（光学专业论文）纵向脉冲放电激励的锶蒸气激光器.pdf

浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中 特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经毵蠡蓼撰写过的瞬字减果，也不包含为获 得龅盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已舀言论文中作了明确的说明并表示谢意。 学准吩雠者签名：；芬墨匏签字日期：。uf 口年彭月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解龅盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印 件和磁盘，允带蝴查阅和借阅。本人授权逝望盘堂可以将学位娩文的全部或部分内容编入 有关数据库进行忿翱蝴，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位询坼铡龆：张啦 导臌：谬仇k 签字日期：抑年歹月，日签字日期：知口年石月，日 目录 目录i a b s t r a c t i i i 摘要v 第1 章绪论。1 1 1 研究的目的1 1 2 锶金属蒸气激光的发展历史1 1 3 卤化锶激光器。3 1 3 1 卤化锶激光器发展概述3 1 3 2 卤化锶激光的工作过程5 1 4 研究的内容和意义7 第2 章h e 一& c f ，激光的工作特性。9 2 1 锶的能级结构。9 2 1 1 相关粒子数密度方程9 2 1 2 电子密度方程1 0 2 1 3 电子温度方程1 0 2 1 4 腔内光强变化方程1 1 2 2 h e s r c l 2 气体激光实验装置1 1 2 3 激光输出特性1 3 2 3 1 激光输出总功率与相关参量的变化关系1 3 2 3 2 各激光谱线光电波形1 6 2 4 本章小结1 7 第3 章激光放电管内径向温度场1 9 3 1 各个区域的径向温度场分布1 9 3 1 1 放电管区域的径向温度场。1 9 3 1 2 隔环区域径向温度场2 l 3 1 3 保温棉区域的径向温度场2 2 3 2 各种参量对温度分布的影响2 2 3 3 不同结构放电管对径向温度场分布的影响2 6 3 4 本章小结2 7 第4 章放电激励电路2 8 4 1 三种放电激励电路2 8 4 2 闸流管阻抗和等离子体阻抗3 3 4 2 1 等离子体阻抗与电源电压的关系3 3 4 2 2 闸流管阻抗与等离子体阻抗的表示3 6 4 3b l u m l e i n 电路放电过程数值计算3 6 4 4 闸流管参数对放电电流的影响3 9 4 5 本章小结：3 9 第5 章总结及展望4 1 参考文献4 3 参加的科研项目和发表的论文。4 6 致谢一4 7 a b s t r a c t ：i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n th i s t o r y , a p p l i c a t i o n s ，a n dt h es t u d y s m e a n i n ga n dp u r p o s eo ft h es t r o n t i u mv a p o rl a s e rw e r ei n 仃o d u c e db r i e f l y t h em a i n d y n a m i cp r o c e s s e sa n dt h el a s e rm e c h a n i s ma b o u tt h eh i g hr e p e t i t i o nr a t ep u l s e d d i s c h a r g e ds t r o n t i u mv a p o rl a s e rw e r ea n a l y z e d ，m e a n w h i l e ，t h ee q u a t i o n so fs o m e m a i nm i c r o s c o p i cp a r a m e t e r s ，s u c ha st h er e l a v e n tl a s e rl e v e l s ，e l e c t r o nd e n s i t y ， e l e c t r o nt e m p e r a t u r ea n dp h o t o nd e n s i t yo f t h ec a v i t yw e r ea l s og i v e n i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fs h o r t e ro p e r a t i o n a ll i f eo fl a s e rt u b e ，w eh a v e