固体激光器的光泵浦系统

1、光电子技术光电子技术September 20042 3.1 惰性气体放电灯惰性气体放电灯 3.2 激光二极管激光二极管 3.3 聚光腔聚光腔 3.4 二极管激光泵浦耦合技术二极管激光泵浦耦合技术September 20043 3.1.1 惰性气体灯的结构与分类惰性气体灯的结构与分类 3.1.2 惰性气体灯的放电过程惰性气体灯的放电过程 3.1.3 惰性气体灯的输出特性及效率惰性气体灯的输出特性及效率 3.1.4 惰性气体灯的技术参数及寿命惰性气体灯的技术参数及寿命 3.1.5 惰性气体灯的触发和预燃惰性气体灯的触发和预燃 3.1.6 氙灯的充放电系统氙灯的充放电系统September 2004

2、4（1）分类）分类脉冲灯、连续灯脉冲氙灯：工作与较高电流密度下，以连续光谱为主。连续氪灯：电流密度较低，以线状光谱为主。直管式、螺旋式September 20045管壁管壁电极电极接头接头气体气体September 20046 管壁管壁石英管优点： 耐高温 耐冲击 耐强电流：电流密度104A/cm2 高透过率：白光的吸收系数0.002 缺点：紫外光的高透过率，破坏工作物质，出现色心。 通过在石英中掺铈（Ce），铕（Eu）转换紫外光 为可见光。 September 20047 电极电极 材料钨高熔点（3640），逸出功4.54eV钍钨（钨中掺入0.52%的氧化钍ThO2）逸出功2.7eV 形状头

3、部尖锐有利于放电，单电流大时易损坏，用于连续灯。平圆头用于脉冲灯。 密封接头密封接头 过渡玻璃石英的线膨胀系数51071钍钨的线膨胀系数461071 焊封September 20048 连续弧光灯连续弧光灯灯管内惰性气体可以工作在比较灯管内惰性气体可以工作在比较稳定的弧光放电状态稳定的弧光放电状态 脉冲灯脉冲灯灯管内气体工作在一个随时间急剧变灯管内气体工作在一个随时间急剧变化的放电过程中，发光犹如闪电，又称闪光灯。化的放电过程中，发光犹如闪电，又称闪光灯。 脉冲灯的伏安特性曲线脉冲灯的伏安特性曲线September 20049September 200410触发段触发段负阻段负阻段类稳放电段类

4、稳放电段消电离段消电离段September 200411 等离子体电阻系数等离子体电阻系数K 电阻率电阻率 等效电阻等效电阻12( ) jKj1112220224llK lRKjiK iSdd灯阻系数121.3K September 200412September 200413September 200414一、惰性气体灯的输出光谱一、惰性气体灯的输出光谱二、影响气体灯输出的主要因素二、影响气体灯输出的主要因素 1. 充气种类 2. 充气气压 3. 灯电流密度 4. 灯管内径 5. 放电宽度三、氙灯辐射光谱的拟合三、氙灯辐射光谱的拟合September 200415 气体灯的光辐射由强烈加宽的

5、线状光谱和连续谱气体灯的光辐射由强烈加宽的线状光谱和连续谱叠加而成。叠加而成。 线状光谱对应于受激原子或离子从激发态向基态线状光谱对应于受激原子或离子从激发态向基态的辐射跃迁。高温下的碰撞，使特征谱线强烈加的辐射跃迁。高温下的碰撞，使特征谱线强烈加宽。宽。 连续谱对应于自由电子和正离子的空间复合及电连续谱对应于自由电子和正离子的空间复合及电子、离子碰撞而产生的韧致辐射。子、离子碰撞而产生的韧致辐射。September 200416 1. 充气种类的影响充气种类的影响原子量大每次碰撞的平均能量转移多。原子电离电位低，电离度大。相同气压和放电条件下，连续谱的成分和总辐射量高例如：Xe的原子序数54

6、，Kr的原子序数36氙灯的连续谱和总能量高于氪灯。对于Vc1200V，C250uF，P600mmhg，d5mm，l70mm。氙灯与氪灯效率之比为：100/55。September 200417 充气压增高，效率提高充气压增高，效率提高 高充气压不易触发高充气压不易触发 高充气压灯，在触发时对灯管的冲击大。高充气压灯，在触发时对灯管的冲击大。September 200418 灯电流密度灯电流密度增高增高线状谱和连续谱都增加。连续谱增长比线状谱快短波部分增长比长波快September 200419September 200420September 200421 最佳管径（最大电光转换率）总是对应几

7、乎最佳管径（最大电光转换率）总是对应几乎恒定的峰值电流密度恒定的峰值电流密度2500A/cm2。直径大，电弧无法充满管径，热中心气体密度低。直径大，放电充满横截面时间长，对于短脉冲泵浦，未完全电离，输入功率已经下降，造成效率低。直径小，管壁损失，效率降低。September 200422 脉冲宽度过短，大部分能量用于电离，效率低。脉冲宽度过短，大部分能量用于电离，效率低。 脉冲时间过长，电流密度下降，效率降低。脉冲时间过长，电流密度下降，效率降低。 最佳脉宽选择原则最佳脉宽选择原则脉宽短，可以减少自发辐射的影响，一般脉宽小于激光介质的荧光寿命。脉宽过长，电流密度下降，发光效率低，自发辐射严重。

