（物理电子学专业论文）射频激励同轴扩散冷却co2激光器.pdf

华中理_ t - 大学博士学位论文 摘要 旧前，射频激励扩散冷却c 0 2 激光器正逐步取代传统的直流c 0 2 激光器而成为新一代 工业用c o ：激光器。其中同轴射频激励扩散冷却c o ：激光器以其结构稳定紧凑、放电面积 大和可萃取高功率优质激光束等优点，具有很大的发展潜力，在激光切割和焊接等加工领域 具有广阔的应用前景。但目前国内外有关这方面研究的报道并不多，国内在这方面的研究就 更少，研究的深度也不够。基于这些原因，本文围绕同轴结构中的射频放电机理、热效应、 环形增益介质谐振腔的模式特征及耦合损失，以及射频功率传输中的阻抗匹配等问题进行了 较深入的理论和实验研究。 j 通过求解同轴波导内的赫姆霍兹方程，得到了同轴波导激光器内光场分布的表达式。 结果表明：当环间隙间距与其中心半径的比值较小时，在同轴波导激光器中的低阶振荡模足 环向极化的。 采用衍射理论，推导和计算了同轴波导激光器谐振腔的耦合损失。结果表明：对于同 轴环形波导，存在三种形式的低耦合损失谐振腔结构，即半共焦结构、半共心结构和平行平 面腔结构。并从耦合损失的角度，分析了同轴波导激光器谐振腔的模式特征及模式鉴别能 力，研究结果与有关文献和实验相符合。 基于电子能量平衡方程、电流连续性方程和电子能量分布函数等，建立了同轴结构射 频放电特性的理论模型。计算并讨论了电子密度、电场强度、功率密度和激光上能级的激发 效率等参量的空间分布特性，很好地解释了一些实验现象，如射频放电的辉纹结构、射频频 率和气体配比对放电特性的影响等。 将双极性扩散引起的带电粒子在内外电极表面的复合及其空间复合视作其损失的主要 途径，研究了同轴射频放电等离子体的空间分布特性，推导出了同轴放电系统相应的特征扩 散长度，及射频放电着火条件，分析了有关参数对放电特性的影响。 在假定均匀热源的前提下，推导出了同轴放电系统中最大注入电功率( 或激光输山功 率) 与电极结构和放电间距的关系，结果表明同轴放电结构和平板放电结构一样遵循“面积 放大规律”。又在同轴射频放电模型的基础上，通过考虑热传导方程，研究了射频频率、气 体配比和放电电流等参量对气体温度空问分布的影响。 。 在分析电极上纵向射频电压分布规律的基础上，提 l 了同牟0 l 放电结构的设计原则；采 用电磁场理论，分析了射频功率传输过程的阻抗匹配问题，得n 了阻抗匹配网络的一般殴计 方法及普遍表达式，并可从中推出射频放电等离子体的有关电参数。有关实验结果与理论结 果能较好吻合。理论分析了射频放电中脉冲调制的实质，并进行了一些相关实验研究。 进行了同轴射频放电实验研究及特性分析，实际测量了同轴射频放电c 0 2 介质中的小 信号增益系数，并讨论有关参数对对小信号增益系数的影响。 华中理工大学博士学位论文 运用衍射理论，模拟了环形增益介质中稳一非稳谐振腔内的日由罕j 刈传糯振荡越槲， 分析讨论了腔镜几何参数对不同振荡模特性的影响；计算了倾斜非稳腔和螺旋非稳腔的近场 和远场分布，与有关文献结果相符；并对这种谐振腔进行了几何光学法分析，揭示了复| j i 厕 镜谐振腔内模损耗与复曲面顶点位置的关系。 最后，提出了采用传统光学镜片加工法研磨法进行复l i l l 而环形镜加工的新方法，与 金刚石切削技术相比，该方法较为简单价廉。该领域的进一步深入研究将有利于加快高功率 同轴射频激励c o ：激光器的实用化进程。j 一，、 关键词：身j 频放电同轴结构，c o ：激光器，祧合损火，热做脚 5 f i 抗匹配，环形谐振腔 n 华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h e r f e x c i t e dc 0 2l a s e r sw i t hd i f f u s i o n - c o o l i n gh a v eg r a d u a l l yr e p l a c e d t h ec o n v e n t i o n a ld c 。e x c i t e dc 0 2l a s e r st ob e c o m ean e wg e n e r a t i o no fc 0 2 i a s e r su s e di n i n d u s t r y , i nw h i c ht h ec o a x i n r f e x c i t e dc 0 2l a s e r sw i t hd i f f u s i o n c o o l i n gh a v em o r e a p p l i c a t i o np o t e n t i a li nc u t t i n ga n dw e l d i n gf i e l d sd u e t ot h e i ra d v a n t a g e si nc o m p a c ta n d s t a b l es t r u c t u r e , l a r g e rd i s c h a r g ea r e a ，a n dp o s s i b i l i t yo fe m i t t i n gas i n g l el a s e rb