a d o p t e ds t r o n t i u mb r o m i d ea st h el a s e rm e d i u mt or e p l a c em e t a ls t r o n t i u m b yt h e w a yo f s l o wf l o wo fb u f f e rg a s ，m u l t i - l i n el a s e ro s c i l l a t i o n so fd i f f e r e n tm e c h a n i s m h a v eb e e na t t a i n dt h r o u g hh i 曲一丘e q u e n c yp u l s ed i s c h a r g e d t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h e l a s e ro u t p u tp o w e ra n dt h ev o l t a g e ，p u l s er e p e t i t i o nf r e q u e n c y ，t h ep r e s s u r eo fb u f f e r g a sw e r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y , a n dag r o u po fr e l a t i v e l ym a t c h i n gw o r kp a r a m e t e r s w e r ea t t a i n e d ，s ot h eh e s r c l 2 m u l t i - l i n el a s e ro fs t a b l eo u t p u tw i t hw a t tl e v e l w e r ea c h i e v e d ，w h i c he f f e c t i v e l ye x t e n d e dt h ew o r k i n gl i f eo fl a s e rt u b e m o r e o v e r , t h et i m eb e h a v i o r so ft h e h e - s r c l 2m u l t i l i n el a s e rp u l s e sa n de x c i t a t i o nc u r r e n t p u l s ew e r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d ，t h ep h e n o m e n o no fl a s e rp o w e rc h a n g i n gw i t h t h eo p t i c a lp u l s ec h a r a c t e r i s t i c sw e r ea l s oe x p l a i n e dr e a s o n a b l y t h er a d i a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fd i s c h a r g et u b eh a sg r e a ti m p a c to nt h e d i s t r i b u t i o no fk i n d so f p a r t i c l e s ，s ot h el a s e ro u t p u tp o w e ra l s oh a sr e l a t i o n s 谢mi t i nt h i sp a p e r , s t a r t i n gf r o mb e r t h o ne q u a t i o n ，a c c o r d i n gt o t h eb o u n d a r ya n d c o n t i n u o u sc o n d i t i o n s ，t h er a d i a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fd i s c h a r g et u b ew e r e a t t a i n e d t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h er a d i a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h et u b ea n d k i n d so fp a r a m e t e r sw e r eg i v e n , a n d , t h er a d i a ld i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n