（光学工程专业论文）射频激励波导co2激光器的理论和实验研究.pdf

浙江人学博j ：学位论文 摘要 扩散冷却射频激励波导c o ，激光器由于具有体积小、效率高、寿命长、光 束质量好等优点，己经成为工业用c o ，激光器的主流发展方向。本论文全面研 究了射频激励波导c o ，激光器的场分布、传输损耗、反射耦合损耗、位相耦合、 放电技术等问题，为合理设计射频激励波导c o ，激光器提供了理论和实验的依 据。 本论文以两种矩形波导( 全介质矩形波导和半金属半介质矩形波导) 为研 究对象，利用m a x w e l l 方程组分析了这两种矩形波导内的模场分布，得到了各 自的传输损耗，并对它们进行了比较。通过实验研究了半金属半介质矩形波导 结构的射频激励c o ：激光器。测量了该激光器的近场和远场的输出特性曲线， 利用实验数据计算了近场和远场激光束的光斑半径、激光束的发散角以及m 2 传 输因子。计算表明：矩形波导激光器基模的光束质量要优于高斯光束基模的光 束质量。， 研究了矩形波导激光器的反射镜耦合问题，详细讨论了矩形波导采用平面 反射镜和球面反射镜时各种因素对反射耦合系数的影响。偎出了柱面反射镜对 矩形波导的反射耦合方式，并首次建立了较完善的计算公式，总结出了一套柱 面反射镜的耦合理论。同时对采用球面反射镜和柱面反射镜这两种反射耦合方 式进行了对比。一j 系统地研究了波导c o ，激光器的射频放电技术，建立了完整的数学计算体 系，解决了射频放电技术中放电均匀性和阻抗匹配两个问题。( 得到了一套简单 易行的射频放电技术。探讨了微波激励c o ，激光器中的激励电场分布和激励方 式的问题，提出了+ 型微波波导腔的激励方式。能获得更有效的均匀放电激励守 理论研究了一维波导列阵的位相耦合理论，得到一个重要结论：双脊型的 互耦合系数要比单脊型的高。通过实验研究了几种具有位相耦合功能的一维和 二维波导列阵。 7 提出了一种利用整体模实现波导列阵位相耦合的全新思路，并建立了完整 的理论模型。利用这一模型讨论了单脊型和双脊型波导列阵实现位棉耦合的条 件。 理论研究了几种新型的射频激励c o ，平板波导激光器，讨论了它们各自的 特点。设计了一种具有位相耦合效果的四通道平板波导结构。建立了具有非稳 虚典焦腔结构的辐射型平板波导激光器的远场输出的理论模型并作了引算。 关键词：射频激励，j 皮导kc o ：激光器、位相耦合、波导列阵、? 传输损耗、反 射耦食损耗、微波激励、光束质紧b l | r + v 浙江人学博士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo fi t ss m a l lv o l u m e ，h i 【g he f f i c i e n c y ，l o n gl i v e p e r i o da n dg o o db e a m q u a l i t y , r f e x c i t e dw a v e g u i d e c 0 2 l a s e rh a sb e c o m et h em a i n d e v e l o p i n gt y p eo fc 0 2 l a s e ru s e df o ri n d u s t r y t h i sp a p e rs t u d i e dm a n y a s p e c t so f r fe x c i t e d w a v e g u i d ec 0 2 l a s e r , s u c h a sf i e l d d i s t r i b u t i o n ，t r a n s m i s s i o nl o s s ，r e f l e c t i n gc o u p l i n gl o s s ，p h a s e c o u p l i n g ，d i s c h a r g i n gt e c h n i q u ee t c ，p r o v i d i n gat h e o r e t i ca n de x p e r i m e n t a lr u l ef o r d e s i g n i n g ar fe x c i t e dw a v e g u i d e c 0 2 l a s e r t a k i n g t w ok i n d so fr e c t a n g l e w a v e g u i d e s ( i e w h o l e d i e l e c t r i c r e c t a n g l e w a v e g u i d ea n dh a l f - m e t a l h a l f - d i e l e c t r i cr e c t a n g l ew a v e g u i d e ) a ss u b j e c ti n v e s t i g a t e d ， u s i n gm a x w e l le q u a t i o n ss e t ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ed i s t r i b u t i o no