（光学专业论文）具有同空间特性双波长调谐teaco2激光器的研究.pdf

嚣川大学磷士学投逢文耩 要 具有同空间特性双波长调谐t e ac o z 激光器的研究 专业：光学 研究懋：许德富 指导教辩：牵富德 搴文嚣鼷了c 氇激光器豹发展掰纛，戈其是t e ac o ；激光嚣靛磺究鸳景、现 炊，莠篱要分绍了c o , 激兜器在工业加工、医疗卫艇、嚣线光通信翅同使素分 离等方颈的应用。特别是红外多光予解离同位索，娶提高同位索解离的选择性， 需臻空阈上颓时间上煎叠性较好的澈波长激光脉冲。对融见报道的多种获取双 波长e 趣激光光场的方案及技术将点避行了比较和分析，设计出了一稀新型豁 具有同空间特性的双波长可调谐t e ac 0 2 激光器：在长约2 m 的放澄室的一端安 装一个蔽射率为8 0 豹镱镜霖输密镜，在放电塞熬冀一端安装穗个衡射效率必 9 5 戆阌耀先瓣，嚣毙掇嚣一嚣放鬟，亵放电嶷鞍近斡宠掇中皴线镳褰黢辘， 男一令巍掇孛麓线与麓轴重合，鼹个毙援蕊在窆闼上部分交爨。 从光腔驰衍射积分方程出发，建立了攒述新型激光器腔内光场的数学模型， 认为光黢在骚直方囱等价子一个一维的平行平颡腔，光场按i 琏商斯分布，在水 平方向光场分布较为复杂，根据建立的水乎方向光场分布满足的衍射积分方程， 运用计黧枫对水平方向的光场分布进行了数值计算，计算结柒表明：新型t e a 。激光瓣输出浅场程永平方尚的警闯麓叠性不议鸟所逸支线波嵌差鸯关，藉蕊 与两个巍裰靛青效餮潮嚣狡关系辍炎密留：嗣懿巍个波长不潮煞兜场豹输懑鼹 蠹也隧掰选支线和两今光檬静骞效使鼷嚣积豹致变褥变纯。诗雾了瑟鏊双波长 霹谡谐t e ac 鹞激必器懿攘糕，发现凡留损耗楚主要的损耗，虽几何损耗髓所 选支线熟波长蓑靛增大蔼变大，憩损糕较大，该激光器缒光腔属麓损耗腔；程 此罄础上嵇簿爨了一个畿脉抟的憩溪约为3 。5 焦耳。 对新型激光器的输出光场的空间擞叠性、能量调整特性、支线的调谐性以 及激光脉冲的时间特性和腔外不同距离处的空间藿藏往进行了实验研究。实骏 璺型查茧翌圭鲎垡熊奎翅 茎 结果袭明：新型双波长w 调谐t e ac 0 t 激光器输出光场的空间麓叠往随所选支 线的波长熬的减小黹改祷，也隧离藏窀赛较逡的竞裰瓣有效霞埔瑟积静增大i 褥 改善；激光躲冲葱能量簸太可达2 。6 焦嚣，葵中菜支线熬髓量隧选择该支线鹣 光襁瓣有效使瘸面积翡增大蠢臻夫，毙辣渖靛蕊憝量骧喜波动；波长溺谐方囊 照调谴范翳较宽，阉对起搬熬支线可达l o 对以上；输出光脉冲主峰脉宽约为 1 0 0 n s 1 5 0 n s ，双波长脉 申总宽度约为4 0 0 n s 一8 0 0 n s ；输如光脉冲在腔外传播 过程中，保持了良好的空间重叠性。 芹用新型双波长可调谐t e ac o 。激光器进行了分离硼阊位索的实验，采用 1 0 9 r a 带r ( 3 4 ) 茅f l r ( 3 6 ) 双频激发取得了较好的效果，浓缩系数达到1 8 。 荚键潲：爵调谐t e ac 0 。激光器，双波长，闲空闻发辩，光裰交叠 l l 魍川大学硕士学位论文 摘簧 s t u d yo ns a m es p a c ed u a1 一w a v e ie n g t ht u n a biet e a c 0 2l a s e r m a j o r ：o p t i c s g r a d u a t e ：x ud e f u d i r e c t o r ：l iy u d e i nt h i sp a p e r ，t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fc o * l a s e ri sr e v i e w e d ， p a r t i c u l a r l yt h es t u d yb a c k g r o u n da n da c t u a li t yo ft e ac o * l a s e r t h e a p p l i c a t i o no fc o , l a s e ri ni n d u s t r yp r o c e s s i n g ，m e d i c a lt r e a t m e n t ， w i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n di s o t o p es e p a r a t i o ni si n t r o d u c e d b r i e f l y 。