可調(diào)諧激光 3-1

1、可調(diào)諧激光器泵浦技術(shù)本節(jié)內(nèi)容LD泵浦技術(shù)泵浦技術(shù) 會(huì)聚器的優(yōu)化會(huì)聚器的優(yōu)化快放電閃光燈泵浦技術(shù)快放電閃光燈泵浦技術(shù)增益波導(dǎo)效應(yīng)增益波導(dǎo)效應(yīng)可調(diào)諧激光泵浦源特點(diǎn)可調(diào)諧激光泵浦源特點(diǎn)光泵浦技術(shù)閃光燈泵浦閃光燈泵浦固體激光器固體激光器亞毫秒量級(jí)亞毫秒量級(jí)與增益介質(zhì)上能與增益介質(zhì)上能級(jí)壽命匹配級(jí)壽命匹配光泵浦技術(shù)光泵浦技術(shù)激光泵浦激光泵浦連續(xù)激光泵浦連續(xù)激光泵浦脈沖脈沖激光泵浦激光泵浦光學(xué)參量振蕩光學(xué)參量振蕩激光二極管激光二極管可調(diào)諧激光器泵浦特點(diǎn)n激光介質(zhì)激光上能級(jí)壽命較短n吸收光譜為寬帶譜 泵浦波長適應(yīng)性強(qiáng)，便于選擇泵浦光源n存在三重態(tài)或受激態(tài)吸收等淬滅機(jī)制激光泵浦技術(shù)n橫向泵浦n縱向泵浦 離軸泵

2、浦 共軸泵浦脈沖泵浦源性能n波長n脈沖寬度n脈沖能量n光束質(zhì)量n穩(wěn)定性n價(jià)格n維護(hù)費(fèi)用n操作難易對(duì)泵浦光源的技術(shù)要求n泵浦光波長與增益介質(zhì)吸收帶的光譜匹配 泵浦波長落在吸收譜范圍內(nèi) 選擇對(duì)增益介質(zhì)有最大吸收截面的波長n泵浦光脈寬與增益介質(zhì)上能級(jí)壽命的匹配 泵浦脈沖上升時(shí)間小于等于上能級(jí)壽命n泵浦光光強(qiáng)與振蕩閾值和抗損傷閾值 泵浦光斑 高功率密度 小增益體積 脈寬越窄損傷閾值越低 吸收飽和 熱效應(yīng) 效率降低對(duì)泵浦光源的技術(shù)要求n激光光束質(zhì)量與泵浦形式 縱向泵浦，泵浦光束質(zhì)量決定輸出光束質(zhì)量 橫向泵浦，介質(zhì)截面橫向不均勻性及腔軸方向縱向不均勻性n工作可靠性穩(wěn)定性及便于操作 固體激光器：操作簡(jiǎn)單、工

3、作可靠、便于維護(hù) 氣體激光器：準(zhǔn)連續(xù)、高重頻n價(jià)格及使用壽命與維護(hù)費(fèi)用 購買價(jià)格 日常維護(hù)費(fèi)用激光泵浦的增益波導(dǎo)效應(yīng)n得到大尺寸TEM00模高斯光束 變折射率高斯反射鏡輸出耦合：工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴 增益波導(dǎo)效應(yīng)(gain guiding)n增益波導(dǎo) 由被激勵(lì)激光介質(zhì)中細(xì)而長增益體積所形成的一種光波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 縱向泵浦 橫向泵浦激光縱向泵浦增益波導(dǎo)n縱向泵浦n軸向增益分布n會(huì)聚因子zpexp激光縱向泵浦增益波導(dǎo)n會(huì)聚鏡焦距足夠長n聚光介質(zhì)摻雜濃度不很高n激活區(qū)圓柱體n增益沿縱向均勻分布n縱向小信號(hào)增益n徑向小信號(hào)增益 zrgGexp 2202exp2prgrg激光縱向泵浦增益波導(dǎo)n通過介質(zhì)的激光為高

