可以不間斷地對Nd3+離子的E3和E2能級提供粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而得到連續(xù)的激光輸出。為了得到脈寬窄而峰值功率高的激光脈沖，可以采用“調(diào)Q”方法。在泵浦開始時使諧振腔的損耗增大。即提高振蕩閾值，使振蕩不能形成，上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度大量積累，當(dāng)積

8、累到最大值時，突然使諧振腔的損耗變小，值突然增大。激光振蕩迅速建立，腔內(nèi)就象雪崩一樣以極快的速度建立起極強(qiáng)的振蕩,在短時間內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量被消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量,同時在輸出鏡端耦合輸出一個極強(qiáng)的激光巨脈沖。聲光調(diào)Q技術(shù)是以聲光相互作用所形成的衍射損耗的突變得以實現(xiàn)的。它是一項重要的激光技術(shù)，與自由運轉(zhuǎn)的激光輸出相比它可以大大壓縮光脈沖寬度，從而使輸出峰值功率提高二至四個量級。尤其是連續(xù)YAG激光器的聲光調(diào)Q技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，是獲得穩(wěn)定的高重復(fù)率、高峰值功率、短脈沖的重要手段。如圖4所示，當(dāng)射頻電源產(chǎn)生的高頻等幅振蕩信號加在聲光Q開關(guān)的換能器上時，換能器產(chǎn)生超聲振動，在聲光介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力

9、波，引起介質(zhì)密度呈疏密交替變化，也就是使折射率發(fā)生周期變化，形成“相位光柵”。當(dāng)光束通過聲光介質(zhì)時產(chǎn)生衍射，造成損耗使激光諧振腔的Q值下降。若損耗大于激光工作物質(zhì)的增益，不能產(chǎn)生振蕩，或者說聲光Q開關(guān)將激光關(guān)斷。當(dāng)高頻等幅振蕩在方波調(diào)制的作用下，突然有短暫的(數(shù)微秒)停歇時，聲光器件內(nèi)部的衍射也突然消失，使諧振腔Q值突然增大，從而產(chǎn)生調(diào)Q巨脈沖。當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被消耗減少到激光振蕩的閾值粒子數(shù)之下時，振蕩停止，緊接著高頻等幅振蕩再次形成，進(jìn)入下一個循環(huán)。圖5表示連續(xù)泵浦聲光調(diào)Q激光器的光脈沖形成與諧振腔Q值、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)之間的關(guān)系。聲光介質(zhì)oiSAM沖77開產(chǎn)生布拉格衍射的再光器件諧掘腔Q值圖5連陵

10、泵油激光器調(diào)Q光肚沖的形成換聒器%吸豈材料聲光互作用產(chǎn)生的衍射可分為喇曼-奈斯衍射與布拉格衍射兩種。它們是根據(jù)超聲波波長九，光波波長九以及聲光相互作用長度L的不同而區(qū)分的。當(dāng)L九九2,且光束以Bragg角入射時，產(chǎn)生布拉格衍射，這時只產(chǎn)生零級s和位于零級光一側(cè)的一級衍射。實際的聲光調(diào)Q器件都使用布拉格衍射，因為它具有較高的衍射效率。sin6=(1-1)2嘰9和29是聲光介質(zhì)內(nèi)的角度。1級衍射光與0級衍射光在介質(zhì)外的夾角為20，可近似地表示為：20=2n6-(1-2)布拉格衍射效率為：其中為相位光柵振幅：m4)光倍頻原理激光倍頻技術(shù)是將頻率為3的光，通過晶體中非線性作用產(chǎn)生頻率為23光的技術(shù)，有