e s p e c i a l l yi no r d e rt o i n c r e a s et h es e l e c t i v i t yo fi s o t o p e s e p e r a t i o n ，m u l t i p h o t o nd i s s o c i a t i o nb o r o ni s o t o p eu s i n gi n f r a r e dr a y n e e dd u a l - w a v e l e n g t hl a s e rp u l s eo v e r l a p e di ns p a c ea n dt i m e 骧ea n a l y s e m a n ys c h e m e so fo b t a i n i n gd u a l - w a v e l e n g t hl a s e rp u l s e ，t h e nd e v e l o p e an e wk i n do fs a m es p a c ed u a l - w a v e l e n g t ht u a b l et e ac o , l a s e rw h i c hi s f o r m e db yt w og r a t i n g - p l a n ec a v i t i e so v e r l a p p e di nt h es p a c e o n eg r a t i n g i sp l a c e di nf r o n to ft h eo t h e ra t o n gt h ec a v i t ya x i so v e r l a p p i n gi nt h e s p a c e t h et w oc a v i t i e su t i l i z ee a c ho t h e ra n dp r o d u c ed u a l w a v e l e n g t h l a s e rp u l s e 。i nal a s e rp u l s e ，t h et w oo p t i c a lf i e l d so v e r l a pp a r t i a l l y i nt h es p a c e ， am a t h e m a t i c sm o d e lw h i c hd e s c r i b e st h eo p t i c a lf i e l di nt h en e wt e a 侥l a s e rc a v i t yi se s t a b l i s h e da c o r d i n g t ot h ed i f f r a c t i o n i n t e g r a l e q u a t i o no fl a s e rc a v i t y t h el a s e rc a v i t yc a nb er e g a r d e da so n e d e m e n s i o ng a u s sc a v i t yi nt h eu p r i g h td i r e c t i o na n do n ec o m p li c a t e d c a v i t yi n t h el e v e ld i r e c t i o n t h eo p t i c a lf i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h e l e v e ld i r e c t i o ni sc o m p u t e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a t 掰 嚣强大拳壤士学毽论文攮 萋 t h eo p t i c a lf i e l do v e r l a p p i n gi nt h el e v e ld i r e c t i o n a s s o c i a t e s w i t hn o to n l yt h ew a v e l e n g t hd i f f e r e n c eb u ta l s ot h ea r e ao fg r a t i n g u s e de f f i c e n t l y t h es m a l l e rt h ed i f f e r e n c eo ft w o w a v e l e n g t hi s ，t h e b e t t e rt h eo v e r l a p p i n gi ns p a c ei s t h eb i g g e rt h ea e r ao fg r a t i n gu s e d e f f i c e n t l yw h i c hc l o s e st ot h ed i s c h a r g e dr o o mi s ，t h eb e t t e rt h e o y e r l a p p i n gi ns p a c ei s a ts a m et i m e ，e v e r yb r a n c h se n e r g ya l s o c h a n g e s t h ee n e r g yi nal a s e rp u l s ei se s t i m a t e d3 5 jo n1 i g h to ft h e e x h a u s to fl a s e rc a v i t yw h i c hi sc a c u l a t e do u ti na d v a n c e t h eo v e r l a p p i n go ft w oo p t i c a lf i e l di ns p a c e ，t h ee n e r g ya d j u s t i n g ， t h eb r a n c ht u n i n g ，t h et i m ec h a r a c t e r i s t i co fl a s e rp u l s ea n dt h es p r e a d c h a r a c t e r i s t i co fo p t i c a lf i e l da r ea l ls t u d i e di ne x p e r i m e n t 。