td i s c h a r g e t u b e sw e r ea l s oc o m p a r e d , w h i c hc o n f m n e dt h a tm o r eu n i f o r mr a d i a lt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nc o u l db eg a i n e di nt h el a s e rt u b e 谢mr i n g i no t h e rh a n d ，t h ed i s c h a r g e d p r o c e s sa n dp r o s p e r i t yo fs o m ed i s c h a r g e dc i r c u i t sw e r ea n a l y z e d ，a n dt h ei n f l u e n c e o fc i r c u i tp a r a m e t e r so nt h ed i s c h a r g ep r o c e s so fb l u m l e i nc i r c u i tw e r es i m u l a t e da n d a n a l y z e do nc e r t a i nd i s c h a r g e dc o n d i t i o n s ，a n dt h em o r em a t c h i n gc i r c u i tp a r a m e t e r c o m b i n a t i o nw a sg a i n e d ，w h i c hm a k e ss e n s ef o rt h eo p t i m a ld e s i g no ft h ed i s c h a r g e d i i i c i r c u i t k e yw o r d s ：s t r o n t i u mv a p o rl a s e r , s t r o n t i u mb r o m i d el a s e r , r a d i a lt e m p e r a t u r e ， b l u m l e i nd i s c h a r g ec i r c u i t , p l a s m ai m p e d a n c e 摘要：本文简要介绍了锶蒸气激光的发展历史进程、相关应用以及研究的意义 和目的。分析了高重复率脉冲放电锶蒸气激光中的主要动力学过程和激光机制， 给出了有关激光能级、电子密度和温度以及腔内光子数密度等微观参量的变化方 程。 为了解决锶蒸气激光器中激光管运转寿命较短的问题，用卤化锶替代金属锶 作为锶蒸气激光的工作介质，在缓冲气体缓慢流动方式下，通过高频脉冲放电在 卤化锶激光器中获得多组激光谱线，实验研究了激光输出功率随电源电压、脉冲 重复频率和缓冲气体压强的变化关系，得到了一组较匹配的工作参量，实现了瓦 级功率的h e - - s r c l 2 多谱线激光的稳定输出，有效延长了激光管的工作寿命。测 量分析了h e - - s r c l 2 多谱线激光脉冲和激励电流脉冲在不同激光功率时的时间行 为，对光电脉冲特性随激光功率变化的现象给出合理解释。 放电管径向温度场分布对各种粒子分布有着重要影响，而这也直接影响着激 光的输出情况。从解伯松方程着手，根据边界和连续条件得到了放电管内的径向 温度场分布，给出了放电管内径向温度场随各种工作参量的变化关系，同时比较 了不同结构放电管的径向温度场分布情况，证实了隔环结构能够获得较为均匀的 温度径向分布，对放电稳定性以及激光光斑质量有好的效果。分析对比了多种放 电激励电路的放电过程和特点，结合实验放电条件和动态阻抗参量，模拟分析了 电路参量对b l u m l e i n 电路放电过程的影响，明确了有关电容和回路的放电过程， 得到了比较匹配的电路参量，为电路的优化设计提供了参考。 关键词：锶蒸气激光、卤化锶激光、径向温度场、b l u m l e i n 激励电路、等离子 体阻抗 第l 章绪论 1 1 研究的目的 激光自问世以来，对科学发展和技术进步所起到的巨大作用已被举世公认。 因此，寻找新的激光介质、探索新的激光机制和激光谱线等研究工作，长期以来， 一直是国内外学者高度重视和持续深入研究的重要课题。在已取得的从紫外到红 外光谱范围的多谱线激光振荡，被广泛应用在激光工业加工、材料处理、微电子 技术、生物育种和激光医疗等方面。 锶蒸气激光是金属蒸气激光的一个重要分支，在氦、氖等缓冲气体环境下， 通过高电压、大电流脉冲放电，可以实现不同机制的多组激光谱线的振荡，包括 波长6 4 5 彬的锶原子自终止激光、波长1 0 3 1 0 9 胛的锶离子自终止激光和波 长4 1 6 2 4 3 0 5l g m 的锶离子复合激光，特别是锶离子复合激光，由于属于短缺的 蓝、紫波段，在采用高频高压准连续脉冲放电激励下，可提供瓦级平均功率的脉 冲激光，在激光化学、激光生物学、激光光谱学、激光医学等方面有广泛良好的 应用前景。