第三章-固体激光器的光泵浦系统.ppt

1、光电子技术(2)(激光器件),3 固体激光器的光泵浦系统,光电子技术精品课程,2,3 固体激光器的光泵浦系统,3.1 惰性气体放电灯 3.2 激光二极管 3.3 聚光腔 3.4 二极管激光泵浦耦合技术,光电子技术精品课程,3,3.1 惰性气体灯,3.1.1 惰性气体灯的结构与分类 3.1.2 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 3.1.4 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 3.1.6 氙灯的充放电系统,光电子技术精品课程,4,3.1.1 惰性气体灯的结构与分类,（1）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。

2、连续氪灯：电流密度较低，以线状光谱为主。 直管式、螺旋式,光电子技术精品课程,5,（2）结构,管壁 电极 接头 气体,光电子技术精品课程,6,（2）结构,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。,光电子技术精品课程,7,（2）结构,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。

3、 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,光电子技术精品课程,8,3.1.2惰性气体灯的放电过程,连续弧光灯灯管内惰性气体可以工作在比较稳定的弧光放电状态 脉冲灯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。 脉冲灯的伏安特性曲线,光电子技术精品课程,9,脉冲灯的伏安特性曲线,光电子技术精品课程,10,脉冲灯的伏安特性曲线,触发段 负阻段 类稳放电段 消电离段,光电子技术精品课程,11,闪光灯的等效电阻,等离子体电阻系数K 电阻率 等效电阻,灯阻系数,光电子技术精品课程,12,连续灯的伏安特性曲线,光电子技术精品课程,13

4、,脉冲灯的光输出波形,光电子技术精品课程,14,3.1.3 惰性气体灯的输出特性及效率,一、惰性气体灯的输出光谱 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,光电子技术精品课程,15,一、惰性气体灯的输出光谱,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。 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，使特征谱线强烈加宽。 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。,光电子技术精品课程,16,二、影响气体灯输出的主要因素,1. 充气种类的影响 原

5、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，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。,光电子技术精品课程,17,2. 充气气压影响,充气压增高，效率提高 高充气压不易触发 高充气压灯，在触发时对灯管的冲击大。,光电子技术精品课程,18,3. 灯电流密度影响,灯电流密度增高 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,光电子技术精品课程,19,最佳电流密度

6、,光电子技术精品课程,20,氙灯与氪灯的选择,光电子技术精品课程,21,4. 灯管内径,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。,光电子技术精品课程,22,5. 放电脉宽的影响,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。 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。

7、能量越大，脉宽越长，保证接近最佳电流密度。,光电子技术精品课程,23,三、氙灯辐射光谱的拟合,待求,光电子技术精品课程,24,温度的经验公式,电流密度（KAcm2）,氙灯 直径 （cm）,绝对温度,充气压强 （千分之一大气压 1.33E2Pa）,光电子技术精品课程,25,吸收（发射）系数,宽带连续谱,分立谱,光电子技术精品课程,26,连续谱和分立谱的吸收（发射）系数,见P62,光电子技术精品课程,27,氙灯辐射谱强度,见P62,对角度平均的辐射函数,Trenholme-Emmett 扩展多项式,光电子技术精品课程,28,氙灯辐射谱的拟合曲线,d=15mm p=4.05E4Pa Pin=20.1

8、KWcm-2,9200K,光电子技术精品课程,29,辐射功率,光电子技术精品课程,30,3.1.4惰性气体灯的技术参数及寿命,着火电压 自闪电压 触发电压 极限负载能力 工作寿命,光电子技术精品课程,31,着火电压和自闪电压,光电子技术精品课程,32,影响着火电压和自闪电压的因素,充气电压 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 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 触发电压，触发频率，触发方式（内，外）,极间距,充气压,光电子技术精品课程,33,氙灯的寿命,灯的失效 破坏性爆炸，破损 非破坏性输出能量，平均功率逐

9、步减小 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。,光电子技术精品课程,34,氙灯的爆炸能量与寿命,单位s,单位cm,光电子技术精品课程,35,氙灯的散热功率,液冷下石英管散热功率 最大300400Wcm2 保守值使用值50100Wcm2,光电子技术精品课程,36,习题1,某厂家脉冲氙灯参数如下：,试计算，当闪光时间tp1.6ms，输入能量Ein1KJ时，灯寿命和最高重复频率？,光电子技术精品课程,3

10、7,3.1.5 惰性气体灯的触发和预燃,内触发,光电子技术精品课程,38,内触发,光电子技术精品课程,39,外触发,光电子技术精品课程,40,预燃电路,光电子技术精品课程,41,预燃电路,光电子技术精品课程,42,类预燃电路,光电子技术精品课程,43,3.1.6 氙灯的充放电系统,一、充电电路 电阻限流 谐振充电 开关电源 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,光电子技术精品课程,44,一、充电电路电阻限流,光电子技术精品课程,45,谐振充电,光电子技术精品课程,46,谐振充电,过阻尼,临界阻尼,衰减振荡,光电子技术精品课程,47,谐振充电,衰减振荡,临界

11、,过阻尼,电容电压,衰减振荡,临界,过阻尼,充电电流,光电子技术精品课程,48,衰减振荡解,光电子技术精品课程,49,谐振充电,i（t）,Vc,/d,光电子技术精品课程,50,习题2,一RLC谐振充电电路， 已知：V0=1KV,0=1KHz，C=100uF, 求:（1）R在210范围内调节时，充电电压的调节范围是多少？ （2）R在多少以下才能实现谐振充电？,光电子技术精品课程,51,开关电源,开关电源的特点： 1、损耗小 2、体积小 3、控制灵活 开关电源主要开关器件 SCR、GTR、MOSFET、IGBT、三极管,光电子技术精品课程,52,基于开关电源的激光器电源,连续激光电源 包括恒流源、

