（物理电子学专业论文）重复率电光Q开关NdYAG激光器的研究.pdf

中文摘要 近几年激光治疗血管类疾病和皮肤色素类疾病的医学研究表明，重复率q 开关n d ：y a g 激光器在激光医学应用中有着新的广阔的前景，其中一类是用取脉 冲n d ：y a g 激光( 1 0 6 4 n m 或5 3 2 n m ) 治疗皮肤类疾病，另一类是用重复率n d ：y a g 脉冲激光治疗血管类疾病。 我们根据激光器件和激光医学的发展，探讨了激光双脉冲输出、激光重复 率输出、压缩脉冲宽度和提高峰值功率的技术实现方案，设计了新型高性能的电 光q 开关电路，利用k d p 调q 、k t p 倍频和氙灯泵浦的方法，成功研制出了双脉 冲倍频电光q 开关n d ：y a g 激光器和重复率电光q 开关n d ：y a g 激光器，这两种激 光器不仅有着巨大的实用价值，而且研究工作达到了同类激光器的先进水平。 本论文主要做了以下几方面工作： 1 、推导了重复率激光基本参数( 脉冲能量、脉冲宽度和峰值功率) 与周期 的关系，并且分析了重复率激光系统运转的稳定性。 2 、设计了雪崩管一电子管退压电路，由雪崩管驱动电子管开关，4 2 0 0 7 高 压退压沿2 0 n s 左右，能够在1 0 0 k h z 频率下工作。设计了快速雪崩管串联退压电 路，4 2 0 0 v 高压退压沿5 n s 左右，由于雪崩管工作在临界状态，只能在小于l k h z 的频率下工作。设计了多路信号驱动雪崩管串联退压电路，首次提出了根据雪崩 管漏电流参数确定q 开关电路结构的新设计思想，该电路4 2 0 0 v 高压的退压沿 1 0 n s 左右，能够在5 0 k h z 频率下工作。设计了电光q 开关电路的基本辅助电路， 有保护电路、接口电路、驱动电路和高压稳压电路。 3 、实现了双脉冲电光q 开关倍频n d ：y a g 激光器的稳定运转，通过实验确定 了双脉冲的最佳间隔在1 2 0 9 s 左右，获得能量为7 0 0 m j 以上的双脉冲激光输出。 实现了重复率电光q 开关n d ：y a g 激光器的正常运转，成功获得了脉冲间隔5 0 - - 3 0 0 p s 范围内的重复率脉冲激光输出。 关键词：n d ：y a gk d + p 重复率峰值功率脉冲宽度雪崩三极管电子管 双脉冲序列脉冲 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，l a s e rm e d i c i n ei nv a s c u l a rd i s e a s ea n dd e r m o p a t h yh a v ee n o r m o u s d e v e l o p m e n t ，a n dr e s e a r c h si n d i c a t e dt h a tr e p e t i t i o nq s w i t c hn d ：y a gl a s e rh a s e x t e n s i v ep r o s p e c t t h ed o u b l e p u l s i n gq s w i t c hn d ：y a gl a s e r ( 10 6 4 n mo r5 3 2 n m ) c a nc u r ed e r m o p a t h y ，a n dt h er e p e t i t i o nq s w i t c hn d ：y a gl a s e rc a nc u r ev a s c u l a r d i s e a s e a c c o r d i n gt od e v e l o p i n go fl a s e rt e c h n o l o g ya n dl a s e rm e d i c i n e ，w ep r e s e n t t h et e c h n i c a ls c h e m eo fh o wt oi n c r e a s et h ee n e r g ya n dp e a kp o w e ra n ds h o r t e np u l s e w i d t ho ft h ed o u b l e p u l s el a s e ra n ds e r i e s - p u l s el a s e rw ed e s i g n e dn e we l e c t r o o p t i c q s w i t c hc i r c u i t b ya p p l y i n gk d p ，k t pa n dx e l a m p ，w ed e v e l o pd o u b l e p u l s i n g f r e q u e n c yq s w i t c hn d ：y a gl a s e ra n dr e p e t i t i o nq - - s w i t c hn d ：y a gl a s e r b o t hl a s e r s h a v eg r e a tu s ev a l u e t h em a i nr e s e a r c