（物理电子学专业论文）脉冲预电离纵向放电扩散冷却co2激光器研究.pdf

摘要 伍年来，纵向放电的脉冲气体激光器重新受到了人们的重视，一种小型的 低功率的高重复频率 域，有重要的应用前 在激光探测、精细加工和光化学等许多应用领 究了脉冲预电离的扩散冷却c o ：激光器的运转 机理，提出采用脉冲预电离技术改善纵向脉冲放电的稳定性、降低工作电压和 提高电光转换效率。提出了两种新的预电离技术。( 第一种技术称为“纵向多段 脉冲预电离“技术。在玻璃放电管的外表面紧密套上若干圆环形电极，作为预 电离电极。第二种技术是“横向螺旋脉冲预电离“技术。在玻璃放电管的外表 面螺旋地粘上两条相对平行的金属箔，作为预电离电极。两种技术产生的效果 基本相同。和无预电离的脉冲放电相比，激光器的工作电压下降了大约2 0 ， 电光转换效率提高了大约3 0 。) ，7 可一一 采用螺旋结构横向脉冲预电离技术首次研究了非自持纵向放电c o ，激光 器，非自持激光器的主放电和输出功率由外加的预电离脉冲控制，激光器的可 控性非常好。闩 自持放电使激光器的激发和电离过程分开，有利于使二者分别 l 处于各自的最佳e p 值附近，放电的正阻抗特性使放电电路可以省去限流电阻， 极大地提高激光器的实际效率。获得的最大的电光转换效率达1 9 。广一7 一 本文还发展了一种采用p s p i c e 软件对脉冲预电离放电进行瞬态模拟的理论 分析方法，有利于激光器放电电路的优化设计。 最后，在前述理论和实验的基础上，提出了两种新型的脉冲预电离扩散冷 却板条c o ，激光器方案，进行了可行性研究。( 这对进一步发展紧凑的高功率高 、_ ，一 。_ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ 一 、 重复频率激光器有重要意义。p 关键词：脉冲预电莳扩散冷却板条激光矗7 电光转换效率：，多段纵向脉 冲预电离技术：螺旋横向脉冲预电离技术；非自持纵向放c o ：激光影 。一_ 二，_ - _ _ _ 一 瞬态模拟 a b s t r a c t y u y a n n i n g ( m a j o ri np h y s i c a le l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db yw a n c h o n g y i i nr e c e n t y e a r s ，t h el o n g i t u d i n a lp u l s e d d i s c h a r g eg a sl a s e r sw i t hd i f f u s i v e c o o l i n gh a v er e c e i v e dr e n e w e di n t e r e s t s ac o m p a c tl o wp o w e rp u l s e dl a s e rw i t h h i g hr e p e t i t i o nr a t eh a sp o t e n t i a li m p o r t a n c ei nl a s e re x p l o r a t i o n ，f i n em e c h a n i c a l p r o c e s s i n g ，p h o t o c h e m i s t r ya n ds oo n i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h eo p e r a t i o nm e c h a n i s m o f p u l s e d - p r e i o n i z a t i o nd i f f u s i v ec o o l i n gc 0 2l a s e ri ss t u d i e d p u l s e dp r e i o n i z a t i o n t e c h n o l o g y i s p u t f o r w a r dt o i m p r o v et h es t a b i l i t y o fd i s c h a r g e ，d e c r e a s et h e o p e r a t i n gv o l t a g e ，a n d e n h a n c et h e e l e c t r o o p t i c a le f f i c i e n c y t w o n o v e l p r e i o n i z a t i o n t e c h n o l o g i e s a r e p r e s e n t e d o n ei s “m u l t i s e g m e n t e dc o a x i a l p u l s e d p r e i o n i z a t i o n ”an u m b e r o fm e t a lc i r q u ee l e c t r o d e ss u r r o u n de q u i d i s t a n t l yo u t s i d e t