e a mw i t h g o o dq u a l i t y u pt on o w ，h o w e v e r ，t h e r ea r eaf e wr e p o r t sa b o u tt h i sf i e l da th o m ea n d a b r o a d ，e s p e c i a l l y i no u rc o u n t r y t h e r e f o r e ，t h i sp a p e r m a k e sm u c hm o r ed e t a i l e d t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d i e s o nt h em e c h a n i s mo f r f d i s c h a r g ea n dt h e r m a le f f e c ti n c o a x i a lg e o m e t r y ，t h em o d ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o u p l i n gl o s s e so fa n n u l a rr e s o n a t o r s ，a n d i m p e d a n c em a t c h i n gi nr fp o w e r t r a n s m i s s i o ne t c b ys o l v i n gt h eh e l m l o t ze q u a t i o ni n c o a x i a lw a v e g u i d e ，t h er e l e v a n te x p r e s s i o n so f f i e l dm o d ed i s t r i b u t i o na r eo b t a i n e d ，w h i c hi n d i c a t et h a tt h el o w e r - o r d e rm o d e si nc o a x i a l w a v e g u i d e l a s e r sa r ea z i m u t h a l l yp o l a r i z e dw h e nt h ea n n u l a rg a pi sm o r en a r r o wc o m p a r e d w i t hi t sm e a nr a d i u s b a s e do bt h ed i f f r a c t i o nt h e o r y ，t h ec o u p l i n gl o s s e si nt h ec o a x i a lw a v e g u i d el a s e r r e s o n a t o ra r ed e d u c e da n dc a l c u l a t e d a sar e s u l t ，t h e r ea r et h r e er e s o n a t o rs t r u c t u r e st o p r o v i d el o w e rc o u p l i n gl o s s e sf o rt h ec o a x i a lw a v e g u i d el a s e r s ，ie ，s e m i c o n f o c a l ，h a l f - c o n c e n t r i ca n dp l a n e p a r a l l e lg e o m e t r i e s ，a n dt h em o d ep r o p e r t i e sa n dd i s c r i m i n a t i o na r c s t u d i e db ya n a l y z i n gt h e c o u p l i n gl o s s e s t h et h e o r e t i c a lr e s u l t s a g r e ew e l l w i t hs o m e r e l a t e dr e f e r e n c e sa n d e x p e r i m e n t s b yc o m b i n a t i o no f b a l a n c ee q u a t i o n so fe l e c t r o ne n e r g y ，c u r r e n tc o n t i n u i t ye q u a t i o n a n dd i s t r i b u t i o nf u n c t i o no fe l e c t r o ne n e r g y ，am o d e lt os i m u l a t et h ec o a x i a lr f d i s c h a r g ei s s e tu p t h e s p a t i a ld i s t r i b u t i o n so f e l e c t r o nd e n s i t y ，r