ff i e l do ft h e s et w o k i n d so f r e c t a n g l ew a v e g u i d e s ，g o tt h e i rt r a n s m i s s i o nl o s s ，a n dc o m p a r e dt h er e s u l t s t h e n ，s t u d i e dt h eh a l f - m e t a l h a l f - d i e l e c t r i c r e c t a n g l ew a v e g u i d ec 0 2l a s e rt h r o u g h e x p e r i m e n t s a n dm e a s u r e dt h eo u t p u tc u r v e si nn e a r - f i e l da n df a r f i e l do ft h i sl a s e r ， c a l c u l a t e dt h e r a d i u so fs p o t s i z e ，a n g l e s o fd i v e r g e n c eo fl a s e rb e a ma n dm ! t r a n s m i s s i o nf a c t o ri nn e a r f i e l da n df a r f i e l da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a a 1 l t h ec a l c u l a t i o ni n d i c a t e d ：t h eb e a m q u a l i t yo f b a s i cm o d e i nr e c t a n g l ew a v e g u i d el a s e r i sb e t t e rt h a nt h a to fg a u s sb e a m t h i sp a p e ra l s or e s e a r c h e dt h ep r o b l e m so nt h e r e f l e c t i n gm i r r o rc o u p l i n go f r e c t a n g l ew a v e g u i d el a s e r ，d e t a i l e dd i s c u s s e dt h ee f f e c to nt h er e f l e c t i n gc o u p l i n g c o e f f i c i e n tc r e a t e db yv a r i o u sf a c t o rw h e na p l a n er e f l e c t o ro ras p h e r er e f l e c t o rw a s u s e di nar e c t a n g l ew a v e g u i d e a n di t st h ef i r s tt i m et h a tt h em a n n e ro f r e f l e c t i n g c o u p l i n go f ac y l i n d e rr e f l e c t o ri na r e c t a n g l ew a v e g u i d ei sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r f u r t h e r m o r e ，c a l c u l a t i n gf o r m u l a sw e r ep r o v i d e da n das e r i e s o fc o u p l i n gt h e o r y a b o u tc y l i n d e rr e f l e c t o rw e r ec o n c l u d e d o t h e r w i s e ，t w ok i n d so f r e f l e c t i n gc o u p l i n g m a n n e r , w h i l eas p h e r er e f l e c t o ro rac y l i n d e rr e f l e c t o rw a su s e di nar e c t a n g l e w a v e g u i d e ，w a sc o m p a r e d t h er f d i s c h a r g i n gt e c h n i q u e o f w a v e g u i d ec o ! l a s e r w a ss t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y , ac o m p l e t em a t h e m a t i c a ls y s t e mw a se s t a b l i s h e d ，a n dt w op r o b l e m so