h e g l a s sd i s c h a r g et u b e ，a c t i n g a s p r e i o n i z a t i o ne l e c t r o d e s a n o t h e ri s “h e l i c a l t r a n s v e r s e p u l s e dp r e i o n i z a t i o n ”t w oc o m p a r a t i v e l yp a r a l l e lc o p p e rf o i ls t r i p s s u r r o u n dh e l i c a l l yo u t s i d et h eg l a s sd i s c h a r g et u b e ，a c t i n ga sp r e i o n i z a t i o ne l e c t r o d e s t h et w o t e c h n o l o g i e sp r o d u c e s i m i l a rr e s u l t s b a s i c a l l y i n c o n t r a s tt o p u l s e d d i s c h a r g ew i t h o u tp r e i o n i z a t i o n ，t h ew o r k i n gv o l t a g eo f t h el a s e rf a l l sa b o u t2 0 a n d t h ee l e c t r o o p t i c a le f f i c i e n c yi si m p r o v e d a p p r o x i m a t e l y 3 0 n o n s e l f s u s t a i n e d l o n g i t u d i n a ld i s c h a r g ec 0 2 l a s e r e m p l o y i n g h e l i c a l t r a n s v e r s e p u l s e dp r e i o n i z a t i o nt e c h n o l o g yi si n v e s t i g a t e df o rt h ef i r s tt i m e t h e m a i nd i s c h a r g ea n do u t p u tp o w e ra r ew e l lc o n t r o l l e db yt h ep r e i o n i z a t i o np u l s e r i n n o n s e l f s u s t a i n e dd i s c h a r g et h ee x c i t a t i o na n di o n i z a t i o np r o c e s s e sc a nb ec o n t r o l l e d s e p a r a t e l y , w h i c hi su s e f u lt oo p t i m i z et h ee pv a l u eo ft h ed i s c h a r g e t h eb a l l a s t r e s i s t a n c ec a l lb el e a v e do u ta n dt h em a x i m a l e l e c t r o o p t i c a le f f i c i e n c yr e a c h e s19 t h i sp a p e ra l s op r e s e n t sat h e o r e t i c a l a n a l y z i n gm e t h o df o rt h ei n s t a n t a n e o u s s i m u l a t i o no f p u l s e d p r e i o n i z a t i o nd i s c h a r g eb yu s i n gp s p i c es o f t w a r e ，i ti sf a v o r a b l e t ot h eo p t i m a ld e s i g no ft h el a s e rd i s c h a r g ec i r c u i t f i n a l l y , b a s e d o nt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e sa b o v e ，w eb r i n g f o r w a r dt w on e ws c h e m e so fp u l s e d p r e i o n i z a t i o n s l a b c 0 2l a s e r w i t hd i f f u s i v e c o o l i n g t h i sh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eo