另外，锶激光还被认为是激光大屏幕全色显示的三原色之一的蓝色激 光的最有希望的激光器件。因此，本研究工作的目的，就是通过实验研究锶蒸气 激光输出功率随各种工作参量的变化关系，得到较为匹配的参量组合，实现瓦级 功率的h e - - s r c l 2 多谱线激光的稳定输出；同时对不同结构放电管的径向温度场 分布和激励电路的参量优化进行计算分析，从而明确并证实相关工作参量对放电 稳定性以及激光光斑质量的影响，为进一步改善锶激光的输出特性提供参考的依 据。 1 2 锶金属蒸气激光的发展历史 锶金属蒸气激光器能够实现多种机制的激光振荡，包括原子、离子自终止 r - m ( r e s o n a l l c et om e t a s t a b l et r a s i t i o n ) 跃迁激光、碰撞辐射复合( c o l l i s i o n a l r a d i a t i o nr e c o m b i n a t i o n ) 激光、原子和离子的交替振荡激光等。 早在1 9 6 6 年，w 酊t e r 等1 1 j 在报道铜原子和钙离子的自终止r - m 跃迁激光的 经典论文中，就预言了锶离子的1 0 3 1 0 9 a n 这两条激光谱线，与此同时，还预 言了锶原子的6 4 5 a n 激光谱线。随后，d e e c h 等于1 9 6 8 年在实验上实现了这两 组自终止激光谱线的振荡。由于6 4 5 朋谱线恰好位于水分子的一个吸收带中， 因此曾设想将运转于该谱线的锶蒸气激光器用于大气湿度监测而引起关注。在 1 9 7 8 年，前苏联就曾以此报道过以6 4 5 朋激光为主，同时包括6 4 5 朋和 1 0 3 1 0 9 朋等多重激光谱线的脉冲锶蒸气激光器，在获得的最大激光平均功率 为1 2 w 中，6 4 5 u n 谱线的激光份额占了大约7 5 。 w a l t e r 等曾在文献中指出，对自终止跃迁激光系统，除了强调激光下能级相 对于基态是光学跃迁禁戒的亚稳态外，同时更强调激光上能级相对于基态是光学 跃迁允许的共振态。因为在波恩近似得以成立的放电激励的条件下，电子碰撞激 发速率与上能级的自发跃迁速率至共振能级的速率远强于至亚稳能级，以此造成 上下能级粒子数反转并实现激光。然而，值得注意的是，激光是否自终止与上能 级是否共振态并无必然联系。 在锶蒸气激光的研究中发现，锶原子能级4 d 3 d 3 ，2 。组态至5 p 1 p 2 “, 1 ，。组态之间能 实现多谱线激光跃迁。由于锶原子基态是5 s 1 & ，所以激光上、下能级组态 4 d 3 d 3 2 l 、5 p 3 p 2 l o ，o 相对于基态5 s 1 & 均是亚稳态，故人们将这一类成为m m 跃迁 激光。 最早在1 9 7 1 年，c a h u z a e 就曾在脉冲放电实验中观察至l j4 d 3 d 2 - - 5 p 3 片跃 迁、波长3 0 1 朋和4 d 獗一5 p 3 片跃迁、波长3 0 6 , n 的激光脉冲。1 9 7 9 年 b o k h a n 等还曾撰文深入探讨过这两条激光谱线的作用机制，他们当时着重的是 激光下能级5 p 3 口的排空过程，而对于激光上能级4 d 3 d 2 、4 d3 d l 的布居过程， 并没有认识清楚。1 9 7 8 年p l a t o r o v 等曾有过相关报道，在高重复率脉冲放电锶 蒸气激光实验中同时获得了多组激光振荡，用滤光片方法确认3 朋的激光在 1 2 w 总功率中占2 0 ，可惜的是，他们没有进行光谱分析，只是简单认同了 c a h u z a c 的结果，以为仅是3 0 6 l a i n 和3 0 1 a n 这两条激光的混合。 在其后相关研究中，通过对3 a n 附近的激光进行光谱分析，还鉴别出存在 跃迁通道分别为4 d 氇- - 5 p 3 9 、4 d 现- s p 3 e o 、4 d 3 d 2 - - , 4 d a d 。，波长分别为 2 2 9 2 a m 、2 6 9 胛和2 6 0 朋的激光谱线。同时，相关研究学者针对这类m m 激光建立了动力学模型，并对其产生机制给予了更深入研究以及解释 2 , 3 1 。 对于碰撞复合激光，在1 9 7 3 年，l a t u s h 等【4 l 报道了4 1 6 2 4 3 0 5n m 的锶离子 复合激光并作了详细的分析研究，认为一价锶离子是碰撞复合激光的最佳工作物 质。由于一价锶离子的能级结构能同时符合r m 跃迁激光、复合激光这两类激 光机理的要求，而且是离子类r m 跃迁激光和复合激光的理想介质，因而引起 学者极大的兴趣和持续深入的研究。 锶离子复合激光通常采用高重复率脉冲纵向放电激励，其激光能级的激励并 非来自于电子对一价离子基态的碰撞，而是二价离子基态与电子碰撞辐射复合成 一价离子后重新布居的结果，复合激光对放电电流脉冲的最主要要求就是电流脉 冲后沿必须干净利落，没有二次振荡。 