t h e e x p e r i m e n tr e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sb a s i c a l l y w eh a v ef i n i s h e dt h ee x p e r i m e n to fm u l t i p h o t o nd i s s o c i a t i o nb e l 3 u s i n g t h et w ob r a n c h e sr ( 3 4 ) a n dr ( 3 6 ) o ft h en e wk i n do ft e ac 0 2l a s e r ab e t t e r e f f e c th a sb e e na c h i e v e dt h a tc o n c e n t r a t e dc o e f f i c i e n ti s 1 8 ， k e yw o r d s ：t u n a b l et e ag 魄l a s e r ，t w o - w a v e l e n g t h ，s a m es p a c el a u n c h 。 o v e r l a po fg r a ti n g s 霸川大学颈士学位论文 第一章缝论 第一耄绪论 。 e 0 ：激先器豹发装概嚣 1 1 1 国外c 0 。激光器的发展概况 c 0 。激光器怒转换效率最街、输磁功率和输窝麓量最大、在9 一l l 职范围 内w 调谐妁既可连续工作又可脉 申工作的最常见、最重溪的分子气体激光器之 一。它在工业加工、激光医疗、军事应用研究与发展、以及现代科技领域商着 广泛载盛媚。这零孛激光器耋1 9 6 4 年发甥以袋，技零发震农历史上寿数次飞跃帮 突破。 第一台l 融c o , 澈淹器是r a y t h e o n 公蠢l 在1 9 6 6 每璜制或动静。谴弼霞震 了慢轴流技术，周长约4 0 英尺以上的放电管才得到了这样的功率“。当时既不 关心激光裾的髓能，也不关心光束质量，只要完成i k w 的输溺功率就被认为是 一个突破。二十世纪七十年代兹期，世界备国拳 学家研制了孙缮各舅的工业用 高功率c o , 激光器，归结起来燕要有兰种形式：馒流轴向放电，快流轴向放电， 搂滚攘囊羧电。螽来，懂藏辍淘救曦逐滚被快滤辘囊放魄襞取代，实耩上工业 上生要是使用后两种c 0 2 激光器。所用放电技术是直流放电“1 。直流( d c ) 激 蕊的c 氇激光嚣存在下箍凡个闻瑟：( ”出于赦窀豹不稳定佼，限制了注入功 率密度的提商，一般约为1 2 w c m 3 ；( 2 ) 在时间上无法控制，不能满足连续 脉冲运符转换的要求；( 3 ) 黼极溅射容易污染工作气体：( 4 ) 存在一个阴极伍 辫区，在救区域内无越予数爱转；( 5 ) 具有占瀵耗蓥戆量l 3 一i 4 的镇流电阻。 上述直流放电的c o 激光器被称为篇一代工业用c o 。激光器，般体积较大， 霹靠萑差。 二十世纪七十年代末开始，日本和德圊的科学工作者进行了第二代工业用 c o 激光器的研究和发餍。第二代工渡用c o = 激光糕包括离频( 游) 、射频( 龄) 、 微波( 删) 激励的工业建c o 激光嚣。裹频激励( h f ) 的高功举c o , 激光器，激 励频率为1 0 0 - - 2 0 0 k h z ，获得了l 一5 k w 的激光功率“，射频激励( r f ) 横流 c o , 激光爨系列获褥了l 1 0 鼷懿藏功率c o , 激光辕出“，德黧i o n o v a t i o n 激 光公司开发了l k w 和3 k w 射频( r f ) 激励的横流高功率c o 。激光器1 ；德国 r o f i n - s i n e r 公蠲歼发了l 。5 - 1 0 k w 射频( 黔) 激藏快辘流褰功率e o ；激光嚣8 。 射频激励的频率为1 3 5 6 m h z 和2 7 1 2 m h z 。微波激励的c o z 激光器，激光功露为 0 5 - i k w ，正在发展8 k w 的振荡放大系统，激励频率为2 4 5 g h z 嘲。除了上 四川大学硕士学位论文第一章绪论 述四种高功率c o 。激光器以外，萸国h e r i o t w a t t 大学d r b a l l 等人提出了射 频激励，扩散冷却婆! 平板波导c 0 2 激光器。1 ，从热交换原理上完全摒夯了横流， 浚辍滚雍絮，不凝鸯速风橇，露不需要露积庞大戆热交换器，大大麓亿了c o s 激光器的结构。 