12、恒压源 脉冲激光电源 电容充电电源,光电子技术精品课程,53,开关式电容充电电源,光电子技术精品课程,54,半桥电路,光电子技术精品课程,55,全桥电路,光电子技术精品课程,56,二、放电电路纯电容放电,电流脉宽,功率脉宽,实验得到的闪光时间,适用于T050us,光电子技术精品课程,57,纯电容放电,峰值电流： 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，光能利用率低,忽略放电上升时间,光电子技术精品课程,58,单网孔脉冲成形网络电容、电感放电网络,归一化,归一化方程,光电子技术精品课程,59,电容、电感放电网络,光电子技术

13、精品课程,60,电容、电感放电网络参数设计,一般给定输入能量，闪光时间，灯参数，取=0.8 求：L，C，Vc,闪光时间,光电子技术精品课程,61,电容、电感放电网络参数设计举例,给定：输入能量Ein=100j，闪光时间T0=100us，=0.8，氙灯560mm2，K=1.3A1/2 求：充电电压Vc，电感L，电容C。 解：C=140uF Vc=1200V L=15uh 对于Vc=1600V， 0.7，可以接受,光电子技术精品课程,62,带续流二极管的LC放电网络,光电子技术精品课程,63,仿真线成形网络,灯阻,特征阻抗,光电子技术精品课程,64,仿真线成形网络各参数关系,匹配条件下：,实验结论

14、：,输入能量与电压关系：,光电子技术精品课程,65,仿真线成形网络参数设计,给定输入能量，闪光时间，氙灯参数，仿真线节数n， 求：Li，Ci和Vc,光电子技术精品课程,66,补充空心电感公式,多层缠法,单层缠法,D，b，c：厘米 N：匝数，L：uh,光电子技术精品课程,67,斩波放电电路,光电子技术精品课程,68,斩波放电电路波形,光电子技术精品课程,69,习题3,一脉冲氙灯7.580mm2，峰值放电电流2000A，等离子体电阻系数K1.13A1/2。 求：氙灯的等效电阻Req和灯阻系数K0？,习题4,电容，电感氙灯放电电路中，氙灯880mm2， K1.13A1/2，闪光时间T00.23ms，

15、电容储能Ein=144j，阻尼系数=0.8 求：电感L，电容C和充电电压Vc？,光电子技术精品课程,70,3.2 激光二极管,一、概述 二、基本结构 三、二极管线阵和阵列条 四、二维面阵 五、光谱特性,光电子技术精品课程,71,一、概述,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 寿命长，连续10E4h，脉冲10E9次 波长 630680nm AlGaInP 770990nm GaAlAs 9001000nm InGaAs 模块化 价格高,光电子技术精品课程,72,基本结构,光电子技术精品课程,73,三、二极管线阵和阵列条线阵,光电子技术精品课程,74,阵列条,光电子技术精品

16、课程,75,四、二维面阵,光电子技术精品课程,76,背面传导冷却,光电子技术精品课程,77,传导冷却,光电子技术精品课程,78,面阵封装,光电子技术精品课程,79,五、光谱特性,光电子技术精品课程,80,光谱与重复频率、电流关系,光电子技术精品课程,81,3.4 二极管激光泵浦耦合技术,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,光电子技术精品课程,82,一、泵浦方式1端面泵浦,光电子技术精品课程,83,2侧面泵浦,光电子技术精品课程,84,3基于内反射的泵浦构型,3基于内反射的泵浦构型,光电子技术精品课程,85,二、耦合光学系统,光电子技术精品课程,

17、86,直接侧面泵浦,光电子技术精品课程,87,使用柱透镜耦合的侧泵浦,光电子技术精品课程,88,透镜管道端面泵浦,光电子技术精品课程,89,二元光学元件耦合系统,光电子技术精品课程,90,3.3 聚光腔,一、聚光腔类型 二、聚光腔材料选择 三、聚光腔反射表面选择 四、聚光效率 五、泵浦光在激光棒内分布,光电子技术精品课程,91,聚光腔功能,保证泵浦光最大限度地为工作物质吸收 冷却液通道 灯棒等的固定场所,光电子技术精品课程,92,一、聚光腔类型椭圆柱聚光腔,光电子技术精品课程,93,紧耦合非聚焦聚光腔,光电子技术精品课程,94,漫反射聚光腔,光电子技术精品课程,95,尖形聚光腔和V形聚光腔,光

18、电子技术精品课程,96,旋转对称聚光腔,光电子技术精品课程,97,二、聚光腔材料选择,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 易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀 陶瓷 易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀,光电子技术精品课程,98,三、聚光腔反射表面选择,金属 多层介质膜 陶瓷 漫反射粉末,光电子技术精品课程,99,金属,光电子技术精品课程,100,四、聚光效率,单椭圆柱腔的聚光效率,聚光效率：,光学效率,几何传输效率,光谱带上的反射率,棒和冷却管上的反射率,非反射面积比例,滤光玻璃，冷却液的吸收,光电子技术精品课程,101,几何传输效率,几点假设 灯在圆截面上对称均匀发光 不考虑轴向倾斜光线 只考虑一次反射光线，焦点上泵浦 不考虑直接照射，遮挡，忽略反射损耗 灯作