在最初一段时期，人们对锶离子r - m 跃迁激光和复合激光的研究一直是相 对独立的。后来，在仔细分析锶离子能级数据和两类激光机理的基础上，通过改 进放电电路参量和谐振腔结构，在实验上获得了锶离子的红外r - m 跃迁激光和 复合激光的交替振荡。这些研究结果表明，只要选择合适的工作参量，就能获得 所需比例的红外r - m 跃迁激光和蓝色复合激光，这也为实现宽波段、多谱线激 光输出提供了新的途径。 从对这两种机制的激光交替振荡的研究结果中发现：谐振腔结构对激光输出 特性影响较大，在采用直角棱镜为尾镜的宽带谐振腔时，可在较大的工作参量范 围内获得锶离子红外r - m 跃迁激光和蓝色复合激光的交替振荡。通过调整工作 参量，可得到所需比例的r - m 跃迁激光和复合激光的多谱线激光输出。 1 3 卤化锶激光器 1 3 1 卤化锶激光器发展概述 采用金属锶作为锶蒸气激光器，在氦、氖等缓冲气体环境下，通过高电压、 大电流脉冲放电，能够获得一系列的激光振荡，特别是4 1 6 2 4 3 0 5n m 的锶离子 复合激光，由于属于短缺的蓝、紫波段，具有较高的电光转换效率，而且可以获 得瓦级以上的激光平均功率，具有巨大的实用价值。 然而，锶激光放电管短暂的运转寿命成为制约锶蒸气激光器进一步发展的关 3 键所在，因为采用金属锶作为锶蒸气激光器的工作原材料，存在着金属锶材料与 激光放电管不相容的困难：置放金属锶的激光放电管无非就是石英管或陶瓷管。 当采用石英放电管时，由于锶在热蒸气状态下会与石英管壁起激烈的化学反应， 夺取石英的主要成分二氧化硅中的氧，这不仅会造成石英管的腐蚀，而且造成锶 块的损耗。澳大利亚n e w e n 西a n d 大学的研究小组总结他们的实验结果时指出， 即使在低损耗的条件下，稳定的激光运转周期也不过几天；当采用陶瓷放电管时， 英国o x f o r d 大学的研究小组指出，由于放电倾向于在锶块附近引发电弧，造成 锶蒸气密度分布极不均匀和强烈的局部过热，导致陶瓷管破裂，一般情况下每次 置放锶块后典型的运转周期仅几个小时，他们采用锶蒸气注入方式在避免陶瓷管 破裂方面取得了一定的进展【5 1 。 在借鉴了卤化铜替代金属铜作为铜蒸气激光器的工作原材料的经验后， 采用卤化锶替代金属锶作为锶蒸气激光器的工作原材料也同样取得了成功。 目前在以卤化锶为激光工作物质的锶蒸气激光中，已经成功获得了包括 6 4 5 o n 的锶原子自终止激光、波长1 0 3 1 0 9w n 的锶离子自终止激光和波长 4 1 6 2 4 3 0 5 n m 的锶离子复合激光等多组激光振荡，而且激光放电管在累计运 转数十个小时后也没有出现损坏的迹象。 作为卤化锶的一种，s r b r 2 首先作为锶蒸气激光器的工作原材料并在成功地 解决了激光管寿命短暂的问题的同时，而且也获得了较好的激光输出结果。实验 中激光放电管采用隔环结构的石英管作为外壳，其内径4 0 r a m ，中间熔封5 个厚 2 m m 、内孔直径2 0 r a m 的石英环，内径1 0 m m 、长约5 0 r a m 的陶瓷管放置于石英 环内，在陶瓷管外包裹一薄层三氧化二铝纤维，一则为了保温，二则避免石英隔 环与陶瓷管在高温下发生烧结，约和5g 纯度达9 9 的s r b r 2 散布在陶瓷管内， 通过放电自加热的方式获得必要的s r b r 2 蒸气。采用电容1 5 ，的谐振倍压激励 电路，在电源电压4 8 5 k v 、脉冲重复频率1 7 6 k h z 、封离或缓慢流动的6 0 k p a 的 氖压条件下获得6 4 5 # m 的激光输出，随着激励条件的优化，获得激光输出总的 平均功率6 0 m w ，同时其中还包括1 0 3 1 0 9 u n 的锶离子自终止激光，用滤色片 确认6 4 5 # m 占7 0 ，1 0 3 1 0 9 w n 占3 0 ；在探测锶离子复合激光时，采用电容 4 容量分别为1 o ，矿、0 5 n f 的非对称b l u m l e i n 激励电路，电源电压5 5 k v 、脉冲 重复频率1 0 7 k h z 、封离或缓慢流动的2 4 o k p a 的氦压条件，获得4 6 1 2 4 3 0 5 n m 的复合激光输出功率为1 2 埘形1 6 1 。 另据相关研究报道，在纳秒级纵向脉冲激励的h e s r b r 2 激光器，采用 相互作用的激励放电电路，在2 1k w 的平均输入功率和1 9 k h z 的重复脉冲 频率的工作条件，已经获得了4 2 6 形的平均输出功率，而其中9 0 集中在 6 4 5 胛的锶原子自终止激光，且其脉冲能量达到2 0 0 u jf 7 1 。这样的研究结 果对于6 4 5g m 的锶原子自终止激光取代自由电子激光应用于切除软骨组织 等医疗方面具有重要的意义。 