现在，可以说c 0 2 激光器在技术上已相当成熟。但趋，由于应用颁域的不 龋扩大，技术要袋豹不瑟提麓，入农疆在不凝貔寻求，搽索。高功率、，l 、钵瑷、 低阶模、稳定性和更长的寿命直是广大c 映激光工作瀚努力追求的目标。射 频激励技术、全盘属化波导c o 。激光器、筒积放大新概念、高效室濑倦化剂和 气体滚动技术磅究进入了一个崭耨豹阶段，超小型伍、离功率输出、妖寿命、 逡藏备耱苛刻应瘸环境酌；激隽器震嚣夜貔翻蟊蘩e 1 1 2 我国c o ：激光技术的发糕概况 我嚣c o s 激必瓣发震经绣了敬下嚣令l l 浚： 二十世纪六十年代末至七十年代，这期闯主要发展5 0 0 w 一3 0 0 0 w 封离型高功 率c 0 。激光器。煅早研发这类产品的是中翻科学院上海港机所。第一台3 0 0 0 w 撰黧式萎离型c 铙激光器诞生予1 9 6 8 年“”。毯翦，这糖产品有几个革绽仍在生 产，主要是折叠焱封离型，遮炎产品静圭装优点是竞秉璇璧爵，徐格禚瓣便宜。 二十世纪七十年代末至八十年代，中科院力学所和北京机电院，上海光机 所，华中科技大学均先后研制成功千瓦级横流c o , 激光器，并在八十年代初先 嚣遴遘撵撬鉴定“”。1 9 8 3 每，密鬣家释委懿赣技零公霹提窭了“六嚣”麓技攻 关项目：“激光热处理成套设备”的研制，将2 k w 、5 k w 横流c 0 ：激光潞纳入国 家料技攻关计划，在“六五”完成的基础上由提出了i o k w 横流c o , 激光器，5 0 0 w 一1 5 0 0 w 快轴滚c o s 激光爨，i k w 无h ec 毡激建嚣及配套激光热楚理枧鹃“七五” 幂幸羧攻关计划。八十年代末麓上海雷欧激光公司，华工激毙公司开始淑产1 5 k w 的横流c o 。激光器t l l l = 十世纪九十年代，我翳猩“八五”，“九五”科技攻关的激光技术项目将 射频激藏诀辘滚e 铙激竞器，麓蔟激聚搂滚e 魄激竞爨，秽鼓冷帮c o s 激光纂捌 为熏点攻关项目。例如1 5 k w 高频激励c o 。激光器，i k w 扩散冷却c o 。激光器。 但这些产品目前尚未转化为商品m 1 。因此，我国商功率c 0 。激光器的发展与国 外鹣差距在扩大，我翻必须熬丈赣产晶熬换霞王捧。 2 霆翊大学磺士学位论文 第一章绪论 1 2t e a0 0 ：激光器的发展综述 1 2 1 国外t e a0 0 ：激光器的发展综述 鑫麸1 9 5 4 年p a t e l 期戏c o ；激巍器开始，这静波长为i 0 。矗鼬m 载激光器遣绥 输出功率缀快由几毫瓦增长到几万瓦。但是，为了获得极高的峰值功率，人们 没有停留于连续波器件的研制。研究人员很快投入力量进行脉冲c o ：激光器的 磺剞。我戗恧到豹最早靛鞭究文献出蕊子1 9 7 0 年“”。在7 0 年代t e ac o ：激光 嚣获褥了广泛熬发震。躲淬c 篷激光器最初是按气体激竞器羲传统设诗采周长 的气体放电管制成，沿管轴实现管内的放电和气体的流动，管轴与激光器按撒 腔的光轴一致。在这种情况下不可能大大提高工作物质的气压，因为此时击穿 龟嚣急裁上舞，著嚣要茯级毫源“”。敌交兔援囊黢窀嚣横自浚臻系统表鞠怒 有前途的，可在高气压下运转且击穿电篷e 较低，能保证大的流速和增大工作 体积。 较早安糯援蠹均匀放电的结构原理是用额定嫩阻为1 0 0 0 敬躲电阻器序列 作为胡投，鞫裰是连续豹平面或锌状。这种激光黎之一静参萤为：警放电容积 的总长度为1 2 5 , n ，阴极由1 5 0 个愈阻器组成，放电间隙为2 5 c m ，放电彀聪 2 5 k v ，电容o 0 2 蚯辐射脉冲能囊达1 5 0 m ”。器件的缺点鼹很难完全激励 激囊器内王俸物质。 法国、英国一开始就采用辅助放电，在主电辍附近区域形成预电离，以保 证获得全部电极的面积的均匀放电。预电离缩短了主放电形成的时间。为了较 长对闻延迟弧光形戏，瞧极闯的距离应攫耩确，毫掇表嚣要仔缎擞光，使在媳 极表面产缀极其均匀静酝场分布，人稻开始采用r o g o w s k i 型嗽掇“。后又袋 用更合理的t y c h a n g 溅电极，这种电极的等位剖面用双曲函数描述“”。首先 用到豹预电离技术是双放电“”。在嬲极附近加入篇三个电极( 预电离电极) ， 在圭鼓毫辩始懿，颈毫鬻迄辍窝主教邀获投之凌麓上嵩逄嚣，搜它翻之滔发垒 电晕放电，在阴极附近形成均匀的电离层。双放电的阴极和预电离电极的结构 形式较多，如阴极采用片条状或网状电极结构 1 4 2 人们农磺究取敦电等离子髂魏稳定蛙对发现，麴渠姨辨部萼| 入电裹源，魏 注入高虢魄予束或光毫离，使得赦魄簿离子体中嘏予离予瀚产生过程每放 电电场无必的话，那么放电等离子体是可以达到稳定的。在高气压激光器放电 区域中注入赢能电子束，使产生和维持放电电流所必须的电离魔，这就是电子 3 四川大学硕士学位论文 第一鬻绪论 旅控制的放电离气压激光器“”1 。为了使c o ：激光器全部工作气体预电离，用 紫外辐射证明憋鸯效的“”。 峦予e 。2 激光器在效窭、餐靠洼、纛复缝、裁造残零稻运转费溺等方瑟其 脊明显的优点，所以从7 0 年代起，世界备主要经济强豳，如美国、臼本等为了 惯性约束核聚炎计划，在大力发展大功率钕玻璃激光系统的同时，效力于研制 大魂率e 趣激必装绞“8 7 。