fe l e c t r i cf i e l d ，r fp o w e rd e n s i t ya n d e x c i t a t i o ne f f i c i e n c yf o ru p p e rl a s e rl e v e la r ec a l c u l a t e da n dd i s c u s s e d ，w h i c he x p l a i nw e l l e x p e r i m e n t a lp h e n o m e n a ，s u c ha ss t r i a t i o ns t r u c t u r ei nr fd i s c h a r g e ，t h e - i n f l u e n c e so fr f f r e q u e n c ya n dg a sm i x t u r e s o nd i s c h a r g ep r o p e r t i e se t c b yr e g a r d i n gt h ec o m b i n a t i o no fc h a r g e c a r r i e ro nt h es u r f a c e so f t h ei n n e ra n do u t e r c y l i n d r i c a le l e c t r o d e sd u e t oa m b i p o l a rd i f f u s i o n ，a n dt h es p a t i a lc o m b i n a t i o na st h em a j o r r e a s o n s ，t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ec o a x i a lr f e x c i t e d p l a s m a i ss t u d i e d a n dt h e c h a r a c t e r i s t i cd i f f u s i o nl e n g t hi nc o a x i a ld i s c h a r g es y s t e m ，r fd i s c h a r g ei g n i t i o nc o n d i t i o n a r ed e d u c e dt h ei n f l u e n c eo fs o m es t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o nd i s c h a r g e p r o p e r t i e s i s d i s c u s s e d m 华中理工大学博士学位论文 0 nt h es u p p o s l b o nt h a tt h et h e r m a ls o u r c et na n n u l a rg a pi su m t o r m ，t h er e l a t i o n b e t w e e nt h em a x i m u mi n j e c t e de l e c t r i cp o w e r ( o ro u t p u tl a s e rp o w e r ) a n de l e c t r o d er a d i u s a n dg a pw i d t hi sd e d u c e d ，w h i c hi m p l i e st h a tt h ec o a x i a ld i s c h a r g eg e o m e t r yf o l l o w s “a r e a s c a l i n gl a w ”a sw e l l a sp l a n a rd i s c h a r g es t r u c t u r e f u r t h e r m o r e ，b yi n t r o d u c i n gt h eh e a t c o n d u c t i o ne q u a t i o ni n t ot h ea b o v em o d e l ，t h eg a st e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n si nt h ea n n u l a r g a p a f f e c t e db yr f f r e q u e n c y ，g a sm i x t u r ea n de l e c t r i cp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d t h e p r i n c i p l eo f d e s i g n i n g t h ec o a x i a ld i s c h a r g es t r u c t u r ei sp r o p o s e db a s e do n a n a l y s i s o fl o n g i t u d i n a ld i s t r i