尽管以s r b r 2 作为锶蒸气激光的工作物质，成功解决了放电管寿命短暂 的问题，但是z l j ：s r b r 2 消耗过快，而且在陶瓷管内只能放置很少的s r b r 2 材 料，多了会阻挡光路，而陶瓷管又不如石英管那样，可方便地制作贮料的侧 管或凹穴，故一次装料只能维持约1 0 小时的运转，持续的时间太短。考虑 到在放电期间，相对于s r b r 2 而言，曲a ，有着更高的复合率和更稳定的化学 特性，因而采用s r c l ，可以改善该情况。 采用s r c l 2 作为锶蒸气激光器的工作物质，以氦为缓冲气体的环境下， 通过实验进行电路参量的优化研究，最终获得了在采用电容容量分别为 9 2 5 p f 、2 3 5 p f 的非对称b l u l e i n 激励电路，脉冲重复频率17 k h z 、输入功 率1 6 4 k w 的工作条件下获得了1 3 2 w 的激光总输出功率【8 1 ，并且其稳定运 转时间达到了1 2 0 小时以上。 1 3 2 卤化锶激光的工作过程 我们已经知道，卤化铜替代金属铜作为铜蒸气激光器的工作原材料，其 主要目的是为了降低激光器的运转温度，即从一1 6 0 0 0 c 降低n 5 0 0 0 c 。但 是在卤化锶替代金属锶作为锶蒸气激光器的工作原材料，其情况则颠倒过来 5 了，其激光器的运转温度从, 6 0 0 0 c 升高到1 0 0 0o c ，单纯的石英放电管已 经不能承受，也就必须采用陶瓷放电管。根据有关文献在实验基础上给出的 饱和蒸汽压经验公式，分别估算出三种卤化锶材料( s r c l 2 、s r c l 2 、s r l 2 ) 在确定饱和蒸气压时的相应温度，如下表一所示： 3 33 61 3 2 氯化锶 1 0 1 61 0 5 5 1 0 9 7 溴化锶 1 0 0 31 0 4 21 0 8 5 碘化锶9 0 39 3 89 7 5 锶 6 0 06 2 7 6 5 5 表一在确定饱和蒸气压下锶及其卤化物的相应温度 为了作出比较，在表一中同时给出了根据经验公式计算得到的相同饱和 蒸气压下金属锶所要求的相应温度，其所对应的6 0 0 6 5 5o c 是金属锶作为锶 蒸气激光器原材料时正常运转的温度区间。 卤化锶激光器的工作原理与卤化铜激光器是类似的：首先第个放电脉 冲分解金属卤化物分子，得到金属粒子，接着第二个放电脉冲激励分解后但 还没有来得及复合的金属粒子，从而产生激光。但在高重复率连续脉冲放电 的情况下，每一个放电脉冲既用于分解金属卤化物分子，同时也用于激励金 属粒子产生激光。在放电结束后，由于与氦原子、离子的弹性碰撞使得电子 温度迅速下降，当电子温度下降到 o 5 e v 以下时，碰撞辐射复合过程就会发 生，使得锶离子能级上的粒子数再次增多，其中包括复合激光的上能级 6 2 乱2 。 整个反应过程如下： s r b r 2 ( 固态) 一s r b r 2 ( 气态) 加热汽化 6 s r b r 2 ( 气态) + p 一融+ b r 2 + g s 放电分解 跏+ p 一跏+ + e 跏+ p s r 2 + + 3 es r + + p 一跏2 + + e电离 跏+ e 一跏+ p 跏+ + e 一所+ + ps r 2 + + 2 e 一所+ + p泵浦 s r + h v s r + 2 h vs r p + h v s r + + 2 h v激光产生 跏+ 巩一s r b r 2 ( 气态) s r 2 + 2 b r 一一舢吃( 气态) s r b r 2 ( 气态) 一跏砚( 固态) 冷却 尽管卤化锶激光器与卤化铜激光器的工作原理类似，但还是有差别的， 差别的关键所在就是铜激光器的实际工作物质是铜原子，而锶离子复合激光 器的实际工作物质是锶离子，在高重复率连续脉冲放电的情况下，激励对象 分别是前一次被放电脉冲分解后还没有来得及复合的金属原子，或者是进一 步电离后还没有来得及复合的一价金属离子，但是鉴于金属离子与电子复合 成金属原子的速率远快于金属原子与卤素原子复合成金属卤化物分子的速 率，而又缺乏这方面的数据和经验，所以实验中难以预测脉冲间隔的合理时 间。采取的对策就是完全仿效卤化铜激光器的情况，先采用卤化锶进行波长 6 4 5 o n 的锶原子自终止激光研究，在此基础上再探索波长1 0 3 1 0 9 o n 锶离 子自终止激光和波长4 1 6 2 4 3 0 5 n m 的锶离子复合激光，实践也表明这样的 技术路线是行之有效的。 采用溴化锶和氯化锶替代金属锶作为锶蒸气激光器的工作原材料在实 验上已经取得了成功，不仅能获得不同机制的多组激光振荡，而且也克服了 金属锶材料与激光放电管不相容的困难，解决了激光管寿命较短的问题，为 研制实用化锶激光器开辟了新途径。 1 4 研究的内容和意义 用卤化锶替代金属锶作为锶蒸气激光器的工作物质，成功地解决了锶蒸 气激光器的激光管寿命较短的问题，在缓冲气体缓慢流动方式下，通过高频 脉冲放电在卤化锶激光器中获得了不同机制的多组激光谱线。