n f u r t h e rd e v e l o p i n gc o m p a c t ，h i g hp o w e r , h i g hr e p e t i t i o nr a t ep u l s e dc 0 2 l a s e l k e yw o r d s ：p u l s ep r e i o n i z a t i o n ；d i f f u s i v e c o o l i n g s l a b l a s e r ；e l e c t r o o p t i c a l e f f i c i e n c y ；m u l t i s e g m e n t e d c o a x i a l p u l s e d p r e i o n i z a t i o nt e c h n o l o g y ；h e l i c a l t r a n s v e r s e p u l s e dp r e i o n i z a t i o n t e c h n o l o g y ；n o n s e l f s u s t a i n e dl o n g i t u d i n a lc o z l a s e r ；i n s t a n t a n e o u ss i m u l a t i o n 第一章引言 第一章引言 1 1 概述 近年来，纵向放电的脉冲气体激光器重新受到了人们的重视，例如，1 9 9 7 年英国国防研究中心d a o r c h a r d 等人研制了一种纵向放电脉冲氙激光器， 可以运行在重复频率为几百至几千赫兹，并在6 k h z 获得了2 5 0 r o w 的平均功 率；2 0 0 0 年日本激光工程研究所的m a e 1 o s e a l y 等人又研制了一种新型的纵 向放电气体激光器t 2 ，采用传统的电容放电电路，对氮气、二氧化碳、和x e c l 气体进行了实验，在纯氮中获得了o 7 m j 的单脉冲能量，在x e c l 气体中获得 了0 1 m j 的单脉冲能量。在激光探测、精细加工和光化学等许多应用领域中， 对激光器性能的要求主要不是大功率，而是光束质量、重复脉冲运转、脉冲的 可控性、激光波段的多样性( 有时需要中波红外或紫外) 及系统的小型化等等 m 】。和t e a ( 横向激励大气压) 激光器相比较，这类激光器一般工作于较低 的气压下，因此可采用扩散冷却以免除笨重的快速流动冷却装置，并且具有高 重复频率运转的巨大潜力，在上述领域有广泛的应用前景。 四十年来，气体激光器得到了深入的研究，许多激光器进入了工业生产， 工业应用反过来又促进了激光器的多样化发展。现在，气体激光器的泵浦方式 t 7 - 1 7 1 和冷却方式 18 - 2 1 1 存在多种形式。随着各种新技术的采用，激光器的发展进入 了一个全面发展的阶段。 早期的c o ：激光器是采用纵向放电扩散冷却方式。以后发展起来的t e ac o ： 激光器由于其工作在高气压下，激光器放电采用横向高电压脉冲泵浦，在重复 频率运转时需采用对流冷却。为了实现均匀放电，发展了种类繁多的预电离技 术 2 2 , 2 3 】。传统的直管式纵向放电扩散冷却脉冲c 0 ，激光器是不采用预电离技术 的。本文的研究目标是探讨将t e a 激光器中预电离的概念和技术用于传统的 直管式纵向放电扩散冷却脉冲激光器。在对t e a 激光器各种预电离技术研究 的基础上决定采用脉冲预电离方式，即在主脉冲放电之前在放电管的整个放电 脓冲预电离纵向放电扩散冷却c o ：激光器研究 区加上个短而强的预脉冲。提出了两种新的预电离结构，得出了一些优异的 实验结果，为研制一种新型的小型低功率、高重复频率脉冲c o ，激光器奠定了 基础。 在论文研究工作的过程中，由于受到已取得的科研结果的鼓舞，并考虑到 当代气体激光向大面积扩散冷却板条激光器方向发展的趋势。我们又进一步考 察了将直管式脉冲预电离纵向放电的技术推广到板条c o ，激光器的可行性。提 出了两种新型脉冲预电离板条c o ，激光器方案，期待为研制一种紧凑的大功 率、高重复频率激光器开拓出一条新途径。 1 2 “工业c o ，激光器”的四个发展阶段 c o ，激光器在工业加工方面有着广泛的应用。“工业c o ，激光器”主要是指 连续的或高重复频率脉冲调制( 准连续) 的激光器，在加工制造业的基本工艺 技术的各个方面，包括切割、打孔、焊接、标记、熔覆、表面处理、化学合成 等，都取得了巨大的成功。这类c o ，激光器也可用于医疗、军事、通信和科学 研究等领域中。 尽管c o ，激光器是目前转换效率最高的激光器之一，但仍有8 0 左右的电 功率以热量形式使气体温度升高。处于激光低能级的粒子数与玻尔兹曼分布相 对应，并随气体温度的升高按指数规律上升，因此当气体温度达到6 8 0 k 时粒 子数反转就完全消失了 2 4 2 ”。在封离型c o ，激光器中，正常工作时放电管内激 活介质温度一般都限定在4 0 0 5 0 0 k 范围内，激光器运行的基本要求就是对激 光介质进行有效冷却，以使其工作在允许的温度范围内。 工业激光器按其冷却方式划分经历了纵向放电扩散冷却、横向放电横向流 动冷却、快轴流冷却和大面积放电扩散冷却四个发展阶段。 