n u n i f o r m d i s c h a r g i n g a n di m p e d a n c e m a t c h i n gi nt h i st e c h n i q u e w e r er e s o l v e d m a n yp r o b l e m so nt h ed i s t r i b u t i o no fe x c i t e de l e c t r i c f i e l di nm i c r o w a v e e x c i t e d c 0 2l a s e rw e r ed i s c u s s e da n da 牝s h a p ew a v e g u i d ew a sp r e s e n t e da s a o r i g i n a l i t yi n n o v a t i o n t h e p a p e r a l s os t u d i e dt h e t h e o r y o fp h a s e c o u p l i n g o fo n ed i m e n s i o n w a v e g u i d ea r r a ya n dc o n c l u d e dt h a t ：t h er e c i p r o c a lc o u p l i n gc o e f f i c i e n to fad o u b l e v 浙江大学博1 学位论史 r i d g ew a v e g u i d ea r r a yw a s b e t t e rt h a nt h a to fas i n g l e - r i d g e a n ds o m ek i n d so fp h a s e c o u p l i n g o n e - - d i m e n s i o no rt w o - - d i m e n s i o nw a v e g u i d ea r r a y s w e r er e s e a r c h e di n e x p e r i m e n t s f u r t h e r m o r e ，an e wi d e aw h i c hu t i l i z e de n s e m b l em o d e lt o r e a l i z e p h a s e c o u p l i n gi nw a v e g u i d ea r r a y sw a sp u tf o r w a r d a n dap e r f e c tt h e o r e t i c a lm o d e lh a d b e e ne s t a b l i s h e d ，w h i c hw a su s e dt od i s c u s st h ec o n d i t i o n o f p h a s e c o u p l i n gi ns i n g l e r i d g ea n dd o u b l e r i d g ew a v e g u i d ea r r a y s a n d ，t h ep a p e rs t u d i e ds o m en e w k i n d so fr fe x c i t e dc 0 2s l a bw a v e g u i d e l a s e r , a n dd i s c u s s e dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c s a f t e rt h a t ，af o u r c h a n n e ls l a bw a v e g u i d ew h o s e p h a s ec o u l d b ec o u p l e dw a sd e s i g n e d a n dt h et h e o r yo ff a rf i e l do u t p u to f r a d i a ls l a b w a v e g u i d e l a s e rw h i c hh a das t r u c t u r eo f i m a g i n a r yc o n f o e a lu n s t a b l er e s o n a t o r sw a s e s t a b l i s h e da n dw a su s e df o rc a l c u l a t i o n k e yw o r d s ：r fe x c i t e d ，w a v e g u i d e ，c 0 2l a s e r , p h a s ec o u p l i n g ，w a v e g u i d e a r r a y , t r a n s m i s s i o nl o s s ，r e f l e c t i n gc o u p l i n gl o s s ，m i c r o w a v ee x c i t e d ，b e a mq u a l i t y f a c t o r 浙江人学博1 学位论文 致谢 从博士入学至今，我得到了导师陈钰清教授的悉心教诲。