b u t i o no fr fv o l t a g eo nt h e c y l i n d r i c a l e l e c t r o d e s b yu s i n gt h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r y ，t h ei m p e d a n c em a t c h i n gp r o b l e mi nr fp o w e rt r a n s m i s s i o ni s s t u d i e d ，a n dag e n e r a le x p r e s s i o no fi m p e d a n c em a t c h i n gi sd e d u c e d ，w h i c hc a ng i v es o m e i n f o r m a t i o na b o u tr f e x c i t e d p l a s m a a n di sc o n s i s t e n tw i t h e x p e r i m e n t s w e l lt h e m e c h a n i s mo fr fp o w e rm o d u l a t i o ni n d i s c h a r g ei ss t u d i e d ，a n dr e l a t e de x p e r i m e n t sa r e m a d e t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so fc o a x i a lr f d i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c sa r em a d e t h e s m a l ls i g n a l g a i ni nt h ea n n u l a rr f - e x c i t e dc 0 2m e d i ai sm e a s u r e di np r a c t i c e ，a n dt h e r e l a t i o nb e t w e e ns o m e p a r a m e t e r sa n dt h es m a l ls i g n a lg a i ni sd i s c u s s e d b a s e do nt h ed i f f r a c t i o nt h e o r yi nf l e e s p a c e t h et r a n s m i s s i o np r o c e s so ft h es t a b l e u n s t a b l er e s o n a t o r sw i t ha n n u l a r g a i n m e d i aa r es i m u l a t e d ，a n di n f l u e n c eo fr e s o n a t o r g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s o nm o d ep r o p e r t i e si s d i s c u s s e dt h en e a r f i e l da n df a r f i e l d d i s t r i b u t i o n so ft i l ta n ds p i r a lr e s o n a t o r sa r ec a l c u l a t e d ，a n di n a g r e e m e n tw i t hr e l e v a n t r e f e r e n c e st h eg e o m e t r i co p t i c si sa l s ou s e dt oa n a l y z et h ea n n u l a rr e s o n a t o r sw i t ht o r i c m i r r o r s ，a n dr e v e a l st i l ed e p e n d e n c eo fm o d el o s s e si n t h e1 e s o n a t o r sa n dt h ev e r t e x p o s i t i o no f t h e t o r i cm i r r o r s f i n a l l y ，an e wa p p r o a c h t of a b r i c a t et o r i cm i r r o r sw i t ht h eg e n e r a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g m e t h o di s p r o p o s e d w h i c hi s s i m p l e r a n d c h e a p e rc o m p a r e d t ot h e d i a m o n d t u r n i n g