hw o r k so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 、t h e o r e t i c a l a n a l y z i n gt h er e l a t i o n o fm a i np a r a m e t e rw i t hp e r i o d i ci n r e p e t i t i o nl a s e r , a n da n a l y z i n gt h es t a b i l i t yo f r e p e t i t i o nl a s e rs y s t e m 2 、d e s i g naq s w i t c hc i r c u i tw i t ht r a n s i s t o ra n dt u b e t h ep r i n c i p l ei su s i n gt h e f a s tb r e a k o v e ro fa v a l a n c h et r a n s i s t o rd r i v et h ee l e c t r o nt u b e t h ef u l lt i m eo f4 2 0 0 v v o l t a g ei s a b o u t2 0 n s t h ec i r c u i tc a nn o r m a l l yw o r ku n d e r1 0 0 k h zf r e q u e n c i e s d e s i g na ne x t r af a s tq s w i t c hc i r c u i tb ys e r i e sa r r a n g e m e n to fa v a l a n c h et r a n s i s t o r t h ef u l lt i m eo f 4 2 0 0 vv o l t a g ei sa b o u t5 n s t h ec i r c u i ta n dt h et r a n s i s t o ra r ew o r ko n c r i t i c a ls t a t e ，s ot h ec i r c u i to n l yc a nw o r ku n d e rl k h zf r e q u e n c i e s d e s i g naq s w i t c h c i r c u i tb ym e t h o do fm u l t i p a t ht r i g g e ro fs e r i e sa r r a n g e m e n to fa v a l a n c h et r a n s i s t o r p r e s e n tan e wd e s i g nm e t h o dt h a td e s i g nd i f f e r e n tq s w i t c hc i r c u i ta c c o r d i n gt ot h e l e a kc u r r e n to ft r a n s i s t o r t h ec i r c u i tc a nw o r kn o r m a l l yu n d e r5 0 k h zf r e q u e n c i e s a n dt h ef u l lt i m eo f4 2 0 0 vv o l t a g ei sa b o u t1 0 n s t h i sp a p e ra l s od e s i g ns e v e r a l s u p p o r tc i r c u i t so fq s w i t c hc i r c u i ti n c l u d i n gc u l t e n tf o l d b a c kc i r c u i t ，i n t e r f a c ec i r c u i t ， d r i v ec i r c u i t ，a n dn e g a t i v ef e e d b a c ks t a b i l i v o l tc i r c u i t 3 、r e a l i z e dn o r m a lo p e r a t i n go fd o u b l e p u l s i n gf r e q u e n c yq s w i t c hn d ：y a g l a s e r b ye x p e r i m e n tg e n e r a l i z et h eo p t i m u md o u b l e p u l s i n gs p a c ei sa b o u t1 2 0 9 s o b t a i nh i 曲o u t p u t t i n gl a s e re n e r g yg r e a t e rt h a n7 0 0 m j r e a l i z e dn o r m a lo p e r a t i n go f r e p r t i t i o nq s w i