他严谨的科研态 度、严肃的工作作风、缜密的思维方式给我留下了极深的印象，并将使我在以 后的工作道路上受益匪浅。 导师陈钰清教授经过认真仔细地推敲，拟定了我的博士论文课题，并在论 文进展的各个阶段给予我极大的帮助。他博学的理论知识、丰富的实践经验， 使我每每遇上难点时都能迎刃而解。可以说，这本论文的字里行间凝聚了导师 多年来对我的关怀和帮助。我心中充满了对导师陈钰清教授的无限感激之情， 几乎无以言表，谨在此表示最深的谢意。 在博士期间，我得到了光电系许多老师和同学的热心帮助。在我遇到困难 时，他们都倾其所知地帮助我。 感谢王静环副教授给予我的关心和帮助。她在理论、实验方面都给了我很 多的帮助。 感谢信电系的黄恭宽教授在百忙之中审阅了本论文初稿中的电磁理论部 分，提出了许多宝贵意见，让我受益匪浅。 感谢何友生工程师给予我的帮助。他为我的实验提供了有利条件。 感谢陈军教授、朱列伟副教授、马养武副教授对我的帮助。他们在百忙之 中仍耐心细致地与我探讨了许多问题。还有浙大光仪厂的领导和师父们，在器 件加工时为我提供了方便条件。 感谢各位参加审稿和答辩老师。 感谢各位同学对我各方面的支持和帮助。他们给我的生活带来了许多欢 乐。在我需要帮助时，他们都毫无二言地尽最大努力地帮我。我想对他们说： “嘿，够朋友! ” 最后，我要感谢父母、姐姐、姐夫及爱人杨风雷给予我的关心、理解和帮 助。这是最无私的爱，我要用无声的行动束报答。谨以此文献给他们。 朱钧 2 0 0 0 年7 月j 求是b d 渐江人学博j ：学位论殳 第一章绪论 1 1 射频激励c o ，波导激光器的发展概况 c o ，激光器是最早发展的气体激光器之一，也是现在应用中最重要、 应用最广泛的激光器之一。从1 9 6 4 年”1 开始它取得了飞速地发展，出现了 封离型、流动型、横向激励型和波导型等多种形式的c o ，激光器。c o ，激 光器的主要特点是输出功率大，可以以连续方式和脉冲方式工作，能量转 换效率高。现在，连续波输出的功率可以达到数十万瓦，市场上已经有了 几万瓦商品化的c o ，激光器，脉冲输出能量可以达到数万焦耳，脉冲功率 可以达到1 0 ”w 。其转换效率可以高达2 0 2 5 【2 l ，是能量转换效率最高的 激光器之一。因此，c o ，激光器在工业上被广泛地运用于切割、打孔、焊 接、热处理和医学手术刀等应用上。另外，c o ，激光器上有一个很诱人的 特点，那就是其在光谱方面的运用。c o ，激光器的输出光谱相当丰富，主 要分布在9 一l l m 区间，这个波段正好是大气的窗口之一，传输损耗小， 适合于在大气中传输，在测距、通讯和制导上有很广泛的应用。 随着c o ，激光器技术的发展，7 0 年代b e l ll a b o r a t o r i e s 和h u g h e s r e s e a r c hl a b o r a t o r i e s 研制出了波导c o ，激光器”】。波导c o ，激光器和普通 的c o ：激光器不同之处在于：普通c o ，激光器腔内的放电管是直径为5 2 0 r a m 的玻璃管，激光束在腔内的传播服从自由空间的传播规律；而波导 腔的尺寸一般是l 3 舢，激光束在波导内的传播是服从波导中光的传播 规律，与在自由空间的不一样。以往的开放式谐振腔的振荡模式是建立在 电磁场在自由空间传播的规律基础上的，对波导腔而言是不适用了。与普 通的激光器相比，波导激光器具有许多优点，如： ( 1 ) 体积小：， ( 2 ) 在多普勒展宽的激光器内有较高的增益，可以制造出结构紧凑的 低功率激光器； ( 3 ) 激光激发区域与模体积问匹配相当高： ( 4 ) 光束质量好。 早期的c o ，激光器均采用了纵向直流激励，这一激励方式相列技术成 熟，简单易j 亍，运用最广。但是也有1 ：多缺点： ( 1 ) 工作电压高，一般需要l 千伏厘米的电压。电压高，不安全。 而且还会引起电流密度增加，在阴极上产生不利的化学反应，这 种化学反应会通过阴极的氧化而耗尽c o ，中的氧，这将影i i 阳激光 浙江大学博士学位论史 器的寿命。 ( 2 ) 电极溅射吸附工作气体可以污染反射镜镜片，会影响反射镜的反 射率，也就影响了器件的寿命。 ( 3 ) 输出功率不能进行高速率的电控制。 将射频激励技术与波导c o ，激光器相结合。就产生了射频激励波导c o ： 激光器。自从1 9 7 8 年，d r k a t h e r i n el e a k m a m 首先将射频r f 激励技术 运用到波导c o ，激光器上以后1 4 】，由于这一技术较其它放电方式具有独特 的优点，使得射频激励技术得以非常迅速的发展。1 9 9 1 年英国的h e r i o t w a l l 大学的h a l l 教授研制成千瓦级射频横向激励扩散冷却波导c o ，激光器，其 尺寸仅为8 5 0 x 2 5 0 x 1 5 0 m m 3 ，是普通直流激励快速气体流动千瓦级c o ，激 光器体积的十分之一口】。这充分体现了射频激励波导c o ，激光器的优点。 