第一代：纵向放电直管式扩散冷却激光器。包括慢流型和封离型两种，如 图1 1 和图1 2 所示。在c 0 ，激光器的发展史上，最早p a t e l f 2 6 1 的激光器就是纵 向放电扩散冷却气体激光器。慢流型激光器是指工作气体在放电管内缓慢流 动，以清除放电产生的杂质，气体的流动方向与光轴同向，外面是水冷套，放 电区产生的热量通过扩散传播到放电管的管壁，并由冷却水带走，如图1 1 所 ， 第一章目 - - 言 示。封离型激光器放电区内的气体不流动，完全静止，激光器的结构如图1 2 图所示。放电腔由玻璃管做成，放电电极位于放电管的两端，外面有水冷套和 储气套，这种三套层结构封离型气体激光器是中国科学院电子学研究所万重怡 等人研制成功的”。纵向放电扩散冷却气体激光器的气压和放电管直径的乘积 应保持为一个固定值，大约2 5 3 0 t o r r c m 2 5 2 7 1 ，输出功率的增加主要由放电管 的长度决定，其他因素的影响几乎可以忽略，为“长度放大“( l e n g t hs c a l i n g ) 图1 - 1 慢流型纵向放电扩散冷却激光器 日激光输出 l 进承 图1 - 2 封离型纵向放电扩散冷却激光器 - r _ t l l f 缱 型激光器，单位放电长度输出功率为5 0 7 5 w m 。传统的扩散冷却激光器功率 的提高只能靠增加放电管长度，为了获得大功率激光器，通常做成折叠式以减 少激光器的外形尺寸。尽管如此，由于激光器过长，加上放电管直径与长度之 比很小，使激光器谐振腔准直困难，而且在如此长的放电管中气体受热形成的 负透镜效应对激光器的光束质量是致命的，光束质量也因此而变坏，所以过长 脉冲预电离纵向放电扩散冷却c o ：激光器研究 的激光器实际上已无应用的价值。 为了获得更大的功率，这种类型激光器还可以做成折叠式或由多个放电管 并联组成。1 9 8 5 年，g i k o z l o v 等人研制了一种被称为多光束的c o ：激光器”， 大量平行的放电管放于同一个光学谐振腔内，如图1 3 。每一个放电管独立发 射激光光束，这样激光器的输出光束就包括大量小的平行光束。其工业模型达 一；莲 ：= 忙二二：- 、 二：灶二二：- 1 f f 蹦、j m 镜 半行激光管输出耦合镜 光束会聚 n f t j , 多兆糸 图1 3 、多管共腔结构激光器示意图 到2 k w ，实验装置达到1 0 k w t 2 ”。缺点是制作复杂，玻璃易碎，而且光束质 量差。这种激光器本质上是变相地把激光器的有效放电长度放大了很多倍，但 由于结构上的原因，这种激光器虽然输出功率增大了，但失去了纵向放电激光 器输出光束质量好的特点。 第二代：横流工业c o ，激光器，主要有管板式、针板式直流放电两种类型 3 0 - 3 5 1 。此外还有高频放电( 无声放电) 和电子束控制放电等形式 3 6 , 3 7 】。横流工 业c o ，激光器的结构如图1 4 所示，其运行特点是气体流动方向垂直于放电方 向和光轴方向。直流放电的横流激光器有时以辅助的预电离来产生和维持均匀 而稳定的放电，一般采用交流、无声放电和脉冲放电等预电离辅助放电。强制 对流冷却效率高，单位长度可获得的输出功率也有很大的提高，激光器的输出 功率从l k w 至万瓦量级。但由于放电区截面大，而且气体流动方向的增益分 布不均匀，所以光束质量较差。由于工业应用中需要的不仅仅是大功率，而且 要求高的光束质量，因而横流激光器在工业应用上适用的范围比较窄，现基本 已被快轴流激光器所取代。 第一章引言 图1 - 4 横流工业c o ：激光器 1 激光束；2 切向风机；3 气流方向：4 热交换器；5 后面镜( 具有功率检 测系统) ：6 折叠镜；7 电极；8 输出镜；9 输出窗 图1 5 快轴流工业c o ：激光器 1 激光束；2 输出镜；3 r f 激励放电；4 r f 激发源；5 地电位；6 折叠镜：7 进气口；8 出气口；9 后面镜 第三代：快轴流c 0 2 激光器p 8 。，包括直流放电、高频放电、射频放电和 微波放电。特点是气体流动方向与光轴方向一致，快轴流激光器和横流激光器 一样，气体的散热和冷却都是采用对流来实现的，它以非常高的速率将激光放 5 脉冲预电离纵向放电扩散冷却c o ，激光器研究 电区的热气流走，而以冷的气体取代，这种冷却方式使c o ，激光器的输出功率 随着气体流速扩大到几千瓦量级，甚至万瓦量级，如图1 5 所示。快轴流c o ! 激光器放电稳定性依赖于放电区的偶极扩散和气流中的涡流，设计时采用高流 速9 1 4 截面，增益分布易于产生对称横模，光束质量很好，输出功率很大，但 因其气体循环系统需采用高流速的罗茨风机，系统庞大而有噪音，不利于激光 器向小型化发展，而且造价很高。现代的激光器实际需求是小体积，高输出， 长寿命和功率的可控性的结合。对流冷却激光器不适合朝这个方向发展，因此 又出现了下面的第四代新型激光器。 第四代：面积放大型扩散冷却c o ，激光器。这一代激光器存在各种类型， 其中最成功的是采用射频激励的板条c 0 ，激光器【4 1 4 “，这种激光器商业上已有 输出功率从几十瓦至2 千瓦系列【5 1 1 ，有人大胆预言采用放射状多通道板条结构 可以做到1 m w t ”。 