4、斯分布nRicatti方程n復(fù)數(shù)傳播常數(shù) lrginrk02 211iRzq01122qdzdq122kk激光縱向泵浦增益波導(dǎo)n激活介質(zhì)可看成具有半徑 的高斯孔徑n激光光學(xué) 呂百達(dá) llnzqlnlzqzqcossinsin1cos112 DCzqBAzqzq1121120pginlDCBA1l0gpg增益波導(dǎo)與高斯型變反射率腔鏡比較n變反射率腔鏡非穩(wěn)腔高斯模受腔放大率限制 增益波導(dǎo)高斯孔徑隨泵浦光斑而改變，具有自適應(yīng)性 n增益波導(dǎo)泵浦光功率大小可任意選擇n增益波導(dǎo)高斯孔徑自適應(yīng)性利于腔內(nèi)儲(chǔ)能提取n可采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的平平腔閃光燈泵浦技術(shù)n激光器泵浦 總體積龐大、總轉(zhuǎn)換效率低、難獲大輸出能量n激光

5、介質(zhì)增益大小 摻雜濃度、受激發(fā)射截面、上能級(jí)壽命?？旆烹婇W光燈泵浦技術(shù)n可調(diào)諧激光器要求放電脈沖上升時(shí)間10-6s量級(jí)n需要解決的技術(shù)問題n放電穩(wěn)定性n電光轉(zhuǎn)換效率n使用壽命快放電閃光燈的時(shí)間特性n放電電路：LC電路 降低放電損耗 小回路電阻 大儲(chǔ)能 大電容 電感 抑制放電上升速度n回路放電微分方程（無回路電阻）CiiVidtCiKRdtdiL02101快放電閃光燈的時(shí)間特性n放電回路阻尼因子n0.8過阻尼放電無振蕩 電流峰值下降轉(zhuǎn)換效率低n0.8臨界阻尼放電無振蕩，高轉(zhuǎn)換效率00ZVKCCLZ 0臨界阻尼放電LC回路設(shè)計(jì)n放電回路與閃光燈間阻抗匹配n可調(diào)諧激光器 電容C很小，電壓Vc很大 需

6、要K0很大n閃光燈阻抗參數(shù) 00ZVKC 6 . 02 . 0085. 0tELqptK臨界阻尼放電LC回路設(shè)計(jì)n提高充氣壓n采用大長徑比閃光燈n多燈串聯(lián)閃光燈高功率放電的光譜特性n放電電壓kV量級(jí)n快放電閃光燈電流密度100kA/cm2量級(jí)n燈內(nèi)等離子體具有極高色溫n極寬發(fā)射譜 波長適應(yīng)性強(qiáng) 有效光譜重疊差，泵浦效率低 短波長輻射促使形成色心或漂白導(dǎo)致工作物質(zhì)退化 長波長輻射形成熱致折射率梯度，導(dǎo)致光束質(zhì)量變壞n發(fā)射譜隨時(shí)間變化n近似黑體輻射n高色溫等離子體對(duì)泵浦光的屏障閃光燈高功率放電的光譜特性低感放電電路和預(yù)燃技術(shù)n輸入充電能量n放電脈沖寬度 t=3.2Tn電容n電感 閃光燈放電能量 放

7、電回路時(shí)間常數(shù)220CCVE LCT 低感放電電路和預(yù)燃技術(shù)n放電初期電感較大n阻礙放電脈沖形成n加寬放電脈沖寬度n預(yù)燃技術(shù) 提高輸出能量 3倍 縮短脈沖上升時(shí)間 1倍 增加閃光燈壽命 105小電流預(yù)燃技術(shù)n預(yù)燃電弧細(xì)n燈壁燈芯間存在溫度梯度n燈芯氣體密度低、導(dǎo)電率高n預(yù)燃電弧向燈芯集中n電弧難于擴(kuò)大預(yù)脈沖預(yù)燃技術(shù)n大電流DC預(yù)燃技術(shù) 消耗電能n預(yù)脈沖預(yù)燃技術(shù)n混合預(yù)燃技術(shù) DC預(yù)燃+預(yù)脈沖預(yù)燃n預(yù)燃效果 大體積放電等離子體 大電弧截面短脈沖快放電電路特點(diǎn)n回路電感低、放電電容小 元件（閃光燈）電感盡量小 預(yù)燃降低電弧電感 回路連接線截面大、引線短n放電電壓、放電電流高 電容小、耐高壓 快放電