与直流激励技术相比r f 激励技术有许多独特的优点： ( 1 ) 通过调节激光输出功率的电控程度，能进行高速率的电控制，脉 冲调制速率可以达到1 0 0 k h z 以上： ( 2 ) 射频能量可以通过介质材料进行放电。例如，激光器的工作气体 c o ，在陶瓷介质围成的波导内，射频电极则在波导外，射频能量 可以透过陶瓷介质直接馈入到激光工作气体中去，因此电极就不 会受到工作气体的溅射和损伤，这样气体也不会在阴极被吸附， 激光器的腔镜也不会受到污染，器件的寿命和激光器的寿命也就 延长了： ( 3 ) 放电均匀。利用均匀放电技术和网络匹配技术可以实现激光头大 面积的均匀放电，即使在调制脉冲情况下工作，放电也十分均匀， 从而改进了光束质量： ( 4 ) 射频激励气体的功率密度高，故放电效率高； ( 5 ) 电压低，一般为1 0 0 一2 0 0 伏，而且可接触的部件都接地，因此 操作安全； ( 6 ) 用一个射频发生器可同时激励多个放电区或纵横比很大的放电 区，从而得到大功率输出，又降低了制造成本，也克服了直流激 励方式中同时激励和调整多个放电段的困难； ( 7 ) 气体放电可在不需要气体流动，可用全分离型的结构或仅需低速 流动情况f 实现大功率输出，因此不必用昂贵的罗茨泵，大人减 少了激光器外围的辅助设施。 因此，射频激励c o ，激光器，在输出激光束的光束质量、电调制性能、结 构的紧凑程度、电转换效率、气体消耗和不需要气体流动以及延长器件寿 命等诸方面，均较直流激励方式的器件优越。当然，射频激励技术也有一 浙江大学博士学位论文 些缺点： ( 1 ) 激光头和射频发生器必须用法拉第笼架罩住，以免射频辐射泄 漏，对低功率c o ，激光器来说，增加了成本。 ( 2 ) 激光输出功率可调范围小，仅用降低射频电压幅值的方法，激 光输出功率调节范围不到5 0 ；若要进一步降低平均激光功率 输出，需调占空比( 脉宽) 来实现。 ( 3 ) 直流激励器件的壁插头( w a l l p l u g ) 效率较射频激励的器件高 些，因为在电源与激光器之间，前者只用一个( 开关) 电源， 而后者需用d c r f 电源。在晶体管情况下，晶体管器件的效率 仅5 0 。故预计射频激励器件的输入( 壁插头) 功率为直流激 励器件的两倍大。 由于c o ，波导激光器的诸多优点，人们希望开发出一种封离式、结构紧凑、 可以广泛运用于工业、医疗和国防等领域的c o ，波导激光器。为了满足这一要 求，首先把注意力放在了折叠腔结构的c o ，波导激光器上。但是，折叠腔也存 在一定的问题，对于一个双折叠腔结构的波导激光器，入射到反射镜上的光能 量也就增加了一倍，对反射镜上的膜层会存在一定的损伤。为了解决这个问题， 一般采用增加波导尺寸的方法，但是这样会使波导腔成为自由腔，而且会带来 高阶模的问题。另外，单个波导单元中输出的激光功率也不可能达到很高，因 为功率越大，工作气体的温度也越高，工作气体的温度达到一定的时候反过来 会影响输出的功率和效率。一般的解决办法是加快气体流动的速度，并把气体 充分冷却。这种技术可以提高激光器的工作效率，使得单位长度放电区的输出 功率提高几个数量级。但是，快速流动气体必须加入热交换器、气体高速循环 器等一系列的辅助性设备，这样会使得激光器的结构复杂、成本高、体积大、 重量大。 为了解决带高速循环系统的c o ，激光器和折叠腔的缺点，英国h e r r i o t w a t t 大学的k m a b r a m s k i 和j g x i n t 6 】【7 1 等人提出了“面积放大”( a r e as c a l i n g ) 型 扩散冷却波导c o ，激光器，这类激光器可以在静止的气体中注入很高的功率。 目前的“面积放大”( a r e as c a l i n g ) 型波导c o ，激光器主要有三种：( 1 ) 列阵波 导型；( 2 ) 平板波导型；( 3 ) 环形波导型。这些结构的波导激光器的输出功率与放 电面积成正比。 波导列阵结构的c o ，激光器是将m 个单波导按一定的规律排成一维或二j 维 的列阵，利用位相锁定技术使得各个波导单元之间实现位相锁定，以实现单模 高功率输出，使得在远场得到功率密度很高的光场分布。列阵结构的波导激光 器的研究工作足从8 0 年代中后期开始的。例如，美国u n i t e dt e c h n o l o g yr e s e a r c h c e n t e r 的研究肯利刖h o l l o wb o r er i d g e ( h b r ) 空，心脊列阵结构，研i 剐了套 浙江大学博l 学位论文 1 5 结构的波导激光器，增益长度为3 7 0 m m ，获得了9 5 w 的输出1 8 1 9 1 1 1 0 】；美国 的y o u m a n s 采用泄漏模的方式，研制了i x 2 列阵结构的激光器，增益长度为 1 0 0 r a m ，输出功率为1 w e “i 。其后，列阵结构的波导c o ，激光器迅速地发展起 柬。 波导列阵c o ，激光器的一个作用是可以使各个波导单元之间的位相锁定， 这样对一个p x q 列阵结构的激光器，在远场可以得到单波导( p q ) 2 倍的峰值功 率。现在所用的位相锁定技术通常有两种，即：注入锁定和光学耦合。 