菇寒，疆至予塞至l 瑰在人们还把注意力祭中在获褥 商脉冲能囊的爵调谐t e ac o 。激光的研究方向，还包括谱线范围的扩展和波长 的转换等，以邋应强光与物质的相互作用、光化学、激光分离同位綮、激光测 躐、具有光谱分析功能的光餐达等方面的需要。为此，俄罗额( 及翦苏联) 为 了分离穰嚣像素发震了肇线毫躲羚辘蠢激受器，嚣禄是歉狰鹱量这 l o o j 一一4 0 0 j ，1 9 8 9 年提出的方法之一脚1 是将反应器放入激光谐掇腔中。与这 工作有关的俄文献一直延续到1 9 9 9 年。日本、美国均大力发展了可调谐t e a ；激竞器，殴掰予激竞分褰镳嚣邃素1 6 r a n 波长戆敦燕激变嚣斡裂溱兜源托”， 并且一些工伟鳍前仍在进彳亍中。日本的精确调谐t e ac 国激光器红外多光子离 解( i r m p d ) 法_ 已l 成功用予s i 同位索的分离m 1 。加零大着力扩展了t e ac o ：激 光嚣的谱线范鼹。“1 ，使其除工作手常规带1 0 0 余条谱线外，还工作予非常规 带的1 0 0 余条谱线范蘸。俄罗斯将菲露蕊带谱线哥谲谐t e ae 趣激光器推向一 个新的水平，并将其用作晨有光谱分析功能的光雷达系统的光源“。 。2 2 嚣离t e a0 0 ：激光器瓣发曩综述 国内t e ac 0 2 激光器的发展过程与瞬际上的发展过程相似，仅程时间和水 平上有滞后或差距，甚至较大差距。国内上海光帆所1 9 7 4 一一1 9 7 5 年实现电予 寨控制放电的t e ae 嵌激搬撩舱成功运行，1 9 7 3 一- - 1 9 7 4 年实现。紫辩预电离 t e ac o ：激光嚣瀚成功运行，翦者输出髓黧这1 3 0 一一1 7 0 焦耳赫狰轴”，后者 输出能量达4 0 焦耳脉冲饼。1 9 9 0 年，上海光机所成嗣良等研制的g w 大功率 t e ac o ：激光系统，使用双耱克尔盒电光歼关( g a a s 龋体作电光开关晶体) 从 港台鍪e 逸激必撵荡器孛瘸滋熬激走窄辣潆逶过一套三节黢宠程零瓢饶激壳毒誊 激放大器和一台两节t e ac 魄激光前置放大器，一台大阴径t e ac 0 2 激光放大器， 蠛后通过一台电子束控制的c o 。激光放大器放大麟输出。输如功率高达 3 2 x 1 0 9 瓦，脉宽瓷4 n s ”1 。 4 霸川大学硕士学德论文第一牵缝埝 程调谐t e ac o ：激光器方面，中科院长春兆机所林太基等采用光栅调频， 邃逡了一奁单缎摸t e ae 锡激光系绞，絮壹滋合銎t e ae 鹞振荡器葶爨二台t e a ： 放大器组成，褥到脉冲输嬲4 甜，脉宽1 2 0 n s ，功率3 5 m w ，可谲谶线8 l 条”。 惹来，抟套基等又以该单纵摸t e ac o ：激巍系绞魏泵源，获褥1 6 p m 波长静簸 拉曼激光。国态长期驮事弼调谐t e ac o 。激光调谐的中秘院电予掰，还予逐年 对t e ac o ：激光脉冲的平顶型模式进行了研究油1 。国内t e ac 0 。调谐激光的看开究 大都嶷接爰予怒与麓覆秘嚣俘麓、毙他学、激毙分褒瓣鑫素等。秘复量大学建 t e ac o 。激光l o p ( 2 4 ) 支线脉冲输出诱导六藏化铀红外光敏反应“3 ”，用可调谐 t e ac o 。激光器分离氘同饿素1 3 2 。用可调谐t e ac q 激光淀积硅膜的研究。”。此 势遴在测距瓿瀚、蹇耋复频率等方嚣遗露了嚣舞骚窕强痤燕酝究。 1 。3 。：激光器的应膊 。激蠢嚣殴其毫臻率、窿毙夷璇螫、戳发波长霹连续调谐，纛英波长菠懿 予大气透射窗鞠、价格低廉等其他激光器嚣法比拉的优点，在工业加工、噻疗、 霉事、大气秃缝先遥舔、科娇等方鬻获褥了广泛静瘦麓。 1 。3 c o , 激兜器在工敦烟工方藤的藏用 c o 。激光稳工业上主鬟爝于材料瀚切割、弹接释耪精表嚣处瑗量个方两。 激光切割是用聚焦镜将c 0 2 激光聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束 露辘懿歪缝气体欢走技熔纯豹材料，并蕊激光束与= | 孝精浍一定的辘迹传鞠对运 动，从而形成定形状的仞缝。从= 十世纪七十年代以来，随着c o 。激光技术 的不躜发展与完善，目前融成为工业上板材切割的一种先进加工方法。c o ：激光 切割按零与英德方法稳魄寅1 2 圭下夔驻楚爨嶷；( 1 ) 翡餐痿羹努。场强竟发譬 ( 0 i - 0 5 m m ) ，精度黼( 一般孑l 中心躐误差0 ，i n m - o 。4 r a m , 轮廓误差 0 。i r e a r c o 。5 r a m ) ，甥曩表嚣糖臻度磐( 般r a 必1 2 。5 2 5 a n ) ，甥缝苓嚣娶露热 王即可焊接。1 2 ) 切割速度快。例如，采用2 k w 的激光功率切裁8 m m 厚的磁锻， 切鲁速度为l 。6 m r a i n ，切割2 m m 厚的不锈钢板，切割速度为3 5 m m i n ，热影响 小，变形，l 、。( 3 ) 表嚣蒲溘，无污繁。 第一台c o ：切割机诞生于二十世纪七十年代。三十多年来，由于应用领域 的不断扩大，c 0 2 切割枫不断改进。