11、時也叫作二次諧波產(chǎn)生技術(shù)。光在介質(zhì)中的傳播時，光波電場引起介質(zhì)極化，極化強(qiáng)度與光場的關(guān)系可表示為：P=80(ZU)E+xC2)E2+嚴(yán)1?+.)(1-5)(2)(3式中的上上-分別為線性極化率、二次非線性極化率、三次非線性極化率。在一般情況下，高一階非線性極化率的大小比相鄰的低一階極化率低7、8個數(shù)量級。由(1-5)式可見，當(dāng)入射光的頻率為3時，在介質(zhì)內(nèi)將引起2333等高次諧波極化強(qiáng)度，從而相應(yīng)地產(chǎn)生2333等高次諧波的輻射光。根據(jù)量子力學(xué)理論分析得知，(1-5)式中的非線性項與線性項的比值可表示為：嚴(yán)E2E/陀血子式中E原的為原子內(nèi)部的平均場強(qiáng)，約為1011V/m。對于普通光源發(fā)出的光來說，

12、其光電場E子匕E低幾個數(shù)量級，因此利用普通光，很難觀察到非線性光學(xué)現(xiàn)象；而激原子光器的誕生則給非線性光學(xué)帶來了生機(jī)。由于激光具有極高的亮度，很容易達(dá)到1010V/m數(shù)量級。所以，伴隨激光器的問世，陸續(xù)實現(xiàn)了諸如倍頻、三次諧波、四波混頻等非線性光學(xué)現(xiàn)象，并逐漸形成了非線性光學(xué)這門新學(xué)科。倍頻轉(zhuǎn)換效率表示為：ML)而sinikL11(0)x(1-6)由上式可以看出，倍頻效率與如下諸因素有關(guān)：2圖6-10基頻光光強(qiáng)I(0)1位相匹配因子sin(AkL/2)/(AkL/2)故欲提高轉(zhuǎn)換效率除了選用非線性系數(shù)大的晶體，提高基頻光強(qiáng)外，位相匹配是很重要的。位相匹配因子是sine函數(shù)，(sincx)2與Ak

13、的關(guān)系如圖6所示。1若設(shè)x=-AkL，由圖中可見如果L為不等于零的某確定值，只有當(dāng)Ak=0時，n才最2大，當(dāng)Ak豐0時，隨2AkL逐漸增加，n將按sinc(AkL/2)2規(guī)律減小。Ak=0時,2位相匹配因子有極大值，n最大；Akh0位相匹配因子皆比1小，甚至為零。通常把Ak=0滿足的條件為位相匹配條件；而Ak主0，則稱為位相失配。根據(jù)式其中所以由(1-7)式知，只有時，才能實現(xiàn)位相匹配。由于，則有=，其中是基頻光波在非線性介質(zhì)中的速度，同時也是倍頻極化波在非線性介質(zhì)中的速度，而L-是倍頻光波在非線性介質(zhì)中的速度。要求即意味著要求倍頻極化波同倍頻光波同步前進(jìn)，這樣基頻光波沿途激起的非線性振子發(fā)射

14、的倍頻光波彼此之間都有相同位相，因此滿足干涉增強(qiáng)的條件，從而輸出倍頻光最強(qiáng)。根據(jù)光的色散理論，介質(zhì)在正常色散范圍內(nèi)，光波頻率越高，其折射率越大。因此在各向同性介質(zhì)中無法用簡單方法實現(xiàn)位相匹配。在各向異性介質(zhì)中，介質(zhì)除具有色散的性質(zhì)外，同時還具有雙折射的特性，即對于同一頻率的尋常光和非常光除沿光軸方向傳播有相同的折射率外，在其它任何方向上傳播折射率都不相同，且折射率之差隨傳播方向和晶體溫度而改變，這樣就有可能利用雙折射來抵消由于色散引起的不同頻率光波的折射率的變化。在工程上常用如下兩種方法實現(xiàn)上述目的。角度位相匹配是使光波在晶體中某一特定方向上傳播，該方向上應(yīng)滿足-=1-，為了尋找該特定的方向，