注入锁定的实现方法是将单个激光器的光输出到平行谐振腔列阵中，当各 个谐振腔单元之间的光程相等时，各个波导单元输出的激光束将保持同位相， 在远场可以实现相干叠加。但是这种技术对光学元件的加工精度和装调精度的 要求很高，另外受环境的影响也很大。所以，在实际的应用中用注入锁定的技 术实现波导列阵的位相锁定是有一定难度的。现在，一般也不采用这种技术， 而采用下面介绍的光学耦合的技术。 目前看来，用光学耦合的方法来实现位相的耦合是很有效的。气体波导列 阵激光器与半导体激光器实现光学耦合的原理是完全不同的。气体激光器的周 围介质的折射率大于中间的工作气体的折射率，耦合是通过泄漏模实现的。半 导体激光器的中间工作介质的折射率大于周围介质的折射率，耦合是通过瞬逝 波实现的。早期利用光学耦合的c o ，波导激光器如图1 1 1 所示2 】，波导单元之 间是通过透明介质( z n s e 等) 来隔离的，各个波导模的位相和振幅就是通过这 一透明介质相互耦合起来的。实验表明这种结构的波导列阵激光器可以实现位 相的耦合，但是也存在很多缺点： ( 1 ) 装置复杂，加工复杂； ( 2 ) 光在波导内是掠入射到透明介质上的，所以在反射面上反射率很高， 耦合很少，不易得到稳定的位相锁定，位相锁定的时间短，一般仅仅 只有几分钟： ， ( 3 ) 透明介质容易在波导单元内部形成反对称模，也就是相邻波导问的位 相相差尢。在位相锁定的情况下，这样会在远场形成中心为暗区的光斑， 这对实际的应用是很不利的。 ( 4 ) 在红外波段要找到透射率既高、导热性能又好的材料是很困难的，这 对材料的制造和加工的要求应该是很高的。我们在实验中就发生过d 于波导内温度过高，z n s e 的导热性不好，导致波导单元i h j 的z n s e 隔 层炸裂的情况。 塑坚盔兰竖生堂些丝兰 z n s e a 1 2 0 3 彤彭名彤 荔荔纩一 冽 ii 编露 彤 彤 形 彤 形 彤形彭彭形彭形彤彭彤彤彭彭彤彤彭彤彩 剀1 11 利用z n s e 隔离板的c 0 2 波导激光器 图1 1 ，2h b r 结构波导简图 现在一般都采用在波导单元之间开狭缝，通过波导模的泄漏模把各个通道 的位相和频率耦合起来i ”】。常见的结构是空心脊结构波导( h b r ) ，其结构如图 1 1 2 所示，波导材料一般由a 1 ，o ，或b e o 制成，各个波导单元之间有一个脊， 使得波导单元之间部分隔离部分连通。脊的重要作用在于提供了一个损耗的边 界，使得波导模在各自的空i d j 内传播，同时为各个波导单元之间的位相耦合提 供了空间。关于这种结构的波导列阵，本论文将在第四章进行详细的论述。 尽管现在有许多方法可以实现激光束位相的耦合，但是实现起来还是有许 多的问题，所以在大功率的c o ，波导激光器的研究中会受到一定的限制。近两 年，国际上对“面积放大”型高功率激光器的研究主要集中在c o ，平板波导激 光器。图1 1 3 为典型的平板波导激光器的结构。由于平板波导结构简单，加工 简单，所以有很广泛的应用前景。 图1 13 平扳波导结构示意图 1 9 8 7 年，d r h a l l 等人利用如图1 1 3 所示的平板波导，波导尺寸为 2 2 5 x 1 8 x 3 7 6 m m 3 ，谐振腔采用平行平面腔，获得1 3 5 w 的激光输出，效率为1 5 ； 而在波导总长为l m 的平板波导激光器上采用普通的稳定腔，多模输出功率达 4 3 0 w i “i 。 平板波导腔具有结构简单、放电面积大、输出功率高的优点，但是因为其 横向尺寸大，所以存在高阶模输出，光束质量不够好的缺点。为了得到工业应 用所需的光束质量，并充分提取放电区内注入功率，1 9 8 9 年，p f j a c k s o m 等人提出一种在波导腔中加入非稳腔的结构，称之为非稳一波导混合腔【| 5 i f ”】。 非稳腔具f r 以下优点：模体积大：可控制衍射耦合输出；横模容易鉴别和控制： 容易得到单端输m 和准直的平行光束。这种结构的腔型充分利川了、卜扳波导和 浙江入学博上学位论文 非稳腔的优点。p f j a c k s o m 在2 2 5 x 4 5 x 3 8 0 m m 3 的放电体内得到2 4 0 w 接近 衍射极限的激光输出，其效率为1 2 ，比输出功率密度达1 4 k w m 2 。德国的 r n o w a c k 等人在此技术上于1 9 9 1 年，在波导尺寸为1 0 0 x 6 0 0 x i 5 m m 3 的激光 器上获得1 0 4 0 w 的激光输出，其效率为1 1 【l b l ；英国的a d c o l l e y 等人也利用 非稳一波导混合腔在2 x 9 5 x 7 7 0 m m 3 的放电区内获得1 0 6 0 w 的激光输出，其效 率为1 2 ”“。现在，德国的r o f i n 公司则利用这技术研制成了功率达2 0 0 0 w 的商品化的工业激光器。关于这类激光器本论文将在第5 章详细论述。 为了提高激光器的输出功率和光束质量，1 9 9 1 年加拿大的e f y e l d e n 等人 提出了辐射型波导c o ，激光器【2 0 】【2 ”。其最初的结构是由8 个尺寸为4 r a m x 4 0 r a m 5 0 0 m m ，象车轮中的辐条一样对称地沿着一个中心孔排列，谐振腔采用复曲 面非稳虚共焦腔。