t e c h n i q u e t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n ti nt i f f sf i e l dw i l ls p e e du pt h ec o m m e r c i a l i z a t i o no f t h e h i g hp o w e r c o a x i a lr f e x c i t e dc 0 2l a s e r sw i t h d i f f u s i o n c o o l i n g k e y w o r d s ：r f e x c i t a t i o n ，c o a x i a lg e o m e t r y ，c 0 2l a s e r ，c o u p l i n gl o s s e s ，t h e r m a l e f f e c t s i m p e d a n c em a t c h i n g ，a n n u l a rr e s o n a t o r ， 华中理工大学博士学位论文 第一章绪论 自1 9 6 4 年世界上第一台! 激光器3 问j 址以米，f u 激j 匕器取得了突飞猛进的发展，并 一卣处于不断的更新换代中。目前，f ( ) ：激光器的戍用已渗透到各行各业，涉及： 业加工( 激 光切割、焊接、标刻、表而热处理等) 14 1 、利学研究”。、激光医疗”、和军事应用及航空航 天”1 等众多领域。f 、n ，激光器是至今为l l 输功率最大、技术发展最成熟的激光器，但随着应 用领域的不断扩展和深入，对激光器性能指标l i l z 不断提商i ，a 1 此人们对。激光器新的激励 方式和结构的探索研究仍在继续。 在c o ，激光器中，放电气体温度对其输 l 功率和效率有很大影响。当工作气体温度大于 15 0 度时，电光转换效率明显下降，而若：r 作气体的濡膻超过：) 艘，! i ! i j 将无激光输 i 。闻 此为实现c m 激光器的高功率运转，就必须快速、有效地带走放电区的热量。甲期的青流纵 向放电激励的封离式：激光器，通过在直径为0 5 2 e h i 的玻璃放电管外面再加水冷套通水 冷却，工作气压约为几一t 几 尸。由于放电气体温度的限制，人们篮提高其激光输出功率， 只有靠增加放电管的长度来实现”i ，达给实际戍川俯来f ：f 巫。为此，( “，1 等人首次于1 堋 年提h _ ；气体i ! i f c 动技术o 川。该技术利用对流使气体得以充分冷目l ，从f i 把单位放电长度l 二的 输功率提高了几个数量级。早期工! 忆l ：应用的干瓦级r ：激比器1 i 嘤足采用气体流动技术 的轴快流( f a f ) 和横流( t f ) r ( b 激光器，最大输 l j 功率分别达刮儿k w l fk w 以上【6 - 1 1 , 1 2 。 这些器件原先所采用的均是传统的直流放电激励疗式，层何放电不稳定性，需要串接 e 能元件一镇流电阻，从而引入了附加损耗；另外还有i s l - i t , f 问1 无澍： 中制等缺点”。近十几年 来迅速发展起来的射频激励( r f ) 横流和轴快流( 1 ( j ! 激光器避免了这方而的不足，输h 功率分 别可达l o k w 和： o k w 以上l l “。但不管何利i 激励方式的气体对流冷却r ( ) 。激光器，均需要热 交换器、气体循环、净化等一系列庞大、复杂的靳i i 肋一p l 皱置因此激光器的结构复杂、体积 大，而f | 气流循环冷却系统也增加了额外功率损耗，j i 带采r 录爵污染，从而使其应用范围 砭到一定限制。为此，人们开始研制雒利嘲陋u 离j j 率( 1 ) ：激圯器，j c - , l - 具有紧凑结构的高功 率扩散冷却，激光器受到人# l l f l , j 广泛关注，是f 1 前 i - l f i l t i , f 究热点”7 。j c , i l ，尤其以 列频激励的扩敝冷却结构最为活跃，输 i j 激圯l l 纾越需从儿f l ，儿k w 的功率范围”圳 由于该类激光器采用小间隙、大面积的放电结构，自流放i 乜激励方式已不能满足放电稳 定性的璎求通常需采用射频激励方式。与传统的直流激励( 1 ( 1 ，激光器相比，它具有以下优 点： 【i ) 射频波可实现高频i l i i gj 1 调制罔而r l ll 岛频训制激圯卅3 和输 i i ，儿删制频牢可达 l o o r l l z ，这是直流放电激励方式所1 ；能达剿的； ( 2 、 射频横向气体放电具有证向伏安特性可实现持续放i u ，而直流气体放电其有负向伏 安特性需串联限流电阻才能持续放i b ，此限流l 乜m 所消耗的功率几乎与注入放电室 华中理工大学博士学位论文 的电功率j 1 1 等； ( 3 ) 州蝴横向放电激励方代r 作电瓜低( 约为几订伏特) ，i n i f i 利f 提i 就器件z f 命； ( 4 ) 射频横向放电激励方式n 1 实】= i , t g c m 秘均匀放电所l j r 梭j f , q f l f i 嘶午l 比例缩放以捉离 件输! ；功率，使大功率器件的体积人为缩小； ( 5 ) 射频横向放电激励方式可实现单电源输入善通邋哪l 、j 放i u 均0j 激励，网i f f f i q ：l 弋、 、 j ： 、k 、；。! ： |_ 。 