15、使用折射橢球是很方便的。除了角度相位匹配方法外，在改變晶體溫度時，由于其I5和匚都發(fā)生變化，可能在某一溫度下，實現(xiàn)0此時，入射基頻光沿著垂直光軸的方向傳播，也可實現(xiàn)相位匹配。三、實驗內(nèi)容1、調(diào)整光路，使連續(xù)YAG激光器工作；2、在倍頻情況下，分別觀察調(diào)Q與不調(diào)Q狀態(tài)下，倍頻光的強(qiáng)度；3、觀察YAG激光器激光定標(biāo)的基本操作流程.四、調(diào)研激光器的最新應(yīng)用1.激光聚變系統(tǒng)激光問世后不久，世界各國科學(xué)家即考慮利用高功率激光壓縮和點燃少量氘氚燃料的可能性。經(jīng)過多年研究，人們已經(jīng)認(rèn)識到激光聚變可獲得巨大的能源及其具有的重大軍事應(yīng)用價值1。利用激光點燃核聚變的系統(tǒng)，就稱之為激光聚變系統(tǒng)，最具代表性的就是美國

16、的國家點火裝置。在激光聚變研究中，釹玻璃激光器是迄今技術(shù)最成熟、發(fā)展水平最高、使用最廣、貢獻(xiàn)最大的激光器，是現(xiàn)代點火驅(qū)動器的最佳候選者。美國國家點火裝置（NIF）（即激光聚變裝置），由位于美國加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室研制。該計劃自1994年開工以來延期了很多次，它最終的目標(biāo)是2010年實現(xiàn)聚變反應(yīng)，并達(dá)到平衡點，即激光在聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的能量大于它們所消耗的能量。該計劃建造和運行花費超過35億美元，容納NIF裝置的建筑物長215米，寬120米，相當(dāng)于三個足球場?！皣尹c火裝置”為釹玻璃激光器，共有192路光束，輸出能量達(dá)1.8MJ，功率為500TW（3w）的紫外激光光束，可能接近或獲

17、得“點火”及適度增益。除了用于聚變點火試驗外，“國家點火裝置”也可以用于研究溫度接近108K、壓強(qiáng)達(dá)到1010MPa條件下（相當(dāng)于恒星內(nèi)部的自然環(huán)境和核武器爆炸的情況）的物理過程。2001年9月放置激光系統(tǒng)的大樓建造完成，2003年9月，全部192路超凈和精密列式光路閉合安裝完成。2002年“國家點火裝置”192路激光中的四束起動運行。2003年7月，“國家點火裝置”創(chuàng)造了單束激光能量記錄。國際上已投入運行的激光點火裝置激光裝置國家及實驗室輸出能量束數(shù)建成時間GEKKO-XII日本大阪大學(xué)ILE15KJ/3W121983PHEBUS法國里梅爾實驗室10KJ/3W2VULCAN英國盧瑟福實驗室2

18、KJ/3W8HELEN英國原子武器中心1KJ/1W1NOVA美國里弗莫爾實驗室40KJ/3W101984OMEGA美國羅徹斯特大學(xué)LLE30KJ/3W601995Beamlet美國里弗莫爾實驗室6.4KJ/3311994激光聚變主要物理過程中心點火：當(dāng)激光直接輻照靶丸時（稱為直接驅(qū)動，見圖1）,在靶丸的外表面產(chǎn)生等離子體，激光在等離子體中傳播并發(fā)生多種相互作用。激光的大部分能量在臨界面（激光能夠到達(dá)的最深位置）附近轉(zhuǎn)換為電子能量，通過電子熱傳導(dǎo)把能量向高密度區(qū)輸運，被加熱的物質(zhì)向外噴射，同時它的反沖壓（即燒蝕壓）產(chǎn)生一個沖擊波,向內(nèi)壓縮靶丸未加熱的部分（也叫推進(jìn)層），這一過程稱為燒蝕當(dāng)沖擊波從