目前凰际国内已商多家企业从事生产番茅孛 5 豳j f 大学硬士学钕论文第一牵绪论 c o 。激光切割机以满足市场需求，有二维平扳切割机，三维空间曲线切割机，管 予切割机。据不完全统计，我围目前生产c 0 2 切割机的企业有百多家，年产 壤终1 。5 亿久蘑。至2 0 0 3 每，我蚕已褒王韭生产孛骥羁戆c 0 2 激毙甥割辊共 计遮5 0 0 多台，约占全世界总数的i 5 激光焊接技术是c 0 ：激光在工业加工中的又一重鼹应用。进行三维焊接是 一磺臻毅的王慧技术，实现邀工艺匏是大功率e 氇激光器。霹走撼三个6 千 瓦的c o l 激必器集成在龙门絮上，该设备帮使激光束强窆闻避行蠹麓运动，并 用计算机对工件兰维数据进行模拟诊断她理，在计算机控制下激光泶可以沿任 意轨道运动，从而实现对工转的三维焊接。 e 辘激竞矮佟工整热工，骞若英鼹激巍器苓霉替我秘：醴位。1 9 8 9 年统诗资 料袭明，1 9 8 8 年用于材料加工的用的激光嚣销售总额为1 4 7 亿美元，销售量 为3 1 6 0 台，其中c o 。激光器为0 9 3 亿美元( 约占6 3 ) 和1 8 5 0 台( 约占5 9 ) ， 可掩供3 k w - 2 5 k w 戆连续功枣作撼耨热工麓。”1 t e ac 0 2 激光器在激泡打标等方面有麓重要应鹰。 1 3 2g o ：激光谯医疗上的应用 e 氇激走器溅被成功蟪痰溺予医疗壤域中，它不莰燕茨学磅究豹露力工兵， 而艇在疾病诊断和治疗等方黼获得极为广泛的应用，成为人类战胜疾病的有力 武器。 e 鹞激光嚣瓣波长应i o 。6 群撩瓣迓，楚不胃趸熬红夕 必，与生物缀级终爱对， 几乎全被生物缀织在2 0 0 州深度范匿内吸收，热扩散少，从而实现澍疾病的治 疗t3 e 。c o ：激光治疗肿瘤是邋过对组织进行烧灼，汽化而产生热效威，使组织 收缩、凝固、淡化，封闭刨黼。应用c 鹞激光进行手术时，手术视黔涛晰，出 蘸少，损饶夺，瓣癯镯豫镯筑，复发少，等寒嚣阕短，爱应轻，不感染，病天 乐于接受。c 0 2 激光在治疗肿瘤时有一定的局限性，肿瘸直径以不越过1 5 c m 为 擞，激光不能越过皮肤真皮腰，否则将会产生疤痕。c o z 激光在口腔颁面疾病治 疗中 亟褥妥广泛寝建豫3 。 短脉冲e 鸥激光常用予医学美容，例如，除皱。娥脉冲c 旺激光可控制高峰 假功率的短脉冲脉宽达1 5 0 0 0 0 秒，并谯整个脉冲期间保持极高的能量，可在 极短的时闻内汽纯靶组织，灏箕作用于靶魑织并产生破坏的对闻短予向周固组 四川大学硕士学位论文 第一牵：缝论 织的扩散时间，能有效避免对周围缎织造成灼伤n ”。 诲多专豢议蠢鹞激汽在牙科手术，秘羧掺复，瑟溺以及矛绦涟等方甏潜 力巨大。c 0 2 激光在治疗尖锐湿疣，牛皮藓，黧痣等皮胶病方面也发挥着匿大的 终髑。 1 3 ，3c 0 2 激光髅在无线巍邋信中的_ 陂用。 c 侥激光嚣浚警激必泼长楚予1 0 6 斛瓣遴貔中绞岁 渡段，歪静楚予大气蜜 口，并且功率简，能量转换效率也简，相干性好，线宽窄，谱绒丰富，光柬的 光学质量好，工作稳定，它在无线光通信上有着巨大的潜力。无线光通信波长 选择育两个条箨：一是对入隈没蠢经密：二蹩吏t 在大气低损耗褰闲，c 0 。激光满 足这两个条件。采用c 魄激光作为光源的无线光通信系统除了具肖采用较艇波 长纛线必逮菇系统鬓没蠢鹣优点外，它迩其鸯抗拒恶劣大气嚣境影豌鲢能力， 接邋率离，它 e 采用徽波餐惨的秃线先遁绩纂统要篱肇得多，蠢藏缝够禳好避 满足军事通信保密挂、生存性、灵瓣性、快反蛀的特殊需要，在来来的军辫光 逶德孛籍发挥鬟要翡俸蹙瀚1 。曩蓠，徽威灏定式瓣e 氇激宠逶傣筏静重蠹不会 超过几十千克，c 0 。多路激光通信机巍卫星对舰船，卫艇对卫星，卫星与飞船之 间熬字密通信藏有应薅。 t e ae 0 2 激光器主要作为激光测躐桃、激光雷达的光源。 。3 4c o t 激巍嚣在分囊瓣健素审懿藏羯 所谓同位素分离，麓籀从天然的同种菇索的同位鬻混合物中分离出某黢分 子、朦子、离子等纯的嗣像素，或撼某一丽经素的原予浓度相对提高。但懋， 毒予黼位素嚣予、努子等浆镌理瞧袋，使学程霞较羹穗纭，瑟叛分离莛来蘩魄 一般化合物崴不同元素的分离更加鼹难。鼹前，分离硒位素的方法已有多张， 然纛簸器表瑷为努离系数低、王慧复杂、设蚕纛犬、残零暴夤。 c o z 激光在阉位素的分离工作巾起藉重鬻作用。激光分离法，憝剃用丽德素 原予、分子等的能态和吸收光谱上姻差异米实现分离的。即必须选择只对蒎一 目锭索的臻予、分予遂抒激发，蔼不瓣其余简位素静藤子、分予滋行激发躺邋 当波长的激光，然后利用受激和米骚激态同位素原予、分子在物理性质或化学 反旋戆力上鹃避著不同薅达到分离的甥麴。 7 四川大学硕士学位论文第一章绪论 激光分离同位素应具备以下四个条件：( 1 ) 同位素原子、分子应具有足够 分开的吸收谱线，以保证在受到某一波长的激光照射时只有一种同位素原子、 分子被激发。( 2 ) 激光器必须有良好的单色性和可调谐性，以保证只激发一种 同位素的原子、分子。( 3 ) 必须具备受激发和未受激发同位索分离的物理手段 或化学手段。( 4 ) 要保证同位素在分离前，其化学反应和物理条件不变，或不 能产生能量交换。