射频电源的工作频率为4 0 6 8 m h z ，工作气体气压为4 1 0 3 p a ， 气体成分为c 0 2 ：n ：h e = l ：1 ：3 。这种激光器获得2 8 0 w 的t e m 。模输出， 发散角为4 8m r a d 。后来，e f y e l d e n 等人【2 2 】仍然按照这一思想研制出了4 8 和 5 0 0 个平板波导的辐射型波导c o ，激光器，它们的最大输出功率分别为l o 万瓦 和1 0 0 万瓦。这种波导激光器的优点在于，可以得到很高的输出功率，同时光 束的质量还非常好。我们认为，这是一种最有发展前景的高功率波导c o ，激光 器。 1 2 射频激励c o ：波导激光器的基本结构 这一节我们粗略地介绍一下波导c 0 ，激光器的系统结构及实验装置，如图 1 2 1 所示。气体混合室同时与4 个提供h e ：c o ，：n ，：x e 的气瓶相连，在气 体混合室按h e ：c o ，：n ：x e = 3 ：l ：l ：0 1 的比例完成工作气体的混合，并 为整个激光器提供工作气体。在气体混合之前必须用真空泵将气体混合室抽成 真空。真空计用来控制各种气体的成分比和工作气体的气压。射频电源通过匹 配网络为激光器提供射频能量( 匹配网络的作用将在下面介绍) ，通过式功率计 主要用来测量射频电源的输出功率和发射功率。冷却水通过激光器的电极为激 光器的工作气体提供冷左口作用。当激光器工作后用激光功率计测量激光器的输 h 功率。 浙江大学博士学位论文 图1 21 射频激励波导c 0 2 激光器系统结构图 从电学的角度来看射频激励波导c o ：激光器可以等效为一个电路，如图 1 2 2 所示，这个电路主要由四部分组成：( 1 ) 激光头；( 2 ) 电源：( 3 ) 匹配网络；( 4 ) 电源和匹配网络之间的传输线。 r f 胄喽箩器簇 线( 5 0 q )：一一一一：。： l 一一一- 一一一一一一一一一。 图1 2 2 射频激励波导c o ：激光器简图 激光头中主要是由密封在金属容器中的射频电极、波导谐振腔、工作气体 以及用来提高放电均匀性的电感组成。射频电极一般为a l 电极，上下各一块， 有时a 1 电极也充当波导的一部分。激光头中的波导可以是前面所论述过的各利t 波导结构，可以是单波导，也可以是一维或二维波导列阵。其谐振腔可以采用 平行平面腔、普通稳定腔也可以是非稳腔。工作气体一般是h e ：n ：c o ：( 气 体的成分比例为3 ：1 ：1 ) 。山于射频电极的尺寸与刺频电磁波的波长到了可以 相比的程度，所咀需耍考虑射频电压在电极上的分彳1 i 不均匀性问题。利用g l e na g r i f f i t h 和r e d o n d ob e a c h 提出的利用分前i 电感来进行位相补偿的方法| 2 ”，可实 现射频电极f ：的i 乜胍分伽均匀。 浙江大学博l + 学位论文 射频电源一般输出频率在1 0 - - 2 0 0 m h z 之间的射频信号，其内阻一般为5 0 q ，功率低的有几十瓦，高的有几十万瓦。为了得n d , 型化、低功率的射频激 励波导c o ，激光器，有效射频电源特意做得体积很小，可以和激光头封装在一 起。 中间传输线是将射频能量从电源传输到激光头的同轴电缆，一股其阻抗为 5 0 f 2 。由于高频电压在不同的阻抗分界面之间回存在反射波中，所以为了使射 频电源与中间传输线之间的高频电压反射为0 或反射率小于5 ，中间传输线的 阻抗一般也选为5 0 q 。 、 同理，中间传输线和激光头之间也是属于两个阻抗分界面，两者的阻抗是 不一样的。所以两者之间射频电压存在反射，为了使它们之间的射频电压反射 为0 ，解决的方法是在激光头和中间传输线之间加一个匹配网络。匹配网络有 多种形式，如：l 型匹配网络、t 型匹配网络、丌型匹配网络。图1 2 2 中的匹 配网络为丌型匹配网络。 对射频激励波导c o ，激光器而言，要输出功率高、光束质量好的激光束， 可以从改进激光头的设计着手，如前一节讨论过的采用不同结构的波导、位相 锁定技术、非稳腔结构、合理的工作气体比例等等。要提高激光器的效率，则 可以通过计算激光头上分布电感的合理大小，合理设计匹配网络各元件的参数 等方法实现。以此达到激光头放电均匀，射频电压输出的射频能量能充分馈入 到激光头的放电区中，射频电压的反射系数小的目的。这是射频激励波导c o ， 激光器的关键技术这一。 1 3 关键技术 射频激励c o ：激光器的关键技术主要在于：1 射频放电技术，包括实现大 面积均匀放电技术，电源和激光头之间的阻抗匹配技术；2 合适的谐振腔腔体 的波导结构的设计，以实现位相耦合输出、增大模体积和提高激光束的光束质 量。 1 4 本论文的主要工作 ( 1 ) 研究两种矩形波导( 全介质矩形波导和半金属半介质矩形波导) 内的模场 分前i ，以及不同模式的传输损耗。实验研究射频激励矩形波导c o ，激光器， 在近场和远场测量该激光器的输出特性，计算了近场和远场激光束的光斑 半径、激光束的发散角以及m 2 传输因子。 ( 2 ) 波导c o ，激光器射频放电技术。探讨了微波激励c o ，激光器c f 】的激励电 浙江人学博士学位论文 场分布和激励方式的问题，提出了+ 型微波波导腔的激励方式。 ( 3 ) 研究了矩形波导激光器的反射镜耦合问题，详细计算了球面反射镜对矩形 波导的耦合中各种因素对耦合系数的影响。提出了柱面反射镜对矩形波导 的反射耦合方式，并详细计算了各种因素的影响，总结出了一套柱面反射 镜的耦合方法。 ( 4 ) 理论研究维波导列阵的位相耦合理论；实验研究了几种具有位相耦合功 能的一维和二维波导列阵；提出了种利用整体模实现波导列阵位相耦合 的新思路。 、 ( 5 ) 理论研究几种新型的平板波导激光器：设计了一种具有位相耦合效果的四 通道平板波导结构；计算了具有非稳虚共焦腔结构的辐射型平板波导激光 器的远场输出。 参考文献： 1 激光与红外，v 0 1 2 1n o 1p p 3 2 2 马养武陈钰清激光器件，浙江大学出版社，1 9 9 4 3 激光技术与应用的进展，m l 斯帝琪科学出版社 4 j l l a c h a n e r ，j m a c k a r i a n e ，g o t i s “at r a n s e v e r s er f - e x c i t e dc 0 2 w a v e g u i d e l a s e r ”，a p p l p h y sl e t t v 0 1 3 2 ，n o 1 0 ，p p ：6 5 21 9 7 8 5 辛建国魏光辉，“射频激励扩散型冷却c o ，激光器技术的进展与前景”，中 国激光，v 0 1 a 2 1 ，n o 4 ，1 9 9 4 ，p p ：3 7 1 6 j g x i n ，d r h a l l ，“c o m p a c t ，m u t i p a s s ，s i n g l e t r a n s e r s em o d e c 0 2 l a s e r ” 7 km a b r a m s k i ，a d c o l l e y ，h j b a k e r ，“p o w e rs c a l i n go f l a g e r a e a rt r a n s v e r s e r a d i of r e q u e n c e d i s c h a r g ec 0 2l a s e r ”，a p p l p h y s l g t t v 0 1 5 4 ，n o 1 9 ，p p ：1 8 3 3 1 9 8 9 8 “c o u p l e dh i g hp o w e rw a v e g u i d e l a s e rr e s e a r c h ”a d - - 1 5 9 0 7 6 。s e p t19 8 5 9 “h i g h p o w e rc o u p l e dc 0 2w a v e g u i d el a s e ra r r a y ”a p p l p h yl e t t e ，v 0 1 4 8 ，n o 2 3 j u n e l 9 8 6 p p ： 1 7 0 1 】0 “r e s e a r c hr&da d v a n c e si ns e a l e d o f fc 0 2l a s e r sw a v e g u i d el a s e ra r r a y ”， l a s e rf o c u s ，j u n e1 9 8 7 ，p p ：8 0 l1 “p r o o fo fp r i n c i p l ee x p e r i m e n tf o rac o h e r e n tc 0 2w a v e g u i d el a s e r a r r a y ”， a f w a i ，一t r 一8 3 - - 2 0 9 4 o c t o r b e r 19 8 3 2dgy o u m a n s ，“p h a s e l o c k i n g o f a d j i c e n t 浙江大学博j ：学位论文 l a s e r ”，a p p l ，p h y s l e t t v 0 1 4 4 ，n o 4 ，1 9 8 4p p ：3 6 5 3 6 7 1 3 l a n e w m a n ，r a h a r t ，j t k e n n e d ye t c “h i g hp o w e rc o u p l e dc 0 2w a v e g u i d e l a s e ra r r a y ”，a p p l p h y s l e t t v 0 1 4 8 ，n o 2 5 ，1 9 8 6p p ：1 7 0 1 一1 7 0 3 1 4 d r h a l l ，h j b a k e r ，“a r e a s c a l l i n gb o o s t sc 0 2 一l a s e rp e r f o r m a n c e ”，l a s e r f o c u s ，1 0 ，7 71 9 8 9 1 5 p e j a c k s o n ，h j b a k e r ，d r h a l l ，“c 0 2l a r g ea r e a d i s c h a r g e l a s e ru s i n ga n u n s t