二，、冬i 、； 、： “：心之 11 0 e l e c t r o d es p a c i n g 【m m l i i ，j i ! ，r 帕关系 关系的进一步研究表明，当r d l l l l l l l 时，i g i1 ir m 0 一i jr ，的反比关系近似成立；而当d l w i l l 时，波导损耗太大，放电均匀性出难以保证。一_ | i 4 ；宜漾川。对r 普通m ! 激光器，其自d j 空间基模光束的典型值为5 i r a , ，因此当电极间隙d 啭u m 州，放f 乜区c f 激) 匕将以自山亏! 问模式 传播，但比功率密度受到影响。这是因为当r ，增夫州气体的热输运速率下降，此时其静态比 功：鍪南度的最人值j 仃7 k w m - 厶；l 町”1 i 乜极阄张，曲i ji i 、j ，圯求以舟山空间一波导混合模 式1 播，此时蕻静态比功率密度可尚达2 & w m 以卜。i it i 的还给 了存d = z2 钆l l 乏 r ，- z 五n l i 时j 行钡4 得的实验数越点已f l 1 4 u x - j - t , vj ：这i 蛳十i l f 0j i f ； 螅j 。 目前，采用制频激励的扩散冷即“而积放大”j 弘i ，激光器1 j 婴宵- i 类，分别为波导阵 列、同轴波导结构和平板波导，其结构，卜意图如i 2 所小 0 1 re)fjjo“?n曲no 华中理工大学博士学位论文 圈1 2( a ) 波导阵列；( i ) ) 同轴波导结构；( c ) 平板波导 1 1 1 平板波导结构 目前国际上对射频激励平板结构扩散冷却c ( ) ：激光器进行了深入i i l i v “泛的研究，般 均采用了“面积放大”技术，即利用扩散冷却的方法，使放电区的热量通过大面积电极有 效地扩散出去，而激光输出功率与放电面积成正比。1 9 8 7 年，d r 1 l a l 】等人采用如图1 3 所示的平行波导放电结构，在无气体流动的情况下，在3 7 6 1 8 2 ，2 , 5 m 。的激活区内实现 放电，采用乎平腔，获得】3 8 w 的输出功率“，其效率为1 5 ，模式为e i l 。模，而在 长1 m 的l l g b l 获得了4 3 0 w 的激光输出；1 9 9 1 年，他们利用此技术从7 6 0 m m 的增髓长度器 件中获得千瓦级的c 0 2 激光器。鉴于大面积放电易产! 卜多模振荡，为了得到工业应用所需 的光束质壁和有效地提取放电区内的注入功率，ne j a c k s o u 等人利用非稳波导混合 腔技术”5 1 ”，如图1 4 所示，在2 2 5 4 5 3 8 0 m n ? 的放电体积内得到了2 4 0 w 接近衍射极 限的低阶模输出，其效率为1 2 ，比输出功率密度达到1 4 k w , , f 。随后德国的r n o w a c k 等 人”在此技术上做了进步的工作，于1 9 9 1 年在放电而积为1 0 c n l 6 0 c m ，隙商为1 ，, 5 1 1 1 1 1 1 的激光器上获得了1 0 4 ( ) w 的激光输1 t i ( 比输功率密度棚当1 1 6 6 k w n ? ) 的激光输山，j c 效率为j i 。同时。英国的a d c o i l e y 等人“97 也利刚非稳定波导混合腔在2 9 5 7 7 0 n m l 3 的放电体积上获得了1 0 6 0 w 的激光输 j i 。国内存这方面也作r 不少研究，西南技术物理所 在1 9 9 3 年报道了在2 3 0 4 0 0 m m 3 的宽波导卜得到了超过i o o w 的激光输i l l f i o l 。北京理：i ： 大学也做出了9 0 0 w 的平板波导结构c 0 ，激光器。 = r i n i o p o n a “。p l l c ，i l “； r ，萄筐擎 图131 i z 行波导放电结构 图1 4 - i i - 稳波导谐振腔 1 1 2 平板波导阵列结构 鋈 华中理工大学博士学位论文 前述的“面积放大”平板波导结构是一种平面增益扩展技术，随着输出功率的增加， 器件的紧凑性无法保证，为了进一步提高输出功率，最近，出现了平板波导阵列结构，即 将平板波导和一维波导阵列技术结合起来，成为一种二维平板波导阵列技术。主要方式有： i 多通道板条结构 1 9 9 1 年加拿大的u n i v e r s i t yo fa l b e r t a 的e f y e l d e n 等人从多光束激光器的原理出 发，提出了一种“多通道板条放电”系统【2 “，如图1 5 所示。八个三角形水冷电极沿径向排 列形成八个板条形放电通道。放电间隙为高5 m 宽4 0 u 长5 0 0 n u n 。采用射频激励技术在 八个放电通道中同时获得均匀稳定的辉光放电。采用如图1 6 所示的复曲面镜谐振腔，在 气压为4 k p a 、配比为c o ，：心：h e = l ：l ：3 时，在单通道放电区中获得了3 5 w 的激光输出，光束发 散角为4 8 m r a d ，相当于1 ，3 倍的衍射极限。