本文实验研究 7 了觑一曲c l 激光的输出功率随电源电压、脉冲重复频率、缓冲气体压强的 变化关系，得到了一组较为匹配的工作参量，实现了瓦级功率的多谱线激光 的稳定输出，有效地延长了激光的工作寿命。 因为激光管内径向温度场分布对激光的输出特性有重要的影响，所以， 文中从伯松方程着手，求得放电管内的径向温度场分布，研究了径向温度场 分布同各种工作参量的变化关系，为进一步研究获得较为均匀的径向温度分 布提供了参考；同时也比较了不同结构放电管的径向温度分布，证实了隔环 结构能够获得较为均匀的径向温度分布，对放电稳定性以及光斑质量都有好 的效果。 放电电路的各种参量也是影响激光输出特性的重要因素，在分析对比多 种放电激励电路的放电过程和特点之后，结合实验放电条件和动态阻抗参 量，模拟分析了电路参量对b l u m e i n 电路放电过程的影响，得到了比较匹 配的电路参量组合，为电路的优化设计提供了参考。 3 第2 章h e s r c l ，激光的工作特性 2 1 锶的能级结构 图2 1 给出了与h e 一跏a ，激光相关的锶原子、锶离子的相关能级以及激光 谱线跃迁的示意图。 我们已经知道，在锶蒸气激光器中通过高频脉冲放电激励能够实现不同机制 的多组激光振荡，包括6 4 5 朋锶原子自终止激光、1 0 3 1 0 9 朋锶离子自终止激 光、3 朋锶原子m _ m 激光等。在高频脉冲放电激励下，电子与锶原子、离子能 级发生的碰撞激发、消激发、电离、离子复合以及缓冲气体氦与这些原子、离子 之间的彭宁碰撞等各种过程，最终在相关能级之间实现粒子数反转，产生激光跃 迁。 ： ：妒 5 气3 ： ：，靼勰； ： 要i s t 传剧啦| ： ，- 一l ： 酆| i言 i 砉 l 。一蛳l o ： l ； 兔5 一s o i ： - 图2 1 锶原子、离子能级及激光跃迁示意图 2 1 1 相关粒子数密度方程 在图2 1 给出的锶原子、离子能级中，考虑了电子与这些能级的碰撞激发、 电离、消激发和离子复合过程，同时也考虑了缓冲气体h e 与锶原子的碰撞复合 过程，以及粒子由于气体温度径向梯度导致的扩散过程，给出锶原子和离子有关 9 。v 3 2。o拍 ：暑 嫩 哺 o 能级的粒子数密度变化方程如下9 1 0 i ： 警= 一莩k 跏盹+ 莩“跏事肫+ 莩4 毋一军叩，s r n k v f ( - ) 兰警= k 。跏： k k 女曲毒肫一y ，跏肫+ a 。蹄+ 肫2 土4 跏p j i ，一v f ( 2 ) 望等= ，c ，妣+ 军峰跏幸肌一a ，跏+ 肫2 一莩跏+ 肫+ ；y 七跏+ 肫+ a 石s r q v f 雩= k 跏+ 肫一莩，融+ 肌一莩k 胁+ 肫+ 莩k 跏+ 幸胞 k s r n e - z a l s r + 4 毋+ + 口七s r + + n e 2 i p r o h v - v f llf 等= 一删匆+ ，c ，跏+ 肫+ 军k 跏+ 肫一口。跏+ + 肫2 + 军叼，s r n k ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 1 ) ( 5 ) 式等号右边各项代表电子碰撞激发( 电离) 、消激发、离子复合、 辐射跃迁以及粒子的扩散过程对粒子数密度的影响，其中n e 代表电子密度， k 和，分别是激发( 电离) 和消激发系数，角标i 和k 分别对应所给能级的 较低和较高的能级，口是复合系数，a 是自发辐射系数，i p 是腔内光子流密 度，y o 、h 、，分别是增益系数、p l a n e k 常数和辐射频率，r p 是彭宁碰撞速 率系数，m 是h e 密度。 2 1 2 电子密度方程 要满足放电等离子体电中性的要求，因此所有的离子密度之和应等于电子密 度之和，即： d n e ：d s r * i d s r * + i d h e * - i - = 1 - - ( 6 )一= = if lj mm d td t 2 1 3 电子温度变化方程 1 0 考虑了能级s ，、s 之间发生跃迁的相关粒子通量，在此设g ， s j ，并且 8 l ，= s 一s ，电子温度变化方程如下： d l 5 n r e k , r e = ( 肫多e 2 ) ( 聊。v ) 一2 聊。手帆m ) 1 5 肫厄( 死一乃) 一z k ，舭+ 阢批g + 现跚+ z p 。h e f 牛h e j 宰s 肿 式中m ，是重粒子n j 的质量，v ，是电子与粒子n j 发生弹性碰撞的碰撞频率， k 。是b o l t z m a n n 常数，第一项纵向电场对电子的加热，第二项代表电子与原 子和离子气体的弹性碰撞导致的能量损耗，第三项代表电子与重体原子或离 子间的非弹性碰撞而引致的能量损耗，第四项代表电子通过与重粒子的超弹 性碰撞而获得的能量，第五项代表电子通过与重粒子的彭宁碰撞而获得的能 量，第六项代表氦原子亚稳亚稳粒子的电离碰撞释放能量s 历。 2 1 4 腔内光强变化方程 1 0 3 a n 或4 3 0 5 n m 激光的光强连续方程如下： ( 7 ) 等= ( 嘭) ，。