19、主燃料層（氘氚冰）進(jìn)入氘氚（DT）氣體時，推進(jìn)層開始向內(nèi)加速飛行，主燃料與氘氚氣體均被壓縮當(dāng)氣體被壓縮到一定程度后,推進(jìn)層進(jìn)入減速階段，主燃料層被進(jìn)一步壓縮到每立方厘米幾百克的密度，同時將動能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能,芯部燃料的密度和溫度也不斷增加，在中心形成熱斑，達(dá)到點火條件,點燃聚變反應(yīng)氘氚聚變反應(yīng)發(fā)生，產(chǎn)生中子與毬粒子,毬粒子輸運使熱核燃燒從中心向主燃料層中傳播，獲得能量增益.圖1慣性約束聚變中心點火示意圖（其屮主燃料層是氟氟冰，芯部為fttSiii（DT）氣體）間接驅(qū)動：如圖2所示,激光首先要轉(zhuǎn)換為軟X射線，再利用軟X射線去輻照靶球、驅(qū)動內(nèi)爆.首先，激光通過激光入射孔進(jìn)入由高原子序數(shù)（簡稱高Z）材料

20、構(gòu)成的柱形黑腔，照射和加熱黑腔內(nèi)壁，產(chǎn)生高溫等離子體，并很快充滿黑腔.后續(xù)激光在這些等離子體中傳播，通過逆韌致吸收（即電子-離子碰撞）過程沉積能量，加熱等離子體,同時與等離子體相互作用激發(fā)各種微觀不穩(wěn)定性激光的大部分能量在臨界面附近轉(zhuǎn)換為電子能量，通過電子熱傳導(dǎo)進(jìn)一步加熱和燒蝕高密度等離子體,同時高溫等離子體將大部分沉積的激光能量轉(zhuǎn)換成X射線輻射,除部分X射線直接從激光入射孔逃逸或被靶丸吸收,大部分X射線加熱黑腔壁（包括激光輻照和未輻照的壁）,通過與腔壁多次吸收和再發(fā)射,X射線輻射很快被熱化，在腔內(nèi)形成幾乎均勻的X射線輻射場.熱化的、均勻的X射線輻射場是燒蝕靶丸驅(qū)動內(nèi)爆。厳光入射口圖2間接驅(qū)動

21、激光聚變示意圖2激光加速器近年來，激光電子加速已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，諸如上述文獻(xiàn)中提到的4GeV準(zhǔn)單色加速，或者是伽馬射線加速。大都需求低重復(fù)頻率(小于10Hz)、高能量(幾個J)，獲得的結(jié)果。目前最成功的激光電子加速方案，是LWFA(laserwakefieldacceleration)激光尾場加速器。3-6在一場展示激光尾場加速器(Laser-WakefieldAccelerator)潛力的演示會上，美國能源部(DepartmentofEnergy)下屬的伯克利勞倫斯國家實驗室(LawreneeBerkeleyNationalLaboratory)的科學(xué)家們以及牛津大學(xué)(OxfordUniv

22、ersity)的合作者們成功地在3.3厘米的距離上將電子束加速到1GeV以上。2012年，實現(xiàn)了0.5kHz重復(fù)頻率下產(chǎn)生100keV,10fC的電子束42016年，實現(xiàn)了以小于10mJ的1kHz(重復(fù)頻率)激光脈沖，聚焦在近臨界密度的氦和氫氣的氣體噴流，驅(qū)動加速電子到MeV規(guī)模5激光加速器的基本原理67有質(zhì)動力是指帶電粒子在非均勻場中感受到的、起源于媒質(zhì)或者場的非均勻分布的一種力。對于一個平面波的光脈沖，電子在有質(zhì)動力的作用下，在脈沖前沿將經(jīng)歷一個加速階段，在下降沿經(jīng)歷一個減速階段，由于上升沿和下降沿的完全對稱，最終加速和減速相互抵消，當(dāng)光脈沖和電子分離后，電子無法獲得凈能量增益。對于一個聚