8、閃光燈壽命n放電電極退化與濺射 電極發(fā)射性能下降 燈壁對(duì)輻射透過降低n閃光燈石英管壁老化和破損 污染物腐蝕 熱應(yīng)力 聲沖擊波n所充氣體污染或漏氣 電極密封不好 影響等離子體觸發(fā)和預(yù)燃快放電閃光燈壽命n閃光燈壽命定義 發(fā)光效率下降到一半的有效閃光次數(shù)n閃光燈使用壽命經(jīng)驗(yàn)公式(無預(yù)燃)n閃光燈損傷閾值 快放電閃光燈取大的長徑比 305 . 8回路放電能量損傷閾值壽命tldE x快放電閃光燈壽命n采用預(yù)燃n冷卻 電極冷卻 玻璃殼冷卻 氣體冷卻 液體冷卻會(huì)聚器的優(yōu)化設(shè)計(jì)n收集閃光燈發(fā)光n均勻照射激光介質(zhì)n大而均勻的增益n鏡反射式（燈軸、激光介質(zhì)軸） 焦上配置：好成像質(zhì)量、結(jié)構(gòu)大 焦外配置：結(jié)構(gòu)緊湊、高

9、會(huì)聚效率、均勻性差n漫反射式多燈串聯(lián)會(huì)聚器的優(yōu)化設(shè)計(jì)n鏡反射會(huì)聚器多燈串聯(lián)會(huì)聚器的優(yōu)化設(shè)計(jì)n漫反射會(huì)聚器多燈串聯(lián)會(huì)聚器的優(yōu)化設(shè)計(jì)n高輻射效率n高吸收效率（接近黑體輻射）n吸收會(huì)聚器反射光n燈內(nèi)等離子體溫度升高，發(fā)射譜藍(lán)移n閃光燈發(fā)光不穩(wěn)定性n閃光燈互相隔離n收集后向發(fā)射光提高泵浦轉(zhuǎn)換效率的途徑n泵浦轉(zhuǎn)換效率 激光增益介質(zhì)儲(chǔ)能與閃光燈放電電能之比 n提高閃光燈放電功率密度n提高閃光燈充氣壓 增大閃光燈觸發(fā)和預(yù)燃難度n提高光譜重疊率 控制閃光燈色溫控制n采用預(yù)燃技術(shù)n選擇設(shè)計(jì)高效、可靠的會(huì)聚器激光二極管泵浦技術(shù)n20世紀(jì)60年代發(fā)光二極管（LED）、激光二極管（LD）泵浦 光強(qiáng)小、低溫n20世紀(jì)8

10、0年代 LD室溫運(yùn)轉(zhuǎn)n體積小n電光效率高n輸出穩(wěn)定性好n激光器的小型化、全固化激光二極管Semiconductor Optical Devices M. Fukuda激光二極管的選擇n注入電荷通過半導(dǎo)體p-n結(jié)發(fā)生電子與空穴對(duì)復(fù)合發(fā)光nLD輻射波長特性n基質(zhì)材料組分n溫度n大功率LD陣列nLD線陣nLD面陣（散熱）激光二極管泵浦與耦合n橫向泵浦n縱向泵浦n泵浦源光束質(zhì)量n輸出功率激光二極管泵浦與耦合n單條LD的輸出n光束變換激光二極管泵浦與耦合n光束變換器n圓形光束 激光二極管的壽命n商用LD室溫壽命 室溫條件下，LD失效平均時(shí)間nLD波導(dǎo)反射鏡或表面退化 效率下降或吸收損耗增加nLD接觸阻抗增大 電阻損耗或熱損耗增加n晶格內(nèi)部存在缺陷 內(nèi)部損傷或光吸收激光二極管的壽命nLD的損壞、老化表現(xiàn)為效率明顯下降n增大注入電流nLD局部熔化損傷n控制LD電流 對(duì)噪聲和瞬態(tài)變化進(jìn)行濾波n光學(xué)耦合時(shí) 注意防止后向反饋耦合n采取冷卻措施