t c hn d ：y a gl a s e r a n do b t a i nt h eo u t p u t t i n gl a s e ro f5 0 3 0 0 u sp u l s e p e r i o d i ct i m e k e yw o r d s ： n d ：y a gk d p r e p e t i t i o np e a kp o w e r p u l s ew i d t h a v a l a n c h et r a n s i s t o r e l e c t r o nt u b e d o u b l e p u l s es e r i e s - p u l s e 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼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在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：联鹇泉签字日期：眄年j 月? 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨宣盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 酝鹇泉 导师签名：计岛支 签字日期： d r 年1 月( 7 日 签字日期：盯年，月矽日 天津火学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 重复率激光在七十年代开始应用于高速摄影，当时主要目的是为了研究瞬态 物理过程如发动机流场、飞行器流场及爆炸波等。随着社会的前进，重复率激光 被应用到更多领域的中，如激光雷达、激光加工、非线性光学泵浦源及现代激光 医疗等，且重复率激光器的不断发展必定还会带来更广阔的应用前景。本文以激 光测距、激光打孔和激光治疗血管类疾病为例说明这些应用对激光器的要求。 激光测距中：1 ) 重复率越高，单位时间内反馈信息量越多，准确测量的概 率就会越大：2 ) 光脉冲的宽度越窄测量精度才会越高，且测程和激光脉冲的峰 值功率成f 比。激光打孔中：1 ) 重复率是和加工效率成正比，但不同加工材料 需要激光器选择不同的重复率；2 ) 激光峰值功率和打孔的深度成正比，且提高 峰值功率还能够降低裂纹深度和减小孔壁再铸层厚度。 激光治疗血管类疾病中：1 ) 对于不同管径的病变血管要选用不同重复频率 的激光，目的是保持激光有较低的平均功率进行平缓的加热，可以大大减小对血 管的机械性撕扯；2 ) 由于治疗的原理是利用热效应使得局部病变组织的温度瞬 间上升，引起组织脱水、蛋白变性和血液粘度增加等变化，只有高峰值功率的激 光才能够使得邻近正常组织不受影响，而且不同的病变组织要选用不同的激光脉 宽才会有很好疗效。 从上述的激光测距、激光打孔和激光治疗血管类疾病中可以看出，这些应用 对激光器的脉冲宽度、峰值功率和重复率都提出了较高的要求，而这些要求是普 通脉冲激光器远远不能满足的。 1 1重复率n d ：y a g 激光器的发展和本课题的提出 1 9 6 5 年，g e u s i c 等人利用转镜q 开关对连续灯泵浦的n d ：y a g 激光器实现 了较稳定的低重复率脉冲激光输出“1 ：1 9 6 7 年，w o o d b u r t y 等人把这种技术的重 复率n d ：y a g 激光器频率做到5 k h z 左右。1 ，开始了高频重复率激光的研究工作； 1 9 6 9 年，m a c k i n t o s h 等人把压电换能器调节的法一珀谐振腔调q 引入重复率 天津大学硕士学位论文第一章绪论 n d ：y a g 激光器中并且获得了稳定的运转”1 ；1 9 7 0 年，b u c h m a n 等人把转镜调q 的 连续灯泵浦重复率n d ：y a g 激光器做到了重复率l o k h z 、峰值功率7 0 k w 、脉宽6 0 n s 左右“3 ：1 9 7 0 年，c h e s l e r 等人总结自己的实验经验和前人研究成果，对重复率 激光器的各个基本参数及相互关系进行了比较系统的理论推导“1 ；1 9 7 2 年，t s e n g 等人把声光q 开关技术应用到重复率n d ：y a g 激光器中“1 ，这种简单方便的q 开 关对于获得重复率激光意义是非同寻常的；1 9 7 5 年，l o v b e r g 等人利用声光q 开 关获得了2 5 0 k h z 的重复率n d ：y a g 激光输出”1 ；1 9 7 6 年，m o r a n 对n d ：y a g 这 种四能级系统激光器的重复频率范围进行了数学计算和实验验证”1 ；1 9 7 9 年， j o n e s 等人获得了兆瓦级功率的重复率n d ：y a g 激光输出。