对这种激光器输出光束特性的的进一步研究表 明 5 2 1 ：激光输出近场为八个分立的椭圆形光斑，分别对应于八个放电通道，聚焦后形成一 个均匀的非偏振的光斑。当输出耦合孔径较小时，近场的八个分立的椭圆形光斑合成一个 光斑，但聚焦后的光斑大于大耦合孔径的情况。该激光器在气压为2 6 6 k p a 下稳定工作时输 出功率为2 0 0 w 。利用这台激光器，进行了金属薄板的切割实验，最小切缝为3 0 0 “m 。 图1 5 多通道板条放电结构图 地电极端板 水冷铝电极 r f 电极， 谐振电感， 2 、激光输出槽 4 、放电空间， 6 、陶瓷绝缘， 8 、真空外壳 图16 复曲面镜谐振腔 2 三板条放电结构 1 9 9 2 年意大利的t h ei n s t i t u t on a z i o n z l ed io t t i c a 的al a p u c c l 等人提出了一种三板条放 电结构旧3 ，如图1 7 所示，两个l j 形铝电极交错排列，形成三个平行排列的放电通道。整个 电极) h 3 0 0 r a m ，每个放电区宽l o n u n ，间距2 m 。采用这种开放式平板波导结构，用平平腔， 实现了三通道的锁定输出，比前述的多通导板条结构在谐振腔的设计要简单些。在气压 华中理工大学博士学位论文 为5 0 m b a r 、配比为c 0 2 ：n 2 ：t t e = l ：1 ：5 ，加5 的x e 时，获得了4 9 w 的激光输出“删，效率为8 2 其远场的中央主瓣的发散角为2 m r o d 。 一笋”画扎舄 3 层叠式波导c o ，激光器 北京理工大学的辛建国等人提出一种射频激励层叠式波导c 0 ：激光器，采用两个板条波 导阵列结构，如图1 8 所示，上下两个增益区各为2 x l o o x 5 0 0 l i l l s ，在气压为l o k p a 、配比为 c q ：n 2 ：x e = i ：1 ：3 ：0 0 5 时，采用虚共焦非稳谐振腔，获得了高达1 0 2 0 w 的激光输出， 光电效率为1 0 ，其远场为单峰分布的一维压缩笮光斑。而如何实现两个波导之间相位锁定 问题，还有待研究。 i i 3 耦合波导阵列结构 为了进一步提高激光器的输出功率和降低对光学谐振腔镜破坏闽值的要求，1 9 8 4 年， 美国的d y o u m a n s 等人首次提出了波导阵列c o ：激光器技术”。波导阵列c 0 。激光器是基于 射频激励单波导c 0 。激光器的技术，将多个单通道波导单元平行排列成一维或二维组合，并 采用特定的措施和技术，使各波导单元之间实现频率和相位锁定，从而达到单模高功率输出， 使远场光强分布得以大的提高。d y o u m a n s 等人在两个波导之间放置一块z n s n 板作为耦合 壁，实现了1 2 波导阵列的锁相输出。1 9 8 6 年美国联合技术研究中心的n e w m a n 等人报道 种漏模藕合结构一维波导阵列c 0 2 激光器( 图1 9 ) ，并从增益长度为3 7 0 t m n 的1 5 阵列中获 得9 5 w 的功率输出f 2 “。同年又实验了空心脊波导( h o l l o wb o t er i d g e ) 列阵1 ( 图1 1 0 ) ，其 由几个波导单元平行排列而成的，其中每个波导的宽和高( 即图1 1 0 中的c 和d ) 都是一样的， 但是各波导之间公共壁的高度a 及厚度b 是不样的，因此可使阵列中各波导单元间的光耦 合，从而达到相位锁定和高功率相干输出。在二单元和三单元列阵中，可获得5 0 8 水平的相 位锁定输h 。存3 7 c m 长五单元列阵中，获得1 ( ) 5 w 的部分相位锁定输出。为了克服随着波导 膊列的增加而出现的相位锁定问题，1 9 8 7 年又报道了一种交叉场耦合一维波导 ”9 ”1 ( s t a g g e r e df t o l l o wb o r e ) 阵列c ( ) ! 激光器( 图1 i i ) ，将两段阵列波导相错半个波长单 元n , d 串接起来，每个波导单元尺寸设计有利于形成2 阶波导摸，这样在一段阵列的某一波 导单元中形成的2 阶模传播到另一段阵列中时，其2 阶模被分为两半分别注入相交错的两个 6 ， 华中理工大学博士学位论文 波导单元中形成场耦合，从增益长度为3 7 0 n u n 的1 7 阵列器件中获得了1 9 5 w 的锁相输出 侗其损耗较大。 c o u p l i n gw a 图1 9 漏模藕合波导阵列c o 。激光器图1 1 0 空心脊波导列阵c 0 。激光器 图1 1 1 交叉场耦合一维波导阵列c o ? 激光器 而1 9 9 0 年英国的d r h a l l 等人所研制的3 8 6 m m 的紧耦合( c l o s e p a c k e d ) 七通道波导阵列 ”得到了高达2 0 0 w 的激光输出。一般而言，这种波导阵列采用a i ：0 。陶瓷制作，由于大块a 】，0 。 陶瓷不易获得，因此2 n 3 ：难度大。 1 9 9 1 年英国h a l l 教授等人又提出了一种对角线结构波导阵列方案旧1 ( 图1 1 2 ) ，将每个 波导单元相对于常规波导单元旋转9 0 0 ，通过对角线上的场漏模来实现波导间的耦合，获得 了1 5 阵列器件的1 2 5 w 的功率输出。