23、焦的激光脈沖來說，光場分布是不均勻的，加速和減速就不能抵消，表現(xiàn)為一種力(即有質(zhì)動力)作用下的加速運動。3.激光點火于汽車內(nèi)燃機(jī)目前所采用的電火花塞自身有諸多缺陷，造成了燃料燃燒不充分。在稀薄燃燒的條件下發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)壓力低、溫度低，燃料不易發(fā)生爆燃，通常要采用增壓技術(shù)提高缸內(nèi)燃料的壓縮比從而提高熱效率，點火器很可能將面臨高達(dá)50MPa的高壓與4000K的高溫。在高壓縮比的情況下必須采用高能點火，因為高能點火燃燒速度快，稀燃界限大，有利于火花核形成，但高能點火又會導(dǎo)致所需點火的電壓增高，造成電極燒蝕，大幅度降低火花塞使用壽命。激光點火作為一種更清潔、更高效、更經(jīng)濟(jì)的新型點火技術(shù)越來越受到各國研究

24、者的重視。與傳統(tǒng)的電火花點火技術(shù)相比，激光點火技術(shù)具有以下優(yōu)點：1）在氣缸內(nèi)可實現(xiàn)任意位置的點火等離子體，這有利于實現(xiàn)點火位置的優(yōu)化；2）由于沒有電極，在形成火焰中心時不會有淬滅效應(yīng)；3）在低的燃燒溫度下可以點燃各種混合燃料，降低了有害氣體的排放，提高了效率；4）容易維護(hù)；5）可實現(xiàn)多點點火；6）短的點火延時和燃燒時間等。要實現(xiàn)汽車引擎的激光點火，在正常的空氣壓力下，需要的激光強(qiáng)度為100GW/cm2，這就需要脈沖能量至少為0.1町、脈沖寬度低于10ns的激光。這些可以通過激光二極管抽運的被動調(diào)Q固體激光器來實現(xiàn)，而且被動調(diào)Q固體激光器還具有小型化、結(jié)構(gòu)緊湊、價格便宜、容易維護(hù)和使用壽命長等優(yōu)

25、點，因此激光二極管抽運的被動調(diào)Q固體激光器就成為汽車引擎激光點火的首選。最近日本、德國、英國等研究機(jī)構(gòu)報道了用Cr4:YAG被動調(diào)Q激光器替代內(nèi)燃發(fā)動機(jī)火花塞點火的研究工作7,為小型化、集成化被動調(diào)Q微片激光器的研究注入了一股新的活力。特別是被動調(diào)Q微型固體激光器的迅速發(fā)展很可能使激光點火取代傳統(tǒng)的點火方式應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)點火。激光點火的原理激光點火系統(tǒng)由激光器、傳導(dǎo)光纖、聚焦透鏡、耦合系統(tǒng)等組成。高峰值功率且可靠的激光光源是激光點火系統(tǒng)最重要的組成部分。激光點火對激光峰值功率要求較高，兆瓦級峰值功率的激光脈沖才能穩(wěn)定產(chǎn)生等離子體或者“激光火花”。在眾多種類的激光器中，采用激光二極管（LD）端

26、面抽運的被動調(diào)Q小型化固體激光器由于具備諸多優(yōu)點，最適合作為激光點火系統(tǒng)的激光源研究發(fā)現(xiàn)，激光功率密度高于100W/cm2就能滿足點火的可靠性23。經(jīng)過幾十年的理論與實驗研究，被動調(diào)Q固體激光器的峰值功率已可以達(dá)到兆瓦量級，脈沖寬度可壓縮到亞納秒量級，完全能夠滿足激光點火的功率要求。激光光束到發(fā)動機(jī)燃燒室的傳輸，目前有兩個最具可行性的方案：一是將激光器直接安裝在氣缸上，二是將激光器放置在與氣缸分離的位置，借助光纖來傳輸激光。激光器產(chǎn)生的高功率密度激光通過光纖傳輸?shù)綒飧最^，然后使用光學(xué)透鏡來聚焦激光并耦合投射到燃燒室中。耦合系統(tǒng)即光學(xué)窗口也是保證激光點火系統(tǒng)點火成功至關(guān)重要的組成部分，在成本控制中也起著重要作用調(diào)研參考文