1 ：1 9 8 3 年，锁模技术 的应用使的重复率n d ：y a g 激光器可以输出2 5 p s 左右的窄脉宽”；1 9 8 6 年，半 导二极管作为泵浦源开始应用于重复率n d ：y a g 激光器中”“，激光二极管阵列的 应用对重复率激光器实现小型化和全固化有非常重要的意义；1 9 8 8 年，l i n n e 对 半导体二极管在重复率n d ：y a g 激光器中的应用提出了比较系统的总结“；1 9 8 9 年，f a r r i e s 等人做出0 9 k w 峰值功率、2 8 0 n s 脉宽和l o k h z 的重复率n d ：y a g 激 光泵浦源“；1 9 9 3 年，c h e n 等人把可饱和吸收调q 引入重复率n d ：y a g 激光器中 “，这种调q 方式使的重复率激光器简单紧凑且降低了成本；1 9 9 5 年，d e g n a n 对被动调q 的优化理论进行了系统的分析和总结“；1 9 9 6 年，s h i m o n y 等用被动 调q 的方法获得了2 2 9 k h z 的重复率n d ：y a g 激光器“；2 0 0 1 年，k o n n o 等用声 光调q 技术获得了脉宽3 0 0 n s 重复率2 5 k h z 峰值功率1 8 k w 的半导体泵浦高重复 率n d ：y a g 激光器“；2 0 0 3 年，y h r a n o 等用相同的方法获得重复率i k f l z 脉宽 4 0 n s 脉冲能量4 0 m j 的高重复率n d ：y a g 激光器“。 决定重复率n d ：y a g 激光器特性的基本参数有重复频率、脉冲宽度和脉冲能 量。重复率激光的主要实现方法是调q 技术，目前，调q 的主要方式有电光调q 、 声光调q 和可饱和吸收调q 。重复率激光器的泵浦源一般用氙灯、氪灯和二极管。 对于n d ：y a g 激光器，电光调q 可以获得窄激光脉冲宽度，氙灯泵浦可以获得高 脉冲能量，本文在下一节介绍。 本课题就是把电光调q 技术应用于氙灯泵浦的n d ：y a g 激光器中，以获得高 重复率、窄脉冲宽度和高脉冲能量的脉冲激光，主要任务是设计性能优良的电光 q 开关电路。这种激光器的具体实现方案在下一节介绍。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2重复率电光q 开关n d ：y a g 激光器实现方案 图1 1 是本课题设计的重复率电光q 开关n d ：y a g 激光器总体结构示意框 图，激光谐振腔由输出镜、全反镜、y a g 棒、氙灯、偏振片、k d + p 晶体和k t p 晶 体构成。两支串联氙灯做激光工作介质的泵浦源。电光调q 晶体k d p 和偏振片 是调0 器件，本文电光调0 足退压工作方式，其工作过程是：高压源对k d * p 先 加四分之一波电压，使o 开关处于关闭状态，再由q 开关驱动电路把高压快速退 掉，将q 开关打开。备调制信号由单板微机进行总控制。 袖出镜 k t p f i ；c 怕 生反镜 图1 1 重复率脉冲激光器结构框图 激光器丰要组成部分介绍： 1 n d ：y a g 重复频率激光器对激光材料的要求有“”“：四能级系统、闽值低、荧光寿 命长、线宽窄、光学质量好、机械性能好、稳定性和热学性能好。 表l 一1 是y a g 摹质材料的物理、化学和机械特性表”“。表l 一2 是n d ：y a g 的光学特性表。“。图1 2 是室温下n d ：y a g 的吸收光谱和荧光光谱图。 的光学特性表。“。图1 2 是室温下n d ：y a g 的吸收光谱和荧光光谱图乜2 1 。 表1 1y a g 的物理性质 密度熔点硬度 热膨胀 导熟率断裂麻力 弹性模 成分晶系折射率系数 g c r g 典氏k c m s k h ，c m 。 ( 室温) k g t e 一 立方 4 1 81 9 5 08 5l8 2 6 7 7 o 0 3 ( 13 3 x 1 0 5 晶系1 0 “2 6 ) x 1 0 6 天律大学硕十学位论文第一章绪论 表l 一2n d ”：y a g 的性能参数 典型离跃迁界 荧光实测量储能 子浓度回g 寿命 线宽 增益为散射光子能 计算阈值 阈值 a n 。h u t ul c 1 损耗量hn 。 m c m 。 c m i n ：c m 3c r n - lw 脉冲式 g = 5 s5 c m 3 608 002 5 7 5 0 1 2 0 0 0 2 l8 6 9 3 2 5 00 3 8 l o 。1 0 叫”1 0 叫1 0 。7l o 由6 7 5 刺 图l 一2 室温下n d ：y g a 吸收光谱和荧光光谱 2 氙灯 图1 3 是脉冲氙灯在不同电流密度下的光谱输出图和脉冲氙灯在各种光谱 范围内的电光转换效率图。“。 图l 一3 脉冲氙灯的光谱输出和电光转换效率 从图l 一3 和图1 2 可以看出，在电流密度稍低时，氙灯的输出谱线非常利 于n d ：y a g 的吸收，而且试验表明通过改变储能电容容量、放电电流密度和充电 电压可以获得最佳的光谱输出。 3 i g b t 斩波器 氙灯是脉冲式工作，方便精确的控制放电周期很重要“。i g b t 斩波器的引 入有很多新特点：1 ) 高频特性好：2 ) 关断电流大；3 ) 驱动芯片输入和t t l 电 平兼容，可由单片机实现方便控制。；4 ) 使用技术相当成熟。“。 