厶t ) 一d p 【( 1 2 t ) 1 1 1 ( 1 r 1 r ：) 】+ ( a l s r 厅椭4 万) ( 7 ) 式中，r 。、r ：是腔镜的反射率，c 、l c 分别是光速和腔长，厶是激活体长 度。第一项代表光在增益系数为，。的等离子体中的受激辐射或吸收，第二项是 腔镜的输出损耗，第三项代表自发辐射，么。为相应辐射衰减的跃迁速率，a q 4 7 r 是激光束发散的立体角。 2 2h e s r c i ：气体激光实验装置 由b l u m e i n 电路激励的h e - s r c l 2 气体激光的实验装置如图2 2 所示： s r c l 2p o w d e r 图2 2 实验工作装置 该实验工作装置中，激光放电管是由内径为3 6 m m 的石英管和内径 1 5m m 、长6 0 c m 的陶瓷管组成。在陶瓷管外面包裹着一薄层三氧化二铝纤 维，其主要是为了防止较高的工作温度损坏石英管和夹层放电通道，在石英 管的外部也包裹一层厚约2c m 的三氧化二铝纤维，一这主要是为了保温的作 用，其表面的温度由热力计进行测量；纯度达9 9 的s r c l ，粉末均匀放置在 陶瓷管内，用于产生激光的s r c i ，蒸气通过放电加热的方式得到；在放电管 两端通光窗口采用两片平行c a f 2 晶片，这主要是为了防止对3 p m 、6 4 5 m m 激光谱线的吸收。光学谐振腔长约1 8 0 c m ，由镀金的光学反射镜和c a f , 平 面输出镜组成，两电极之间间距约为6 5c m 。 激励胁一曲a ：蒸气的b l u m e i n 电路的匹配电容( c l ：c ：) 经过实验参量优 化后，采用q ：c 2 ：9 2 5 p f ：2 3 5 p f ；氢闸流管采用z q m 2 0 0 0 3 5 ，纯度9 9 9 的氦气作为缓冲气体；输出功率采用t h o r l a b s 公司型号为p m l 0 0 的功率计 测量；采用对不同谱线范围有着高透过率和对6 4 5 p m 谱线高吸收率的玻璃和 石英晶片来实现对不同激光谱线的选择；放电电压和电流脉冲由t e k t r o n i x t d s7 5 4 c 示波器显示，并分别由t e k t r o n i xp 6 0 1 5 高电压探测器和p e a r s o n 公司的型号4 1 0 的电流变压器测量。 1 2 2 3 激光输出特性 2 3 1 激光输出总功率与相关参量的变化关系 在缓冲气体氦气压强为4 0t o r r ，放电电压5 6 5 8k v ，工作温度2 7 0 的 条件下，测量激光平均输出总功率与脉冲重复频率之间的关系，图2 3 ( a ) 给出了实验测量结果，从中可以看出，激光功率随脉冲重复频率的提高而逐 渐增加，因此只要在技术上能改进闸流管的频率特性，就有望获得瓦级以上 功率激光的稳定输出。 在同样工作温度下，在脉冲重复频率1 6 0 k h z ，缓冲气体氦压在3 5 - - 4 0 t o r t 的范围内，测量激光输出功率随电源电压之间的变化关系，图2 3 ( b ) 给出了实验的测量结果。 9 6 0 9 4 0 9 2 0 茎咖 詈8 8 0 正 置8 6 0 j o 8 4 0 8 2 0 8 0 0 1 5 01 5 51 6 01 6 51 7 01 7 5 f r e q u e n c y k h z 图2 3 ( a ) 输出功率随脉冲重复频率的变化曲线 5 45 65 8 v o l t a g e k v 图2 3 ( b ) 输出功率随电源电压的变化曲线 从图2 3 ( a ) 和图2 3 ( b ) 可以看出，无论是脉冲重复频率增大，还 是电源电压升高，激光输出功率都会增大，这主要是因为：根据在储能电容 容量不变的情况下，输入电功率正比于电源电压的平方和脉冲重复频率的乘 积 1 1 , 1 2 , 1 3 ，所以无论是脉冲重复频率增大还是电源电压升高，都意味着输入 电功率的提高。在氢闸流管对电源电压和脉冲重复频率的限制范围之内，增 加这两个参量的数值可以提高激光的输出功率。 喜 r 詈 鲁 雪 2 星 加 4 0 7 0 h e l i u mp 悖鸥u 悖丌。丌 图2 3 ( c ) 输出功率随电源电压的变化曲线 1 4 啪 啪 啪 m 咖 湖 之山、墨o山芎号。 伽 咖 哪 哪 啪 哪 2 3 ( c ) 图给出了在电源电压5 6 k v ，脉冲重复频率1 7 9 k h z 的条件下， 激光输出功率随缓冲气体的变化曲线，从图中可以看出，随着缓冲气体氦的 压强的增加，激光输出功率不断降低。这是因为在较低的氦压条件下，较高 的电子温度会加强所c ，分子的分解，将会增加锶原子、离子的密度，有利 于激光谱线的产生。 在锶蒸气激光器中，可以实现不同机制的多组激光谱线振荡，且各激光 谱线所占的比例不尽相同，其中6 4 5 p m 的锶原子自终止激光所占份额最大。 2 03 04 07 0 h e l i u m