1 9 9 0 年法国的b o u r d e t 等人报道了一种自聚焦波导阵 列c o 。激光器”3 1 ( 图1 1 3 ) ，单元波导由两个圆柱面相交场形成，波导间的耦合通过圆柱面交 截形成的通道进行，从1 0 0 m m 长的】3 阵列中获得了近1 w 的激光输 h 。1 9 9 3 年h a l l 等人 又提出了一种四波混频交截耦合波导阵列+ c o 。激光器”( 图1 1 4 ) ，其中沿阵列对角线加工一 个耦合槽以实现波导间的耦合，实现了1 2 阵列器件的锁相耦合输出。 t 图1 1 2 对角线结构波导阵列 图1 1 3 自聚焦波导阵列图1 1 4 交截耦合波导阵列 7 曳 华中理工大学博士学位论文 j ：述几种方案，均是利用波导场的漏模来实现波导间的耦合锁相的。但实际上，对于单 整片谐振腔镜的阵列激光器，采刚波导单元的漏模场来实现多单元阵列波导单元间的耦台锁 = l 是极其困难的，原因在于实际的加工误差导致了备单元波导谐振频率的不同。为此，人们 又开始探索另外的技术途径。1 9 9 2 年英国的 i a l l 教授等人提出了一种利用t a l b o t 效应实现 耦合输出的阵列结构“0 _ 6 “( 图1 1 5 ) ，在、波导端口谐振腔镜片间放置一个一维网格栅，并使谐 振腔长度满足t a l b o t 自再现条件，从3 8 6 n u n 增益长度器件中获得1 1 3 元阵列的1 5 5 w 的反 相锁定功率输出，输出光束远场强度为双峰值分布。1 9 9 1 年北京理工大学提出了漏模耦合结 构的极限尺寸波导阵列c 0 2 激光器技术汹1 ，从2 0 0 m 2 增益长度上获得了1 1 3 波导阵列同相 锁定的大于4 5 w 的激光输出，其近场光强为较为清晰的1 3 个光斑场分布，远场分布为单 光束远场分布压缩85 倍的高比率单峰分布场。1 9 9 2 又年实验了一种增益波导阵列c o 。激光 器技术“，矩形波导的下壁( 即下电极) 被刻成一维栅状以形成一周期分布增益，获得功率 2 0 w 、远场强度分布为一单峰值的激光输出。同期美国的w b b r i d g e s 以及y f z h a n g 等采 用类似的沟槽耦合条状波导阵列( ( o v ec o u p fs t r i pw a v e g u i d ea i 、r a y ) 结构( 图1 1 6 ) ， 电得到r 大于8 0 w 的激光输啦6 9 】。但该器件的缺点是损耗较大。 攀奄 图1 1 5t a i b o t 效应波导阵列结构 图1 1 6 沟槽耦合条状波导阵列示意图 国内电子部1 2 所、西南技术物理所、北京理工大学和浙江大学等单位也对这种类型的激 光器歼展了一些研究工作m 。佗j ，并取得了，不少成绩。1 9 9 1 年，西南技术物理所报道种三列 阵刺频波导c 0 。激光器，在3 9 c m 的长度上获得了3 5 w 的相干输州”) 。 1 9 9 6 年英国的d r h a l l f g ；人开发出了种二磔波导阵列结构m i ，在3 7 5 m m 长的两层1 3 单 厄的波导阵列叶获得3 5 5 0 y i | 的激光输f j ，而莉：3 i ： 单元的波导阵列中获得了7 5 0 w 的激光输 m 。 波导阵列激光器件是一种增益通道并联结构，对光学谐振腔镜破坏闽值的要求与常规通 道波导激光器一样，因而可获得大功率输出，并目结构更为紧凑，但波导阵列结构在提高激 光输出功率方面存在“相位锁定”问题，工作稳定性有待解决，实现的技术难度较大，所以 同前仍处在探索研究阶段。 1 1 4 同轴波导结构 8 i 华中理工大学博士学位论文 由于从同轴圆筒波导放电结构有效地提取功率和同时获得高质量光束的技术难度较大， 起初研究的人较少，且成果相对少一些。但在同样体积的情况下，同轴圆筒结构所具有的放 电面积是平板波导结构的几倍，能在较短的轴向放电长度上获得很大的增益体积，因而能输 出更大的功率，激光器的结构更紧凑、更小型化。在要从平板波导中进一步提高输出功率必 须增加横向尺寸从而使器件体积过大的情况下，同轴圆筒波导放电结构的这些优点正引起越 来越多的研究者的关注，有效地提取功率和同时获得高质量光束等关键技术上也正不断地取 得重大进展。 七十年代初，人们开始了环形增益介质中的谐振腔结构研究。g a r n s w o r t h y 和o s c h e 等 人分别于1 9 7 1 年和1 9 7 6 年，首次在高气压脉冲c 0 2 激光器中采用了稳定谐振腔。1 9 7 3 年，由 两个镜组成的谐振腔首次被用于染料激光和n d ：g l a s s 固体激光器“4 7 5 ；c a s p e r s o n 等人随后 将这种稳定谐振腔引入连续同轴c 0 。激光器”6 7 7 1 ( 图1 1 7 ) 。c r o c k e r 和w i l l s 于1 9 8 1 年在 相似的结构上采用平一平稳定腔得到了2 5 0 w 的连续c o 。激光输出”。这些环形稳腔所面临的 一个主要问题就是环形增益区中沿环向的不同区域存在彼此独立的激光振荡，因此所得到的 环形激光束的光束质量较差，没有环向模鉴别能九并且准