be、，f 天津大学硕十学位论文第一章绪论 5 k d + p 电光晶体的选择要求”2 州：1 ) 光学均匀性好，吸收和散射损耗小；2 ) 电 光系数值大；3 ) 光破坏阂值等物理化学性能好；4 ) 消光比高。表1 3 是电光 晶体k d + p 的主要性能参数。 表卜3电光晶体k d p 的主要参数( 1 0 6 4 d m ) 化学式对称性 密度晶胞参 电光常数 删分之损坏 折射率透叫波吸收 一波电阅值 g c d 数 u m v x1 0 1 压vm w c 一 段n me m k d 2 p 0 44 2 m 2 3 3 5 07 4 6 2 644 0 0 04 0 01 4 0 0 2 0 0 0 0 0 5 06 9 72 1 5 0 5 电光q 开关 获得重复率n d ：y a g 脉冲激光输出的主要方法是调q 技术“2 “”1 ，由于可饱和 吸收调q 技术无法精确方便的控制序列脉冲的间隔和输出能量”，所以普遍采用 电光或声光调q 技术。 电光q 开关中电光晶体的电光效应对电场的响应时间可以达到i 0 “o s 量级， 且电场对电路响应时间也在1 0 “o s 量级，q 开关速度是其他方式不能相比的。根 据调q 的时间理论分析，调q 速度对激光输出脉宽影响很大。”。“，所以本课题选 用电光q 开关。 本课题选用的是退压式的电光调q ，因为加压式调q 有两个主要缺点：1 ) 激光谐振腔中需要加入i 4 波片；2 ) 不能输出静态激光。 电光调q 电路的研究工作开始的很早，且各种新电子工艺和新电路技术的不 断加入使的调q 电路的研究在不断发展，不过电光q 开关电路的设计思想还是可 以分为两种主要形式，一种是利用低压快速开关元件控制高压元件快速开关”1 ， 另一种是用低压快速元件的多级串联来实现对高压的快速开关”3 1 。不过对于重 复率激光器的q 开关电路，不仅要求电路开关性能和高频特性好，还要求能够方 便精确的控制。 本论文的重点是设计性能优良的电光q 开关电路。对于性能优良在这里主要 有三个方面，一是开关速度快，二是工作频率高，三是容易驱动。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 本论文所做的工作 l 、推导了重复率激光器的基本参数和周期间关系，分析了重复率激光器运转的 稳定性。 2 、设计了雪崩管一电子管调q 电路，用雪崩管驱动高压电子管快速开关，4 2 0 0 v 高压退压沿2 0 n s 左右，能在l o o k h z 频率下工作。 3 、设计了高速雪崩管串联退压电路，4 2 0 0 v 高压退压沿5 n s 左右，由于这种电 路工作在元器件的临界状态，只能在l k h z 以下频率工作。 4 、设计了多路触发的雪崩管串联退压电路，提出根据雪崩管漏电流不同设计不 同退压电路的方法，4 2 0 0 v 高压退压沿l o n s 左右，能在5 0 k h z 频率下工作。 5 、设计了调q 电路的辅助电路，有高压源稳压电路、接口电路、保护电路和驱 动电路。 6 、实现了双脉冲电光q 开关n d ：y a g 激光器的稳定运转，通过实验确定了双脉冲 最佳间隔为1 2 0 p s ，双脉冲的能量输出可以达到7 0 0 m j 左右。 7 、实现了重复率电光q 开关n d ：y a g 激光器的正常运转，获得了脉冲间隔5 0 3 0 0 “s 范围内的重复率激光输出。 天津大学硕士学位论文第二章重复率激光基本原理 第二章重复率激光基本原理 重复率激光一般有两个方面的理解，一方面是指泵浦灯的重复率，即控制泵 浦源周期性泵浦而产生的重复率脉冲激光；另一方面是指q 开关的重复率，即控 制q 开关的周期性工作而产生的重复率脉冲激光。 本文研究工作是以这两种重复率的结合为基础，即周期泵浦和周期调q 的综 合应用。具体实现方法是：控制氙灯按一定周期重复率泵浦，在每次泵浦期，控 制电光q 开关按一定频率工作，从而输出重复率脉冲激光。 ( a ) ( b ) 、 ( d ) 1 业二二里 j 2 二二里 图2 1高重复率脉冲激光原理图 图2 1 是重复率脉冲激光产生的原理图，其中：( a ) 表示用斩波器控制氙 灯发光波形，此波形也可看作是闪光灯泵浦速率函数图形，在本课题中氙灯放电 宽度和周期可以调节；( b ) 表示在氙灯脉冲泵浦期电光q 开关的调制波形，即 k d + p 上高压变化波形，也可近似的表示损耗开关函数的图形，本课题中q 开关周 期可以方便控制；( c ) 表示腔内反转粒子数密度的变化情况，对于不同的调q 周 期反转粒子数的消耗和补充程度不同，有一段延时目的是使激光工作介质中的反 转粒子数密度达到最大值；( d ) 为q 开关重复率激光的输出脉冲图形，在这里纵 坐标表示的是光脉冲的光强。 7 天津大学硕士学位论文第二章重复率激光基本原理 2 1重复率四能级系统速率方程求解 求解速率方程组有两个目的，一个是获得重复率激光器运转各参数与周期间 关系：另一个是理论推导重复率激光器在正常干扰情况下的调节能力。 速率方程组是量子理论的简化形式，从光子与物质原子的相互作用出发，忽 略了光子位相特性和光子数起伏特性，许多实验证明，用他描述激光振荡器的运 转过程是适宜的。