九十年代初，扩散冷却激光器随着面积放大概念的出现而有了突破性进展， 采用板状电极( s l a be l e c t r o d e s ) 构成矩形或方形截面的激光器件，如图1 6 上 图所示，下图的原理与上图相同，只是结构为同轴环形结构，这两种电极统称 为延展电极( e x t e n d e de l e c t r o d e ) 。激光输出功率可按下式计算 4 2 ： 只= 。仍l w d ( 1 ) 式中只为方形截面单位长度激活介质的输出功率，l 、w 和d 分别为延展放电 电极的长、宽和电极间距。厂为冷却系数，考虑到与传统气体激光器四壁扩散 冷却相比减少了两壁，通常取常系数，。o 5 。 从上式可以看出，此类激光器实际上等价于w d 个放电管的并联。输出功 率与w d 成正比。如果上式的两边同除以电极面积a = l * w ，可得到单位电 极面积的输出功率： d 只= 等= 奶d ( 2 ) 以 在电极间距定的情况下，激光器的输出功率与延展电极的面积成正比， 第一章引言 面积放大的概念也由此而来。上述分析表明结构简单可靠的千瓦级高功率输出 在扩散冷却延展电极激光器中实现是可能的。然而问题是在整个放电体积建立 均匀而稳定的放电比较困难。直流放电的负阻抗特性使放电不能均匀扩展到整 个电极面积，幸而射频放电在注入功率5 - l o w c c 范围内为f 阻抗特性，射频 技术在板条结构扩散冷却激光器中的运用使面积放大的概念成功地得以实现。 复曲 激光束 = 板条结构激光器示意图 水冷电极 八 b “”“ 、 卉一1 一i 一下 。 具有输出耦合 孔的平碰环形镜 同轴结构激光器示意图 图1 - 6 、延展电极激光器示意图 复曲面镜 近年来射频技术的发展已使在延展电极激光系统中产生均匀而稳定的放电成为 现实【5 “”。 但射频激光器也具有局限性，一是大功率射频电源体积大，价格高，而且 脉冲预电离纵向放电扩散冷却c o 二激光器研究 电源本身的效率低；二是必须对射频辐射采取有效的生物屏蔽，以避免对环境 和操作人员的伤害；三是难以产生较高的脉冲功率。因此虽然射频激光器目前 暂居优势地位，但仍然不断出现各种新的方案，以图替代射频激励技术。 1 3t e a 激光器中的各种预电离技术 放电的空间均匀性严格依赖于初始电子密度的均匀性和放电电场的横向梯 度。预电离的主要目的是在放电区产生均匀分布的预电离电子，使主放电不起 弧，从而得到均匀放电。采用预电离技术是在t e a 激光器中实现均匀体放电 的必要和有效手段，到目前为至，常用的预电离方式主要有以下几种： 紫外光预电离：火花预电离是紫外光预电离的一种常用的技术m 4 ”，采用 沿电极一侧或两侧的火花针阵列放电产生紫外光，紫外光照射放电间隙产生均 匀的光电离电子密度。这种预电离方式具有单开关运行及可忽略的时间不稳定 性等优点，但其火花针因通过的电流较大而容易被腐蚀。与电予束预电离的脉 冲t e ac o ，激光器相比，紫外光预电离的脉冲t e ac o ，激光器激励效率低， 但也能够输出几百焦耳1 6 2 , 6 3 1 的脉冲能量。 紫外光预电离还有半导体预电离、印刷电路板预电离 6 5 - 6 7 1 等形式。前者 是采用半导体材料作为一种分布式电阻，产生空间分布均匀的紫外光预电离。 后者则是一种分布式电容耦合预电离器。 电晕预电离：这种预电离方式采用一个包裹在绝缘介质中的额外金属预电 离电极 6 8 - 7 1 ，其与主放电电极之一的距离较近，电晕放电发生在预电离电极和 主放电电极的间隙，电晕等离子体不仅是电子源，也是紫外光源，可以进一步 产生电离电子。尽管这种电离方式中产生的电子密度也相对较低，但已能有效 预电离中、小功率二氧化碳激光器和准分子激光器。 电子束预电离：电子束预电离是对高气压激光器的放电区直接注入高能电 子，高能电子产生和维持放电所需的电离度f 7 2 - 7 4 j 。电子束预电离能有效地激励 大体积的激光工作介质，在高气压横向均匀放电泵浦方面有独特之处，而且电 子束源可以和激光器相分离，二者各自独立，可以独立的选择最佳的放电参数， 使泵浦效率提高。调整电子束能量、束流密度和脉宽，可以有效地控制不同气 8 第一章引言 压、不同成分的气体放电。但这种电子束预电离技术由于包括能产生高能电子 的电子枪和电子束进入激光介质的薄膜窗口，系统庞大而且复杂，实用性受到 了限制。 x 射线预电离：在x 射线预电离方式中必须有一个x 射线发生器，它属于 外部电离源预电离放电1 7 5 】。由于x 射线预电离放电均匀性非常好，不易起弧， 而且可以精确控制x 射线束的形状，因此这种预电离方式特别适合大体积，高 气压激光器，而且预电离效果特别好。x 射线预电离在实际应用中唯一的问题 是产生x 射线的最可靠方法，因为x 射线的辐射性难以控制。 脉冲预电离：在主放电之前加一预电离脉冲，预电离脉冲具有陡直的上升 沿，脉冲宽度很窄，电压幅值很高，相应的放电e p 值很高，可以产生足够的 电离电子使随后的主放电均匀，注入能量高m 8 0 j 。