《激光器件》課件第7章

7.1泵浦光源7.2聚光腔

7.3泵浦光源的供電系統(tǒng)

1.脈沖氙燈

脈沖氙燈是一種亮度較高的非相干輻射源，工作于弧光放電狀態(tài)，具有較高的電-光轉(zhuǎn)換效率(70%)和從紫外到近紅外寬的輻射光譜范圍(波長200~1800nm)，亮溫度高達

5000~15000K。7.1.1惰性氣體放電燈

7.1泵浦光源

圖7.1給出了直管氙燈和螺旋管氙燈的結(jié)構(gòu)。其中圖(a)為焊料封裝的直管氙燈，圖(b)為焊料封裝的直管氙燈的陽極接頭剖視圖，圖(c)為用過渡玻璃封裝的直管氙燈，圖(d)為焊料封裝的螺旋管氙燈。圖7.1直管和螺旋管惰性氣體放電燈的結(jié)構(gòu)線狀譜是由氣體原子或離子的分立束縛能級間的躍遷產(chǎn)生的，而連續(xù)譜則是由氣體離子與電子的復(fù)合以及電子的韌致輻射等過程產(chǎn)生的。低電流密度(37A·cm-2)、較高充氣氣壓(1.72×105Pa)下脈沖氙燈的發(fā)光光譜如圖7.2所示。圖7.2低電流密度下脈沖氙燈的發(fā)光光譜

如圖7.3所示是兩種電流密度條件下的發(fā)射光譜分布。當電流密度為1700A·cm-2時，可見分立譜線，但當電流密度為5300A·cm-2時，分立譜線已被淹沒在強的連續(xù)光譜中，這是等離子體溫度升高的結(jié)果。圖7.3高電流密度下脈沖氙燈的發(fā)光光譜

2.連續(xù)氪弧光燈

連續(xù)氪弧光燈是目前用于泵浦Nd3+∶YAG激光器的最有效、輸入功率水平最高、亮度較高的非相干輻射源。連續(xù)氪弧光燈的結(jié)構(gòu)和尺寸與脈沖氙燈相似，只是石英管壁的厚度要薄一些，不超過1mm，通常用0.5mm厚度的石英管制成。圖7.4連續(xù)氪弧光燈的發(fā)光光譜7.1.2鹵鎢燈

鹵鎢燈是一種熱輻射連續(xù)光源，是通過電加熱鎢絲產(chǎn)生連續(xù)譜的高溫熱輻射，亮溫度高達2400~3400K，燈內(nèi)充有少量的鹵素元素碘或溴，可以防止鎢絲的氧化，以提高燈的壽命和亮度。7.1.3激光二極管

隨著金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)工藝和量子阱器件結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，高功率、高效率半導(dǎo)體激光器的迅速發(fā)展，使激光二極管泵浦固體激光器技術(shù)獲得快速發(fā)展。如圖7.5所示是二極管陣列通過耦合光學系統(tǒng)的端面泵浦。如圖7.6所示是光纖耦合端面泵浦。

如圖7.7所示是兩個端面泵浦。圖7.5二極管陣列端面泵浦圖7.6光纖耦合端面泵浦圖7.7二極管陣列兩端面泵浦7.1.4太陽光

太陽光泵浦技術(shù)為衛(wèi)星激光技術(shù)和空間站激光技術(shù)提供了應(yīng)用。太陽光泵浦具有更長的壽命，太陽光的亮溫度為5800K。7.2.1泵浦方式與聚光腔結(jié)構(gòu)

根據(jù)激光工作物質(zhì)的形狀、泵浦光源類型和泵浦方式的不同。在固體激光器的發(fā)展過程中，采用的泵浦方式可分為橫向泵浦、縱向泵浦和面泵浦三種。

橫向泵浦也稱側(cè)面泵浦，工作物質(zhì)的形狀為圓柱體，圓柱激光棒與直管放電燈平行放置，如圖5.1所示，或放置在螺旋放電燈的軸線上如圖7.1(d)所示。7.2聚光腔如圖7.5、圖7.6、圖7.7所示。泵浦光通過耦合光學元件聚焦到工作物質(zhì)圓柱激光棒的一個端面，沿圓柱激光棒的軸向傳播，從圓柱激光棒的另一端輸出激光。

面泵浦方式中，泵浦光通過圓盤薄片狀工作物質(zhì)的圓盤表面，以布儒斯特角進入內(nèi)部實現(xiàn)泵浦。如圖7.8所示是面泵浦大型釹玻璃圓盤激光器。其優(yōu)點是泵浦光均勻性好、散熱效果好，因而熱畸變小，適用于泵浦大功率激光器。圖7.8面泵浦釹玻璃圓盤激光器結(jié)構(gòu)橢圓柱聚光腔中，泵浦光源直管放電燈和圓柱激光棒工作物質(zhì)放置在橢圓柱的兩個焦線上，如圖7.9所示。