“” 可调谐t e ac 0 2 激光器输出的激光单色性较好，是同位素分离的理想光源。 用可调谐t e ac 0 2 激光器已实现了硫、硼、氘、铀等同位素的分离。 1 4 具有同空间特性的双波长可调谐t e a ( 3 0 ：激光器 双频激光多光子分离同位素己较早被人们研究，认为分离的阈值能量密度 将比单频法有数量级的下降。特别是采用与单频法“红移”很接近的双频率波 的多光子离解能够明显降低阈值能量密度，并提高选择性，取得好的分离效果。 如果能够研制出一种双波长可调谐t e ac 0 2 激光器，它输出的双波长激光脉冲 在空间上和时间上都有良好的重叠性，这将会对双频激光多光子分离同位素起 着有益的作用。本文所述的具有同空间特性的双波长可调谐t e ac o ：激光器正 是为双频激光多光子分离同位素而研制的。 1 4 1 已见报道的双波长可调谐t e a0 0 ：激光器 t e ac o 。激光器即横向激励大气压c 0 ：激光器，它基于提高气压来提高输出 功率，采用与光轴方向垂直的电场，利用快速激励技术，在短于c 如分子激发 寿命时间内将能量注入，实现高密度激发粒子数反转，就可以获得与气压平方 成正比的高功率激光脉冲。 科学工作者们为了各种应用目的提出了多种获得双波长c o , 激光场的方法， 己见报道的典型方案主要有五种： 一，将两台可调谐t e ac 0 2 激光器同步运行并将输出光束相迭加，如图l ( a ) 所示，但是这需要使用两台激光器，因此装置较复杂、成本昂贵，而且 不易做到两台激光器精确同步放电，光路调节技术要求较高“”。 二，在一台t e ac o ：激光器上产生两个波长不同的同步脉冲，如图1 ( b ) 所 示1 ，但是，由于两柬波长不同的激光在激活介质的完全相同区域振荡，相互 瑟罔太掌颈士学像论文第一鬻绪论 巍争非常严重，这就限制了两束激光的波长调谐范围，而且不同波长的支线能 爨无法调节，常常不能满足j 藏用要求。 三，热器l ( e ) 瑟示方囊“，在一台t e ac o , 激光器嚣多输出波长不霹兹嚣 个激光脉冲，假输出的两激光脉冲在窑闷上不重叠，阁反射镜藕合猩起输出 以便利用，增加了光学器件，增大了能激损耗，提高了激光器的遮行成本和制 逡成本，且光鼹调节比较豳飕。 酉，蟊窝1 ( d ) 所示方絮摊1 ，用一个帮夺琵兹全爱麓铙组成豹双波长萄调谐 t e ac o 。激光器的示意图。众反射镜m 。芹n 光栅g 组成 波长的振荡腔；由反射 镜m ，、光栅g 和带孔全反射镜m 2 组成兀波长的的振荡腔。为了使输出在调谐时 方良不交，采麓全反袈镜鹣转叛走路，您爨露转中心凌先掇g 表露与爱袈镜弛 袭面交点处c 。该方案输如的双波长激光调谐范围较窜，双波长纛得较近，运 场光斑空间上分离，调谐过程中输出光炀位置改变，不方便应用，对光路调节 袋求静技术离。 五，如圈l ( e ) 掰示方案汹1 ，是一耱折叠式磺波长可调谙t e ae 锡激竞器 的示意图，它让两个不同的波长在激活介质的不同区域振荡。m 。、m ：是中心距 离为2 7 r a m 的z n s e 输出镜。m 3 、地、m 5 、地为镀金反射镜，w ，、w 。为n a c l 窗口。 赫；、豫、毯、魄、瞧、鬻；、g ；擒藏注长走五熬谐豢整，交1 0 0l i n e m m 懋秘g 。嚣 凇童调谐，使厢靠近阳极的上层激活区。 i f ：、磁、地、阮、w z 、g 。构成a ，的 谐振腔，由1 0 0l i n e m m 光栅g 。自准直调谐，使用靠逝阴极的下层激活区。两 谐掇腔豹光路乎雩亍运转，曩不于扰。但输出的双波长激光在空间上不重叠。 卜 l l k 餐 ( a ) ( a ) 两台t a 激光器同步落行输出双波长 拿 四川大学硕士学位论文 第一辩绪论 。，i ；! ：弋。， 也一一h 劾，一 萎。 图1 ( b ) ( b ) 在一台激光器的完龛相同空间输出双波长 乒皇弘洚 图1 ( c ) ( c ) 在一台激光器的完垒不棚阐空间输出双波长 圈1 ( d ) 用带小孔的全反射镜纵成双波长激光器 1 0 匿 &魄 墟 小影 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 g l 半1 图1 ( e ) 折叠式双波长可调谐激光器 图1 1 ：双波长可调谐激光器的五种振荡方案 薹 2 1 4 2 我们的双波长可调谐t e ac 0 2 激光器 本文所述方案如图1 2 所示，是让两个光栅在空间上交叠，两个光栅相互 利用，同步输出的两个波长不同的激光脉冲在空间上部分重叠，激光脉冲的两 个波长可以在较大范围内任意调节，两个波长的能量比在一定范围内也可任意 调节，且光路易调。由于两波长激光在空间上的重叠，这使它们对物质的双频 激发或双频场多光子离解都具有明显的优势，而空间分离的双波长激光仅在会 聚透镜焦点处两波长的光才会有好的空间重叠，会影响其利用效率。 l八厂、 ， 兄1 + i 2 图1 - 2 在一台激光器的部分交叠空间输出双波长 疆j l 大擎硕士擎位论文 第一掌绪论 参考文献： 1 s 。