第四章 三、固体激光器的光泵浦系统.pptVIP

3 固体激光器的光泵浦系统 3.1 惰性气体放电灯 3.2 聚光腔 3.1 惰性气体灯 3.1.1 惰性气体灯的结构与分类 3.1.2 惰性气体灯的放电过程 3.1.3 惰性气体灯的输出特性及效率 3.1.4 惰性气体灯的技术参数及寿命 3.1.5 惰性气体灯的触发和预燃 3.1.6 氙灯的充放电系统 3.1.1 惰性气体灯的结构与分类 （1）分类 脉冲灯、连续灯 脉冲氙灯：工作与较高电流密度下，以连续光谱为主。 连续氪灯：电流密度较低，以线状光谱为主。 直管式、螺旋式 （2）结构 （2）结构 管壁 石英管—— 优点： 耐高温 耐冲击 耐强电流：电流密度104A/cm2 高透过率：白光的吸收系数0.002 缺点：紫外光的高透过率，破坏工作物质，出现色心。 通过在石英中掺铈（Ce），铕（Eu）转换紫外光可见光。 （2）结构 电极 材料 钨——高熔点（3640°），逸出功4.54eV 钍钨（钨中掺入0.5~2%的氧化钍ThO2）——逸出功2.7eV 形状 头部尖锐有利于放电，单电流大时易损坏，用于连续灯。 平圆头用于脉冲灯。 密封接头 过渡玻璃 石英的线膨胀系数5×10－7℃－1 钍钨的线膨胀系数46×10－7℃－1 焊封 3.1.3 惰性气体灯的输出特性及效率 一、惰性气体灯的输出光谱 二、影响气体灯输出的主要因素 1. 充气种类 2. 充气气压 3. 灯电流密度 4. 灯管内径 5. 放电宽度 三、氙灯辐射光谱的拟合 一、惰性气体灯的输出光谱 气体灯的光辐射由强烈加宽的线状光谱和连续谱叠加而成。 线状光谱对应于受激原子或离子从激发态向基态的辐射跃迁。高温下的碰撞，使特征谱线强烈加宽。 连续谱对应于自由电子和正离子的空间复合及电子、离子碰撞而产生的韧致辐射。 二、影响气体灯输出的主要因素 1. 充气种类的影响 原子量大 每次碰撞的平均能量转移多。 原子电离电位低，电离度大。 相同气压和放电条件下，连续谱的成分和总辐射量高 例如： Xe的原子序数54，Kr的原子序数36 氙灯的连续谱和总能量高于氪灯。 对于Vc＝1200V，C＝250uF，P＝600mmhg，d＝5mm，l＝70mm。 氙灯与氪灯效率之比为：100/55。 2. 充气气压影响 充气压增高，效率提高 高充气压不易触发 高充气压灯，在触发时对灯管的冲击大。 3. 灯电流密度影响 灯电流密度增高 线状谱和连续谱都增加。 连续谱增长比线状谱快 短波部分增长比长波快 4. 灯管内径 最佳管径（最大电光转换率）总是对应几乎恒定的峰值电流密度2500A/cm2。 直径大，电弧无法充满管径，热中心气体密度低。 直径大，放电充满横截面时间长，对于短脉冲泵浦，未完全电离，输入功率已经下降，造成效率低。 直径小，管壁损失，效率降低。 5. 放电脉宽的影响 脉冲宽度过短，大部分能量用于电离，效率低。 脉冲时间过长，电流密度下降，效率降低。 最佳脉宽选择原则 脉宽短，可以减少自发辐射的影响，一般脉宽小于激光介质的荧光寿命。 脉宽过长，电流密度下降，发光效率低，自发辐射严重。 能量越大，脉宽越长，保证接近最佳电流密度。 氙灯的寿命 灯的失效 破坏性——爆炸，破损 非破坏性——输出能量，平均功率逐步减小 失效原因 高温作用 内壁熔化，蒸发，重新凝聚在管壁上，形成白色沉淀。 电极溅射，在管壁形成黑色沉淀 接头裂缝，漏气 冲击波 等离子体的雪崩扩张，产生冲击波，冲击波强度正比于输入功率，且随灯压增高而增大，当冲击波超出管壁极限时引起灯管爆炸。 3.2 聚光腔 一、聚光腔类型 二、聚光腔材料选择 三、聚光腔反射表面选择 四、聚光效率 五、泵浦光在激光棒内分布 聚光腔功能 保证泵浦光最大限度地为工作物质吸收 冷却液通道 灯棒等的固定场所 二、聚光腔材料选择 金属 铝——轻型系统 铜——热膨胀系数小，导热率高 不锈钢——不生锈，光洁度高，热导率低 玻璃 易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀 陶瓷 易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀 四、聚光效率 单椭圆柱腔的聚光效率 五、泵浦光在激光棒内分布 增益和温度分布不均 起振不均 光斑强度不均 光学畸变 激光效率和发散角变坏 影响泵浦光分布的因素 聚光器的聚光特性 聚焦或漫反射 激光棒表面情况 抛光或磨毛 激光棒吸收系数与棒半径之积 直照情况 光信息科学与技术专业 理学院 管壁 电极 接头 气体 一、聚光腔类型—椭圆柱聚光腔 紧耦合非聚焦聚光腔 漫反射聚光腔 尖形聚光腔和V形聚光腔 旋转对称聚光腔 聚光效率： 光学效率 几何传输效率 光谱带上的反射率 棒和冷却管上的反射率 非反射面积比