不过速率方程所描绘的模型，通常只对激光单模振荡状态才有 其严格的意义，当激光器工作于多模振荡状态时，不同模式具有不同的频率和衍 射损耗，以及不同的腔内光子寿命，这时用速率方程处理就会很困难。因此，为 简化问题作如下假设：1 ) 假设各模式损耗相同，由于反射镜透射损耗远比各个 模式的衍射损耗大，所以在好多情况下会认为不需要假设；2 ) 假设谱线不是高 斯型函数而是矩型函数，并且假设矩形谱线的高度与原谱线中心点的高度相等， 矩形谱线所包含的面积与原有谱线包含的面积相等。 四能级系统的模型如图2 2 所示。 泵浦带 泵浦跃 基能级 图2 2y a g 能级模型 四能级速率方程可以写成如下形式“2 ”“”“： d a n ：月一五一p , a n ( 1 ) d t 警= p o a n 一o ( t o 删 ( 2 ) 在方程( 1 ) ( 2 ) 中，a n 为反转粒子数密度，r 为有效泵浦速率嘲唧1 ，b 是 受激辐射速率，九为自发衰减速率，妒为腔内光子数密度，t 。为输出镜透射率， 天津大学硕士学位论文 第二章重复率激光基本原理 为腔内损耗。 在q 开关高速运转的情况下，对方程组( 1 ) 和( 2 ) 进行分析时可以采用两 个非常重要的假设：1 ) 在q 开关打开时，即光脉冲形成阶段，受激辐射远远强 于自发辐射和泵浦的影响，因此计算粒子数消耗时只考虑受激辐射产生的影响； 2 ) 在q 开关关闭时，即反转粒子数积累阶段，激光腔是高损耗状态，因此速率 方程求解时受激辐射可以忽略。 据这两个假设，方程( 1 ) 和( 2 ) 在q 开关打开后变为： d a - n = - p 一够m v ( 3 ) 百 掣：励州一妒( 瓦+ s ) ( 4 ) v t 由方程( 3 ) ，有d i n 加= 一励，设i n a n = “，代入方程( 4 ) 得： 塑d t = p e e ”- e ( t o + 小 ( 5 ) 方程两边积分有： p = + “一a n 一警，n 筹 光脉冲达到峰值的时候就是为腔内光子数密度有最大值的时候，此时应 该有a 妒l a t = o ，据方程式( 4 ) 可得删- 妒( t o + s ) = 0 ，于是有= e + p ， 定义此时a n 为闽值粒子反转数密度m ： ：竺墨 ( 7 ) 据式( 6 ) 此时腔内光子数密度有最大值= + a n o m m i n ( a n o n , ) ， 对于初始状态，可以假设腔内光子数密度近似于无穷小，即有“0 ，因此可得， = 0 一一，l n ( a n o g , ) ，通过可以算出单位体积内激光工作介质产生 激光脉冲的峰值功率圪，有 只= l 等c = 警c 毗一i _ f l n 等 ( 8 ) 式中c 是介质中光子速度，加为光子能量，f 为腔长。 光脉冲形成过程完毕，a n 达到a n ( 末粒子反转数密度或称为剩余离子反 天津大学硕士学位论文 第二章重复率激光基本原理 转数) 。出方程( 6 ) 有： “一眦= 叭l n 器 ( 9 ) 单位体积激光工作介质输出激光的脉冲能量即为： e = 等丧c “一叭，= 等丧仙瓮 ， 输出激光的脉冲宽度为： r ：鱼( 1 1 ) 只， 在q 开关关闭后，上能级粒子数密度开始从“。积累。由前面的假设条件， 在q 开关关闭盾，受激辐射速率p = 0 ，根据方程式( 1 ) ，应满足 d a n d r = 尺一怂，积分有： ：_ r 一( _ r 一。m ) e 一“ ( 1 2 ) 设甜吒= 尺五为泵浦强度，有： a n = 巩一( 蚍一吨) 8 “ ( 1 3 ) 式中九为自发衰减速率，为1 0 3 h z 量级“”，所以如果当q 开关关闭后在t = t 仅仅是十几“s 时间内时，a n 会不能达到饱和状态，t 为开关周期，在这里n 是随t 的增加而增大的。 由于反转粒子数密度a n 和周期t 在方程( 1 3 ) 中建立了明确的函数关系， 因此可以清楚的看出，重复率激光器输出激光的脉冲能量、脉冲宽度和峰值功率 均与周期t 有关。 在重复率脉冲激光器中，前一脉冲形成的末粒子数密度为下一个光脉冲形成 的粒子积累的起始粒子数密度，根据方程( 1 3 ) 有： a n m + 1 、= 越屯一( 斛。一敝) 8 。7 ( 1 4 ) 如果q 开关周期相等，也就是说重复率激光脉冲的时间间隔相等时，每个脉 冲的起始及末反转粒子数密度近似相等且不变。在q 开关调制周期为t 时，重复 率激光器输出激光脓冲的脉冲憨量e 、峰值功率p m 及脉冲宽度a t 都可以表示成 周期t 的函数。 由方程式( 1 0 ) 和方程式( 1 4 ) 有单位体积激光脉冲能量e 为： 天津人学硕士学位论文第二章重复率激光基本原理 e ：堡土i n 丝二! 坐二坐芝：( 1 5 ) 2t o + s 。 m 由方程式( 8 ) 和方程式( 1 4 ) 有单位体积激光峰值功率p 。为： 名= 警c 【城一( 城一蚍矿”一f 一l n 坐丑半 ( 1 6 ) 由激光峰值功率和脉冲能量的关系可以得到激光脉冲宽度a t 为： f ：一e ( 1 7 ) 只 根据q 开关的基本理论，在单次调q 时，初始反转粒子数密度越大，峰值功 率越高，脉冲宽度越窄“2 船1 ，在单次调q 中，有两个参数很重要，一个是脉冲建 立时间，对于n d ：y a g 激光器，这个时间一般在4 0 n s 到1 1 0 n s 之间。”