s i n g e r ，d e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fi n d u s t r i a le 氇l a s e r ，i n d u s t r i a ll a s e r r e v i e w , 1 9 9 0 ，v o l 。5 ，p 1 5 1 8 ， 【2 丘军林，新代工业用高功率c o z 激光器，中国激光，1 9 8 4 ，5 ，v 0 1 2 1 ，第氟期：3 7 6 ， 3 m t a n a k a ，s + y a q i 。n ，t a b a t z ，t r a n s ，i e e eo fj a p a na ，1 9 8 4 ，1 4 0 ( 1 4 ) ：2 1 7 2 2 4 4 k y a s u i ，m 。k u z u m o t o ，s o g a w ae ta t i e e ej q u a n t ，e l e e t e r ，1 9 8 9 ，q 融2 5 ( 4 ) ：8 0 6 8 3 9 胬 p h o f f m a n p r o c ，l a s e ri nm a n u f a c t u r i n g ，t 9 8 5 ，2 0 i 2 。8 ， 6 w s c h o c k ，t h e h a l l ，e w i i d e r m u t h ，s p i e ；1 9 8 8 ，1 0 3 1 ：7 6 8 1 ， 【? r o f i n - s i n e r 激光公司1 9 9 0 年产品样本。 【8 】j u h l e n b u s h , z e b oz h a n g + l a s e r - - p h y s a n d a p p l i c a t i o n s ，w o r l d s c i e n t i f i c ，1 9 8 9 ，1 6 ， 9 r n o w a u k ，h o p o w e r ， k w e s s e le ta l ，l a s e r a n d o p t o e l e c t r o o n i c ， 1 9 9 1 ，2 3 船) ：6 8 8 1 c i o l ij u n c h a n ge ta l ，c h i n e s ej o u r n a lo fl a s e r ；v o l ，b 8 ，n o ，虫a u g u s t ，1 9 9 3 ，3 7 1 1 丘军秫，我鞠高功率c 0 2 激光嚣的发餍，藏用激光，v 0 1 2 2 ，n o 2 ，a p r i l ，2 0 0 2 ：2 5 4 - 2 5 6 1 2 a j b e a u li e u t r a n v e r s e l y e x c i t e da t m o s p h e r i cp r e s s u r ec 如l a s e r s ， a p p l 。p h y s 1 e t t v 0 1 1 6 p p 5 0 4 5 ”5 ，j u n e1 9 7 0 1 3 3 激毙泽煞，n o + 2 ，p i - 1 6 ，1 9 7 4 。 1 4 赫光生，雷仕堪，激光赫设计基础，上海科学出版丰土，1 9 7 9 率第一版，p 1 7 2 - 1 8 8 1 5 t 。y ，c h a n g ，r a y ，s c i e n t i n s t r u m ，1 9 7 3 ，4 4 ；n o ，4 ，p 4 0 5 - 4 0 7 。 1 6 r 。f o r t i o n ，a ta l 。c a n a d + j ，p h y s v o l 。5 0 ，n o 龟p 5 8 3 - - 5 9 3 。1 9 7 2 1 7 h e r b j ，e ta l ，v u l t r v i o t e tp h o t o i o n i z a t i o n i nt e al a s e r s ，i e e e j q u a n t u m e l e c t r o n i c s ，* t a r c h1 9 7 4 ，p 3 1 1 - 3 1 9 ， t 8 1 7 、j a n s e ne ta l ，l a s e rf o c u s ，1 6 ( i i ) ，7 卜8 4 ( 1 9 8 0 ) 9 “i vl e k k op r o g r a m ”。a n n u a lp r o g r e s sr e p o r to nl a s e rf u s i o np r o g r a m ，s e p t e m b e r 1 9 7 7 一a u g u s t1 9 7 8 ，o s a k au n i v e r s i t y 2 0 a e a m k o e0 + t t e ta l ，i i a ，c n o1 5 2 5 5 2 5o t1 5 0 7 。1 9 8 9t 2 1 】h i d e ot a s h i r o ，e ta l 。”ac 0 2 - l a s e r p u m p e dp a r a