w i l l i a mh l o n g 等人”1 1 采用 这种技术在x e c l 准分子激光器中取得了很大的成功，他们在l ，2 1 激活体积中 产生了4 2 焦耳的输出能量，激光器效率为4 2 。他们声称找到了一种可以替 代电子束的可靠的、有效的、具有比例放大能力的技术。 1 4 本项目研究的意义 1 将t e a 激光器中预电离的概念和技术用于传统的直管型纵向放电扩散 冷却c o ：激光器，探索脉冲预电离纵向放电扩散冷却激光器的原理， 为研制一种新型的小型高重复率脉冲c 0 2 激光器奠定理论和技术基础。 2 为探索新型大功率板条气体激光器脉冲预电离板条气体激光器做理 论上和技术上的准备。 3 虽然在论文期间的研究工作仅限于c o ，激光器，但所探讨的技术也是 为了发展其他类型的气体激光器，特别是在2 至5 微米波段的f h f d 激光器、c o 激光器、x e 原子激光器和紫外波段的n ，分子激光器和准 分子激光器。在这些波段，小型的高重复频率脉冲气体激光器有其特殊 的重要应用。 第二章脉冲预电离扩散冷莉c o ，激光器基本理论 第二章脉冲预电离扩散冷却c o ：激光器基本理论 2 1 电离与激发过程的e p 值理论 c 0 2 - n 2 - h e 气体放电激光器的高效率反映了等离子体电子和c o ：、n ：的相 关振动能级非常有效的能量交换。分子气体的低气压放电表现为非麦克斯韦 能量分布，图2 1 为电子能量分布函数在不同的e n 值时随平均电子能量的分 图2 - i 、电子能量分布函数随平均电子能量的分布关系曲线 布关系曲线，由于麦克斯韦分布的电子能量分布函数为直线【3 4 】，所以图中分 布函数曲线明显地偏离了麦克斯韦分布。在同一e n 值下，低能电子多高能电 子少，在e n 值为2 5 1 0 。6 v c m 2 时，电子能量几乎都集中在0 - 6 e v ，低能电子 有利于气体的振动激发，所以般放电设计应尽量采用低b n 值，以使放电能 量主要注入到激光上能级，提高激光器效率。随着e n 值的增大，输出到电子 上的能量增大，从而使高能电子大量增加，因此高e n 值有利于气体的电离。 由电子分布函数的计算可知电子传送到不同非弹性过程的注入功率。把不 同的损失过程分为四类，画出注入到不同过程的功率百分比与e p 值的关系曲 1 1 脉冲预电离纵向放电扩散冷却c o ：激光器研究 线，可以对激光器的放电过程了解的更清楚一些。不同过程的注入功率百分比 又称为能量转移系数，即电子能量转移给各种能级的能量百分比，它们是电子 平均能量的函数，又是e p 值的函数，因为电子平均能量由放电的e p 值决定。 图2 2 对不同的气体混合比进行了总结1 1 ) ，得到了注入电功率在弹性碰撞、 图2 2 、不同能级消耗的功率百分比与e p 值的关系 激光上能级振动激发、电子态激发和电离四个过程之间分配比例变化曲线。横 坐标是e p 值和e n 值，纵坐标为注入到不同过程的功率百分比。曲线i 表示 总注入功率中损失在c o ：、n ：和h e 分子之间弹性碰撞过程的功率百分比随e p 值的变化曲线，其中还包括损失到氮的转动激发态和c o ：的所有弯曲和拉伸模 的功率百分比。曲线i i 代表注入到c o ：( 0 0 1 ) 能级和氮的振动激发态的功率 百分比随e p 值的变化曲线。因为c o ：的( 0 0 1 ) 能级为激光的上能级，而氮 的振动激发态与c o ，的( 0 0 1 ) 能级是紧耦合的，能级相近，相差仅1 8 c m ， 所以曲线i i 实际上是表示了激光器的激发效率。这里假定能量提取速率很低， 以保证n ，的能量转移快和c o ，的0 0 1 能级的碰撞驰豫很小。 第二章脉冲预电离扩散冷却c o ：激光器基本理论 曲线l i i 表示电子态激发过程功率百分比随e p 值的变化曲线。曲线i v 代表 损失到c o ，、n ，和h e 混合气的电离过程和h e 的3 个电子激发过程的功率百 分比曲线。 从图2 2 可以看出，激光放电的各种动力学过程与放电的e p 值有直接的 关系。其中曲线i i 在随着e p 值变化的过程中存在最大值，这一现象对激光器 行为具有重要的意义，因为曲线i i 代表的是激光器的激发效率，即注入到激光 器上能级的功率百分比，大约在e , r n 值为2 - 4 1 0 1 6 v c m 2 处，6 5 的电子能量直 接进入c 0 ：上能级，并且所有的能量都进入n ：或c o ：的振动激发过程。c o ： 分子( 0 0 1 ) 能级电子激发的非常大的低能横截面是因为激发激光上能级主要 在平均电子能量为0 5 e v 处。另一方面，在e n 值大约为1 0 。5 v c m 2 时，大于 8 0 的电子能量进入n 2 和c o ：的电子态激发，电子态的激发积累可以使气体 电离，产生自由电子，利于放电击穿，电离的最佳e p 值更高。所以e n 值在 1 0 1 6 1 0 。1 5 v c m 2 之间是c o ，：n 2 ：h e = 1 ：1 ：4 激光混合气的跃迁范围。在这个 过程中主要的电子能量转移从振动激发过度到电子态激发。电子态激发对维持 放电电离具有重要作用，其通过逐级的方式使c o ，分子从基电子态逐步到高能 电子态，直至电离。