8、能量越大，脉宽越长，保证接近最佳电流密度。September 200423( )()( , )( )( , )1( , )BB lBBI T IT I T eIT 基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：, ,2521( , )1BBhc kThcIT e待求待求September 2004240.180.0920.0179300Tjdp电流密度电流密度（KAcm2）氙灯氙灯直径直径（cm）绝对温度绝对温度充气压强充气压强（千分之一大气（千分之一大气压压1.33E2Pa）September 200425( )( )( )( , , )cl M j d p2( , , )exp(1.57ln0.071ln0

9、.19ln0.46ln )M j d pjjdp宽带连续谱宽带连续谱分立谱分立谱September 20042622121212exp () exp () c2.37E-2cm-11.5E-3cm-10.330um0.700um0.140um0.300um2001( ,)lnnnn g 见见P62September 200427( , )( , ) ( ), BBI T IT F d9131,5.0( )11( ) ,5.0nnnnnna xxF xcxx见见P62对角度平均的辐对角度平均的辐射函数射函数Trenholme-Emmett 扩展多项式扩展多项式September 200428d=

10、15mmp=4.05E4PaPin=20.1KWcm-29200KSeptember 20042920.958exp(1.11ln0.094ln0.60ln0.080ln)irPjjdpoutuvvisirPPPP2.071.310.20.174uvPjdp0( , )visPI T SdSeptember 200430 着火电压着火电压 自闪电压自闪电压 触发电压触发电压 极限负载能力极限负载能力 工作寿命工作寿命September 200431September 200432 充气电压充气电压 电极形状和材料电极形状和材料 形状电极尖，电压低。 材料电极材料电荷发射性好，电压低。 气体纯度

11、气体纯度 少量杂质气体可使电压显著增加。 电极和管壁溅射，降低气体纯度。 触发强度触发强度 触发电压，触发频率，触发方式（内，外）0VVklp火火极间距充气压September 200433 灯的失效灯的失效破坏性爆炸，破损非破坏性输出能量，平均功率逐步减小 失效原因失效原因高温作用内壁熔化，蒸发，重新凝聚在管壁上，形成白色沉淀。电极溅射，在管壁形成黑色沉淀接头裂缝，漏气冲击波等离子体的雪崩扩张，产生冲击波，冲击波强度正比于输入功率，且随灯压增高而增大，当冲击波超出管壁极限时引起灯管爆炸。September 20043441.2 10expEld t8.5()exinEE寿命寿命单位单位s单位

12、单位cmSeptember 200435 液冷下石英管散热功率液冷下石英管散热功率最大300400Wcm2保守值使用值50100Wcm2September 200436内径内径d极间距极间距l l灯阻系数灯阻系数K0最大平最大平均功率均功率最大最大峰值峰值电流电流工作电压工作电压最小触发电最小触发电压压7mm150mm 28.5A1/26597W1400A 9003150V18KV,1.2us某厂家脉冲氙灯参数如下：某厂家脉冲氙灯参数如下：试计算，当闪光时间试计算，当闪光时间tp1.6ms，输入能量，输入能量Ein1KJ时，灯寿时，灯寿命和最高重复频率？命和最高重复频率？September 2

13、00437内触发内触发September 200438September 200439September 200440September 200441September 200442September 200443 一、充电电路一、充电电路电阻限流谐振充电开关电源 二、放电电路二、放电电路纯电容放电单网孔脉冲成形网络仿真线脉冲成形网络斩波电路September 20044400(1),tctVVeRCVieR220012RWi RdtCVSeptember 20044500tdiLRiidtVdt220d idiiLRdtdtC210LRC2221 202124RRLLLC ，特征根:特征根:

14、01LC2RL1212( ) t ti tC eC e通解：通解：September 2004460(1)2LRC0(2)2LRC0(3)2LRC过阻尼过阻尼临界阻尼临界阻尼衰减振荡衰减振荡September 200447电容电压电容电压充电电流充电电流衰减振荡衰减振荡临界临界过阻尼过阻尼衰减振荡衰减振荡临界临界过阻尼过阻尼September 20044802201,2,ddCj L L当R 2当R 50usSeptember 200457 峰值电流：峰值电流： 纯电容放电的特点：纯电容放电的特点：放电电流和功率上升快，峰值高，对灯冲击大放电脉冲窄，放电时间正比于电容衰减曲线尾部时间长，光能利