1 ，另外一个 是反转粒子数的消耗速度，对于非常快速的q 开关，一般在5 0 n s 以内时，可以 对其方程采用近似阶越函数的形式解决”。脉冲建立时间和q 开关速度的关系 会直接影响到激光脉冲的基本参数。 e p m 0 02 0 04 0 05 0 t ( a s ) 图2 - 3 脉冲能量e 随t 的变化曲线图2 - 4 峰值功率p 。随t 的变化曲线 图2 - 3 是对方程式( 1 5 ) 求解得到的重复率激光脉冲中脉冲能量e 与脉冲时 间间隔t 的关系曲线。从图中可以看出，在不同的泵浦强度肌下，e 与t 的关 系变化是很大的。对于本课题，主要研究的是在泵浦强度很高的情况，在这时， 当周期很小内时，能量和周期几乎是斜率很小的直线性关系：而随着周期的逐渐 增大，能量和周期呈现一种曲率变化很快的近似抛物线增长关系；再增大周期， 能量会逐渐增加趋于饱和。 天津大学硕士学位论文第二章重复率激光基本原理 图2 4 由方程式( 1 6 ) 求解而得到的脉冲峰值功率p 。与脉冲时间问隔t 的关系曲线图，从图中可见，p 。在t 很小时随t 基本呈斜率比较大的线性关系 增加，而且在不同的泵浦强度下，峰值功率随周期的变化情况差别也是很大的， 在周期增大到一定程度的时候，峰值功率会饱和。 5 0 1 0 0 1 5 0 t ( , u s ) 图2 5 脉冲宽度t 随r 的变化曲线 图2 5 是求解方程式( 1 7 ) 而得到的脉冲宽度a t 与脉冲时间间隔t 的关 系图，从图中可以看出，脉冲时间间隔t 越大，初始反转粒子数密度积累会越大， 激光输出的脉冲宽度也越窄。这种变化在周期达到一定值的时候会不再明显，不 过对于一般的激光器，当在还没有达到饱和值的时候，就已经对激光器系统的其 他方面提出要求了。 2 2系统工作稳定性分析 任何系统的运转都会受到外界的干扰，所以对重复率激光器系统在非理想状 态下的性能进行分析是很有必要的。 假设在第n 个脉冲的初始反转粒子数虬( 。) 有一个改变量石( 虬n ) ) ，振荡 后的末粒子数- b , 2 , 然有一改变量左( 战( 。) ) ，于是当q 开关第盯次关闭后，粒子 数重新开始积累的起点不是兢( 而是致( 砖+ 五( k ( 。) ) ，所以第聆+ 1 个脉冲 的初始反转粒子数也必然有一个改变量，；。) ( 虬( 。) ) ，以此类推，因此很有可 犬津大学硕士学位论文 第二章重复率激光基本原理 能造成重复脉冲激光器输出能量起伏。 由方程( 1 1 ) o 一札= ，l “面a n f o ，求导有： d a n 。= d a n + f ( a 刖v o l a n o ) 一s v , ( d a n 。a n , ) ，化简： d “= d 呲 ， 设0 为第二个脉冲的初始反转粒子数，根据公式( 1 5 ) 有 “。= 心一( 刖吧一a n ) e “1 求导d 蚍= e - x r d a n ，把方程( 1 7 ) 带入有： 圳玎”等渊d 吨 ， 假设扰动为 ，于是有 f 2羞玎”而1-刖v两,ianod ( 】9 ) 州，、磷j i 峨 。 因为a n , l a i n 。 1 ，所以有 1 一礤| 心：* 一磷l 幽：；阻啦奄： f = e - a t 等 ( 2 0 ) 因为p 一” 1 ，所以蚓 1 ，且f o 由于能够证明蚓 】，根据方程式( 1 9 ) 可以看出，如果哦有石( 虬) 的 增加，则蚍即第二个脉冲的蚍。应该会有正( “) 的减小，但波动幅度减小， 即l ( 蚍) i 睇( 城) i ，同理，第三个脉冲初始反转粒子数喊会有工( 吨) 增 加，且k ( 虬) | i l ( a m , , ) l l 彳( 龇) 1 ，如此持续下去，序列脉冲就会逐渐稳定 下来。 从式( 2 0 ) 中可以看出，丁越大， ，越大，蚓越小，左( 虬) 的波动量也 越小。即q 开关调制周期t 越大，系统的稳定性越高。 另外从式( 2 0 ) 中还可以看出腔内闽值反转粒子数越大，f 越小，系统 工作撒稳定。 天滓大学硕士学位论文第二章重复率激光基本原理 本章小结 通过上面的分析可以获得重复率激光脉冲输出的特性： 1 ) 在重复率激光输出中，激光的峰值功率、脉冲宽度和脉冲能量都是脉冲 间隔的函数，脉冲间隔的改变会引起这些参数的变化。 2 ) 重复率激光系统在受到扰动时具有自我稳定调节的能力，且工作周期、 工作阈值对稳定性有重要影响。 天津大学硕士学位论文第三章电光q 开关电路 第三章电光q 开关电路 电光调q 是利用晶体电光效应实现对谐振腔q 值的控制，工作过程是：在泵 浦期间，给电光晶体加v m 电压，线偏振光通过电光晶体后产生州2 相位差，偏 振面旋转4 5 0 变成圆偏振光，经过全反镜反射后，再次通过电光晶体，又经历一 次x 4 延迟后变成为线偏光，但是与其初始方向相比旋转了9 0 0 ，所以不能通过 偏振片，此时相当于“开关”处于关闭状态，故q 值很低，不能形成激光振荡， 在泵浦的不断激励下，工作物质的反转粒子数将不断积累并且达到最大值；若瞬 间除去电光晶体上的电压，则偏振光的振动方向不再被旋转而能通过偏振片，相 当于“开关”迅速打开，使q 值猛增，激光振荡得以形成，从而产生雪崩式的激 光发射，输出一个巨脉冲。 