所以对c o ，- n ，- h e 气体放电激光器可以把电子能量转移过 程分为振动激发过程和电子态激发过程( 电离过程) ，在放电过程中分别使其 工作在相应的最佳e n 值范围内，从而使激光器运行在最佳的工作条件下，获 得最大的输出功率和电光转换效率。 2 2 气体放电的击穿理论 当脉冲电压加于激光器的相应电极时，如电压大于气体的击穿电压v 。， 气体开始导通，阻抗急剧下降，而当电压小于气体的击穿电压v 。，气体具有 绝缘体的特性，阻抗趋近予无穷大。在不同的气压范围内，气体的击穿情况是 不同的。一般将剐2 0 0 0 0 p a c m 的范围称为低气压区，d 为电极间距；反之， 称为高气压区。气体由绝缘体变为导体，同时放电由非自持放电变为自持放电 的过程，就是气体的击穿或着火，所需的电压为击穿电压或着火电压。有两种 类型的击穿，一是流光击穿，它主要发生在高气压区；另一是汤生击穿，主 l3 脉冲预电离纵向放电扩散冷却c o ：激光器研究 要发生在低气压区。 ( 1 ) 气压下的汤生击穿理论 汤生击穿必须满足条件 ，e x p ( c r d ) i ( i ) 其中，是阴极表面的t o w n s e n d 二次离化系数，其定义为阳极释放的自由电子 数除以阳极的离子碰撞数。，值取决于气体成分和电极材料，数量级为1 0 。 口为汤生第一离化系数。( 1 ) 式称为汤生击穿条件，其物理意义是e x p ( 蒯) 个 电子引起的二次电子的发射系数等于l ，放电成为自持放电。 汤生离化系数是场强e p 的函数，从而( 1 ) 式可表示为m = f ( p d ) ( 2 ) 即击穿电压是气压和电极间距的函数。对于脉冲放电，击穿电压与电压作用时 间有关，电压脉冲越窄，击穿电压越高，而且脉冲放电击穿电压一般高于连续 放电的击穿电压。脉冲放电的击穿电压u ：与连续放电击穿电压u z 的关系为： u ：= 刃： ( 3 ) 其中，万为脉冲系数，与脉冲持续时间及其前沿陡度有关。与连续放电相比， 脉冲放电可以在十分短的时间内输入高功率，从而大大提高激光器输出的峰值 功率。 一般情况下，带电粒子的产生主要是碰撞电离起作用，而带电粒子的消失 主要是复合和吸附过程。当放电满足： 0 2 4 ( o r _ e ) 2 r ( 5 ) 第二章脉冲预电离扩散冷却c o ：激光器基本理论 这时，带电粒子的消失主要发生在管壁。由于偶极扩散效应，带电粒子向管壁 扩散，并在管壁复合。 ( 2 ) 高气压下的流光击穿理论 在p d 2 0 0 0 0 p a c m 的情况下，汤生击穿理论已不再适用，这时一般采用 流光击穿理论来解释。在高气压放电中，在电子以极快的速度到达阳极的时间 间隔中，离子运动较慢，几乎仍停留在原来的位置上，形成浓度较高的空间电 荷，其空间分布呈圆锥体。空间电荷本身会产生电场，当外加电场与空间电荷 电场大小接近时，在锥形主电子崩头部前后出现了由气体光电离形成的二次雪 崩，二次雪崩向第一次雪崩汇聚，使空间电荷急剧倍增，这种雪崩过程从阳极 开始，一直扩展到阴极，速度十分快，好像从阳极到阴极有一个正离子流，当 这个流达到阴极时，就发生击穿，此时，两个电极之间形成了一个丝状通道， 放电变成自持状态。在有预电离的情况下，放电区在主放电之前有一定数量的 均匀分布的初始电子，在电场的作用下，将产生许多初始雪崩，电场强度的横 向分布就会均匀，从而阻止二次雪崩向第一次雪崩靠拢，使放电区形成均匀的 辉光放电吼 2 3 脉冲预电离放电等离子体动力学过程 预电离的方式很多，脉冲预电离是其中的主要方式之一。脉冲预电离是在 主放电之前加一个很窄的高压脉冲，脉冲作用时间很短，短于放电不稳定时间 1 0 - 1 2 1 ，同时这个高压脉冲在放电间隙的e p 值最好处于上面所述的利于电离的 最佳值附近，大于5 0 v c m t o r r ，在这个范围内电离的横截面积是相当大的，”j ， 可以保证均匀放电所需的充足的电离电子。 下面考虑在定重复频率脉冲预电离作用下气体中电子密度的变化规律。 假设空间分布均匀的初始电离数为n 。，首先具有快速上升沿的电场作用于放 电间隙，所加电场的e p 值远远超过了汤生雪崩放电的闽值，在高的e p 值作 用下，气体电离截面非常大。速率方程为【1 4 1 ： a ” 睾= 所屹砌。一坼h ； ( 6 ) 脉冲预电离纵向放电扩散冷却c o ：激光器研究 p 为放电气体的压强( 以t o r t 为单位) ，口为有效复合系数，口，是简约汤生系 数，v d 是电子漂移速度( 在纯h e 中，当e p 1 5 v c m t o r r 时= 1 0 7 c m s e c 0 ，= o 9 离子对s ) 。 解方程( 6 ) ，得到时间f t 。后电子离子数密度”咖) ： ，2 而f 两晤瓦n o p z 而r v e 而习话硒 7 ) t 。为第一个电压脉冲的起始时刻，以下依次类推。电子密度的衰减根据公式 1l = + 仉。t n en c o ( 8 ) n 。为电离脉冲产生的电子密度，则经过一段延迟时间乃，电子密度下降为 h 。( d ) = i n 。( n ) + q ( f t d ，) - l ( 9 ) 其中t 。为电压脉冲结束的时刻，同时也是延迟开始的时刻。这时再加上第二个 雪崩脉冲，电子密度n 。