15、用率低2200(0),(0)CCmeqCVKVii tRKiV忽略放电上升时间忽略放电上升时间September 20045812001tCdiLK iiidtVdtC归一化归一化归一化方程归一化方程0000NCCLzTLCCizKtITVV z1201NNNdIII dd120RK iSeptember 20045920( )NCP tPVzSeptember 200460一般给定输入能量，闪光时间，灯参数，取=0.8 求：L，C，Vc1423402()inE TCK212inCECVTLC02.2TT闪光时间闪光时间September 200461给定：输入能量给定：输入能量Ein=100

16、j，闪光时间，闪光时间T0=100us，=0.8，氙灯，氙灯560mm2，K=1.3A1/2求：充电电压求：充电电压Vc，电感，电感L，电容，电容C。解：解：C=140uF Vc=1200V L=15uh对于对于Vc=1600V， 0.7，可以接受，可以接受September 200462September 2004630iiLzC1143200()LiinRK iK T E320iniPK iEPT灯阻灯阻特征阻抗特征阻抗September 2004640()2iLiiTzR Cn LC匹配条件下：匹配条件下：02.12iiiiiTn LCTn LC实验结论：实验结论：212inicEnCV

17、输入能量与电压关系：输入能量与电压关系：September 200465给定输入能量，闪光时间，氙灯参数，仿真线节数n，求：Li，Ci和Vc140300120()224()iLiniLiLinLCK TRELR TnTCnRE RVTSeptember 200466多层缠法多层缠法单层缠法单层缠法220.083910D NLDbc220.010.44D NLlDD，b，c：厘米：厘米N：匝数，：匝数，L：uhSeptember 200467September 200468September 200469一脉冲氙灯一脉冲氙灯7.580mm2，峰值放电电流，峰值放电电流2000A，等离子，等离子体

18、电阻系数体电阻系数K1.13A1/2。求：氙灯的等效电阻求：氙灯的等效电阻Req和灯阻系数和灯阻系数K0？电容，电感氙灯放电电路中，氙灯电容，电感氙灯放电电路中，氙灯880mm2， K1.13A1/2，闪光时间，闪光时间T00.23ms，电容储能，电容储能Ein=144j，阻尼系数，阻尼系数=0.8求：电感求：电感L，电容，电容C和充电电压和充电电压Vc？September 200470 一、概述一、概述 二、基本结构二、基本结构 三、二极管线阵和阵列条三、二极管线阵和阵列条 四、二维面阵四、二维面阵 五、光谱特性五、光谱特性September 200471 光谱窄，与工作物质吸收带匹配可提高

19、效率，减轻热效应光谱窄，与工作物质吸收带匹配可提高效率，减轻热效应 结构紧凑结构紧凑 寿命长，连续寿命长，连续10E4h，脉冲，脉冲10E9次次 波长波长 630680nm AlGaInP 770990nm GaAlAs 9001000nm InGaAs 模块化模块化 价格高价格高September 200472September 200473September 200474September 200475September 200476September 200477September 200478September 200479September 200480September 20048

20、1 一、泵浦方式一、泵浦方式1、端面泵浦2、侧面泵浦3、基于内反射的泵浦构型 二、耦合光学系统二、耦合光学系统September 200482September 200483September 200484September 200485September 200486September 200487September 200488September 200489September 200490 一、聚光腔类型一、聚光腔类型 二、聚光腔材料选择二、聚光腔材料选择 三、聚光腔反射表面选择三、聚光腔反射表面选择 四、聚光效率四、聚光效率 五、泵浦光在激光棒内分布五、泵浦光在激光棒内分布Septem

21、ber 200491 保证泵浦光最大限度地为工作物质吸收保证泵浦光最大限度地为工作物质吸收 冷却液通道冷却液通道 灯棒等的固定场所灯棒等的固定场所September 200492September 200493September 200494September 200495September 200496September 200497 金属金属铝轻型系统铜热膨胀系数小，导热率高不锈钢不生锈，光洁度高，热导率低 玻璃玻璃易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀 陶瓷陶瓷易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀September 200498 金属金属 多层介质膜多层介质膜 陶瓷陶瓷 漫反射粉末漫反射粉末Septe

22、mber 200499September 2004100 单椭圆柱腔的聚光效率单椭圆柱腔的聚光效率copge(1)(1)(1)opwrcrrf聚光效率：聚光效率：光学效率光学效率几何传几何传输效率输效率光谱带上光谱带上的反射率的反射率棒和冷却管棒和冷却管上的反射率上的反射率非反射面非反射面积比例积比例滤光玻璃，冷滤光玻璃，冷却液的吸收却液的吸收September 2004101 几点假设几点假设1. 灯在圆截面上对称均匀发光2. 不考虑轴向倾斜光线3. 只考虑一次反射光线，焦点上泵浦4. 不考虑直接照射，遮挡，忽略反射损耗5. 灯作为黑体对待September 2004102RrRlLrLl2a2b2cSeptember 2004103LrLr()RLLLlrrlRlLlSeptember 2004104P0LRrr00September 2004105LRrr1p P200September 2004106LRrr1RRLpLLRrr lrr lP10September 200410700020001(2 )11gepppRLLRE dE d dr ldr l待求待求Sep