因而要求直管放電燈和圓柱激光棒工作物質(zhì)在圓柱的中心軸線兩側(cè)緊靠中心軸線對稱放置，如圖7.10所示。圖7.9橢圓柱聚光腔結(jié)構(gòu)圖7.10圓柱聚光腔結(jié)構(gòu)球面和旋轉(zhuǎn)橢球面聚光腔屬于三維成像聚光系統(tǒng)。在球面聚光腔中，放電燈和工作物質(zhì)緊靠球面的中心線對稱放置，由放電燈發(fā)出的光線經(jīng)一次或多次反射后將被會聚到工作物質(zhì)上，如圖7.11所示。旋轉(zhuǎn)橢球面聚光腔簡稱橢球聚光腔，放電燈和工作物質(zhì)沿旋轉(zhuǎn)軸(橢圓長軸)對稱放置在焦點和頂點之間，如圖7.12所示，由于具有三維聚焦和旋轉(zhuǎn)對稱性，因而傳輸效率和泵浦均勻性高，但沿工作物質(zhì)軸線方向卻是非均勻的，靠近焦點的泵浦密度高，僅適用于短棒工作物質(zhì)。圖7.11球面形聚光腔結(jié)構(gòu)圖7.12旋轉(zhuǎn)橢球面聚光腔結(jié)構(gòu)緊包式聚光腔的聚光作用不是靠成像，而是靠放電燈的直接照射和聚光腔內(nèi)的高光能密度來實現(xiàn)的，如圖7.13所示。圖7.13緊包式聚光腔結(jié)構(gòu)7.2.2聚光腔的能量傳輸特性

聚光腔的能量傳輸特性可用聚光效率ηc來度量。聚光效率ηc定義為工作物質(zhì)上得到的泵浦光能和放電燈發(fā)出的光能之比。可近似為

ηc=ηpe·ηop(7-1)式中ηpe為聚光腔的幾何傳輸系數(shù)，取決于照射到工作物質(zhì)上的光能與由聚光腔壁反射的光能之比。ηop為聚光腔的光學效率，取決于聚光腔壁反射的光能與光源發(fā)射的光能之比，與聚光腔的反射、散射、吸收等光學損耗有關(guān)，可表示為

ηop=R·(1-Rr)·(1-α)·(1-f)(7-2)7.3.1脈沖氙燈的供電系統(tǒng)

單次脈沖或多次重復(fù)脈沖情況下工作的脈沖氙燈的供電系統(tǒng)如圖7.14所示。7.3泵浦光源的供電系統(tǒng)圖7.14脈沖放電燈的供電系統(tǒng)1.貯能電容的充電回路

充電回路必須在一定時間內(nèi)使貯能電容達到選定的充電電壓，這個時間取決于激光器的重復(fù)

頻率。限流元件是為了防止充電初期產(chǎn)生的瞬時大電流對電網(wǎng)的沖擊以及對充電回路帶來的不利影響，理想的方法是采用恒流充電，即在充電期間充電電流I恒定，充電電流為

(7-3)式中C為貯能電容，V為充電電壓，t為充電時間?；」夥烹娭螅}沖氙燈需經(jīng)3~15ms才能消除電離而恢復(fù)阻斷狀態(tài)。為保證氙燈有足夠的消除電離時間，充電時間必須小于重復(fù)周期T=1/f，因此充電電流有

I≥CVf

(7-4)

在非恒流充電的充電回路中，為了保護整流回路不受充電初期產(chǎn)生的瞬時大電流的損害，常常采用如圖7.15所示的限流方法。圖7.15脈沖放電燈的充電電路限流方法故充電回路工作的最高重復(fù)頻率為

(7-5)

可見減小限流電阻R有利于提高重復(fù)率，但R的減小會受到“連通”現(xiàn)象的限制。綜合考慮，R應(yīng)滿足

(7-6)

2.放電回路

在脈沖激光器中，為提高泵浦效率，要求放電燈的閃光持續(xù)時間小于工作物質(zhì)的熒光壽命，如圖7.16所示的電容電

感放電回路是常用的放電回路，是由一組電容、電感和脈沖放電燈串聯(lián)組成，稱為單網(wǎng)孔脈沖形成網(wǎng)絡(luò)。當電感加入后，限制了放電電流的上升，因而脈沖氙燈能承受較大的輸入能量。圖7.16脈沖放電燈的放電回路

3.觸發(fā)電路

一個正常運轉(zhuǎn)的脈沖氙燈，工作電壓均小于自閃電壓。內(nèi)觸發(fā)電路如圖7.17所示。圖7.17脈沖放電燈的內(nèi)觸發(fā)電路外觸發(fā)電路如圖7.18所示，它是利用繞在放電燈管外壁的觸發(fā)絲的一端與變壓器次級相連接。圖7.18脈沖放電燈的外觸發(fā)電路

預(yù)燃觸發(fā)是在脈沖放電間隙保持低電流放電，采用與主電源并聯(lián)的低電流直流電源，便可實現(xiàn)這種