( ，：) 上升为： 垫! ! 丝丝 ( 1 0 ) t g r n 。( 4 ) 一( 口，n 。( d 。) 一a r v d p ) e x p 一c t ，v a p ( t t n ) 】 由上述公式可以得到在一定的脉冲重复频率和气体混合比情况下的电子密度变 化曲线，如图2 - 3 所示。从图中可以看出除了前几个脉冲以外，在一定的脉冲 重复频率下，电子数密度一在某一平均值附近波动，并基本保持稳定。稳定的 电离电子密度对主放电起稳定作用，放电不易起弧，可以形成稳定的脉冲或连 续输出。 电子密度的准稳态值由下式给出： ( ) = 硝7 毒3 考l n ( ，+ 字) ， 第二章脉冲预电离扩散冷却c o ：激光器基本理论 t | m e ( x l o - 3s e c ) 图2 - 3 、电子密度的变化曲线图 n 。为初始电离脉冲产生的电子密度，厂为电离脉冲的重复频率。从上式可以 看出，如果已知 ，可以适当地选择厂以使n 。的波动范围小于平均值的一定 的分数，例如1 0 。 通过对等离子体衰减的研究我们可以估计放电间隙单位体积的功率密度： ( 脚毡v 肛警h ( 1 + 芋) ， 非自持放电对分子振动自由度的激发在e p 值= 5 1 0 v c m - i , t o r r l 范围比在e p 值= 4 0 4 5 v c m - i t o n 1 范围具有大得多的效率”1 ，因此放电的总体效率可以通过 减少预电离脉冲消耗的功率来提高，这同时也提高了脉冲放电收缩起弧前的稳 定性。 2 4 扩散冷却基本理论 典型的传统c o ：激光器的激活介质是采用扩散冷却的，扩散冷却激光器通 常包括水冷套和放电管，两个放电电极用以维持自持放电，谐振腔位于放电管 的两端，一个全反镜和一个输出耦合镜 18 , 1 9 l 。在长时间运行过程中为了稳定激 光输出特性，气体混合物或缓慢流逮放电区域或在封离型激光器中放置催化 脉冲预电离纵向放电扩散冷却c o ：激光器研究 剂，以使放电过程产生的c o 还原成c 0 2 。一般扩散冷却激光器采用c o ：n ： h e = l ：1 ：3 或1 ：1 ：6 ( 或类似的比例) 的气体混合物，总气压约为l o 一2 0 t 0 r r 。 扩散冷却激光器主要的放电特性由激活介质的冷却效率和放电的稳定性决 定 2 0 - 2 5 】。下面分别考虑由冷却效率决定的注入功率上限p 。和由放电稳定性决定 的注入功率上限p 。 激活介质冷却效率的好坏表现为激光气体温度的变化，最佳值为 a t = 2 0 0 2 5 0 0 c 。气体混合物的冷却速率限制了最大的单位体积的平均注入 功率p i n 这可以从放电热平衡稳定方程来估计： 己( 1 一功p c ，t 。= 只 ( 1 3 ) 历口c 。分别是激光工作气体的密度和比热，_ j 7 是电光转换效率，t 。是气体冷却 时间。 放电的不稳定性通常表现为放电收缩，也就是通常所说的起弧，起弧一般 是由电离的热不稳定过程引起的。 为了避免放电的不稳定性，注入的功率应满足不等式： 己i a 尸c 。丁t ；= 只 ( 1 4 ) 式中t 。是电子密度中任意涨落的特征衰减时间。a 为一率系数，主要由电离率 常数与参数e n 的关系曲线的斜率决定。为了得到有效而且可靠的激光运行， 注入功率密度应小于由冷却和放电稳定过程决定的上述两个极限值。 在扩散冷却c o ，激光器中，热量主要由氦传导到外面，对一个管径d 的圆 柱形放电管，t 为： t ，= d2 2 4 d h = d2 8 五 ( 1 5 ) 其中d ，以，分别是扩散系数、平均自由程和氦的平均热速度。 放电不稳定性的特征衰减时间t 。由带电粒子偶极扩散过程决定， t ；：d 2 2 4 d 。( 1 6 ) d 。是电子离子的偶极扩散系数。d 。大约是d 。的5 0 倍m 1 ，因此t s z t 。5 0 ，由方 程( 1 3 ) ( 1 4 ) 可知只。e 5 0 。因此在扩散冷却激光器中限制单位体积最大平 lr 第二章脉冲预电离扩散冷却c o ：激光器基本理论 均注入功率的主要过程是气体的冷却过程，而不是放电不稳定性。 激光器的输出功率p o = 1 只，- v ，其中v 是放电体积。 y = 硝2 l 4( 1 7 ) l 是放电长度。把方程( 1 5 ) 中的t 。代入p 。可得； e o = 2 z ( r 1 一功p c p 乙，五l ( 1 8 ) 平均自由程以反比于气体密度尸或气压。方程( 1 8 ) 说明扩散冷却激光器中激 光功率直接正比于放电长度，而与管径和气压无关。把不同参数的典型值代入 上式右侧，比如r = o 1 0 2 ，乙，= 2 0 0 k ，l = 5 1 0 e m ，v m = 1 0 5 c m s ， p = 0 0 1 5 + 1 0 一g e e ，c 。- 2 8 j g 。c ，可以得到单位长度激活介质能够输出的最大功 率为，p o l = 5 0 7 5 w m 。 因此传统的扩散冷却c o ：激光器的功率只能随着有效放电长度的增加而按 比例增加。但这种长度放大( 1 e n g t hs c a l i n g ) 也不是无限的，扩散冷却激光器 的最