电光q 开关电路发展到现在人们设计了各种精巧的电路m m 7 m 9 ，电路设 计思想大致可以分为两类：一类是利用低压快速开关元件控制高压元件开关：另 一类是用低压快速开关元件的多级串联实现高压开关。 本课题的工作重点是研制性能优良的电光q 开关电路，性能优良主要指三个 方面，一是开关速度快，二是工作频率高，三是容易驱动。本文设计了三种电光 q 开关电路，三种电路各有优点。 3 1雪崩管一电子管电光调q 电路 本电路设计思想是利用低压雪崩管驱动高压电子管，是从i g b t 工作方式受 到的启发，目的是把雪崩管高速易驱动和电子管耐高压特点结合起来。 对电子管设计的开关电路，都适用于冷阴极触发管、k r y t r o n 管、陶瓷管、 闸流管等大功率开关管“，这种低压元件控制高压元件的电路设计思路简单清 晰，所以性能更好的元器件会使电路有更大的改进空间。 3 1 1雪崩三极管和电子管的工作特性 l 、电子管的基本工作特性 - 】5 - 天津大学硕士学位论文 第三章电光q 开关电路 电子管的基本工作原理是借助电场控制真空中自由电子的运动。电子管主要 由阴极、屏极( 阳极) 、控制栅极和帘栅极组成“：1 ) 阴极利用热电子发射原理 发射电子，采用加热发射体的方法，发射体多用钨、钍钨和氧化物材料，阴极加 热方式有直热式和旁热式，因为旁热式稳定性好，现在只有部分超高压管用直热 式；2 ) 当屏极电位比阴极电位高时，来自阴极的自由电子被正电位的屏极所吸 引，从而产生电流电子管导通；3 ) 控制栅极是以静电控制方式控制阴极到屏极 电子流的电极，控制栅极上信号电压微小的变化都会引起屏极电流很大的变化； 4 ) 帘栅极的加入主要是为了减小屏极与控制栅极之间、屏极与阴极之间的极间 电容，另外还可以在屏极和控制栅极之间起静电屏蔽的作用，由于帘栅极的隔离 作用，因此内阻高、耐压高、高频特性较好。 l b ( m a ) 4 0 0 0 ，l jia = l；3r ， ， ， r i- e 2 = 6 (o j f j f r j j ， r ， 一 ， e ” = ，2 0v 一 l 图3 1 电子管伏安特性图 4 0 0 0e b ( v ) 图3 1 是四极电子管的伏安特性图，可以看出该电子管的高压关断能力和 开通特性都很好，为了使的电子管正常工作，关断时栅极电压需要加一个负压， 在开通时栅极要有适当的正压“3 1 。为了提高电子管使用效果和寿命，电子管有如 下使用要求“”：1 ) 灯丝电压变化控制在5 以内；2 ) 不能有两个参数同时在极 限值；2 ) 电子管多极电压的基准点是阴极；3 ) 栅极电阻选取要很严格；4 ) 屏 极电压要在加帘栅极电压前；5 ) 需要加工优质的管座。 2 、雪崩三级管的基本工作特性 雪崩三极管是具有雪崩倍增效应的晶体管，此效应指集电极电压足够高时， 收集结空间电荷区内电场强度比正常运用大许多倍，进入收集结载流子被强电场 天津大学硕士学位论文 第三章电光q 开关电路 加速获得大能量，他们与晶格碰撞时产生新电子和空穴对，新生电子空穴又被强 电场加速重复上述过程，收集结电流便会以“雪崩”形式增长“”“。 雪崩晶体管共基极电流增益为= m ，其中m = l 1 一( u c u c b o ) “】是雪崩倍增 因子，指若一个载流子进入收集结空间电荷区，则有m 个载流子流出，u 。是外加 电压，1 3 是密勒指数与晶体管材料有关，硅材料为3 4 ，此时共发射极电流增益 p + = m a ( 1 一m 。 图3 - - 2 是n p n 型硅雪崩晶体管的共射极输出特性“7 “”3 ，与普通三极管输出 特性相比有一个明显的区别，就是集电极电压范围扩展到更高的击穿区域即雪崩 区，由图可见：1 ) 当岵 执时( u 为维持电压) ，由于 u m 而m 1 ，没有雪 崩倍增效应；2 ) 当u 。= u 。时i b _ o ，晶体管基极开路，此时没有基极电流注入， 流经基区的载流子数目与通过收集结的载流予数目相等，载流予没有复合，即a = l ，因而旺 1 ，对应i i i i i 出现雪崩；3 ) 当u 。电压继续增加，并且基极 接有电阻或加有反向偏压时，其击穿出现负阻特性。由u s 、u c m 所限定的电压范 围为雪崩工作区；4 ) 对于很多雪崩管一般会出现二次雪崩的现象。 o 图3 2n p n 雪崩管共发射极输出特性 晶体三极管雪崩区运用有如下特点：1 ) 电流增益大到正常工作的m 倍，雪 崩倍增因子参量不仅随轻掺杂集电区材料导电类型和电阻率变化，而且也随晶体 管的电流放大系数变化“”；2 ) 雪崩应用时的基区宽度远小于一般工作时的基区 宽度，这使的载流子渡越基区的时间迅速减小，于是晶体管的有效截止频率大为 天津大学硕士学位论文第三章电光q 开关电路 提高：3 ) 改变雪崩电容与负载电阻，所对应的输出幅度是不同的，就是说输出 脉冲与雪崩电容和负载电阻有关“0 1 ；4 ) 主要参数雪崩时间、脉冲幅度、触发延 迟和触发抖动不仅取决于管子本身，而且还和测试电路密切相关，因此雪崩晶体 管参数总是对某- - n 试电路而言的“。 3 1 2雪崩管一电子