可调谐激光 3-1

1、可调谐激光器泵浦技术本节内容LD泵浦技术泵浦技术 会聚器的优化会聚器的优化快放电闪光灯泵浦技术快放电闪光灯泵浦技术增益波导效应增益波导效应可调谐激光泵浦源特点可调谐激光泵浦源特点光泵浦技术闪光灯泵浦闪光灯泵浦固体激光器固体激光器亚毫秒量级亚毫秒量级与增益介质上能与增益介质上能级寿命匹配级寿命匹配光泵浦技术光泵浦技术激光泵浦激光泵浦连续激光泵浦连续激光泵浦脉冲脉冲激光泵浦激光泵浦光学参量振荡光学参量振荡激光二极管激光二极管可调谐激光器泵浦特点n激光介质激光上能级寿命较短n吸收光谱为宽带谱 泵浦波长适应性强，便于选择泵浦光源n存在三重态或受激态吸收等淬灭机制激光泵浦技术n横向泵浦n纵向泵浦 离轴泵

2、浦 共轴泵浦脉冲泵浦源性能n波长n脉冲宽度n脉冲能量n光束质量n稳定性n价格n维护费用n操作难易对泵浦光源的技术要求n泵浦光波长与增益介质吸收带的光谱匹配 泵浦波长落在吸收谱范围内 选择对增益介质有最大吸收截面的波长n泵浦光脉宽与增益介质上能级寿命的匹配 泵浦脉冲上升时间小于等于上能级寿命n泵浦光光强与振荡阈值和抗损伤阈值 泵浦光斑 高功率密度 小增益体积 脉宽越窄损伤阈值越低 吸收饱和 热效应 效率降低对泵浦光源的技术要求n激光光束质量与泵浦形式 纵向泵浦，泵浦光束质量决定输出光束质量 横向泵浦，介质截面横向不均匀性及腔轴方向纵向不均匀性n工作可靠性稳定性及便于操作 固体激光器：操作简单、工

3、作可靠、便于维护 气体激光器：准连续、高重频n价格及使用寿命与维护费用 购买价格 日常维护费用激光泵浦的增益波导效应n得到大尺寸TEM00模高斯光束 变折射率高斯反射镜输出耦合：工艺复杂、价格昂贵 增益波导效应(gain guiding)n增益波导 由被激励激光介质中细而长增益体积所形成的一种光波导结构 纵向泵浦 横向泵浦激光纵向泵浦增益波导n纵向泵浦n轴向增益分布n会聚因子zpexp激光纵向泵浦增益波导n会聚镜焦距足够长n聚光介质掺杂浓度不很高n激活区圆柱体n增益沿纵向均匀分布n纵向小信号增益n径向小信号增益 zrgGexp 2202exp2prgrg激光纵向泵浦增益波导n通过介质的激光为高

4、斯分布nRicatti方程n复数传播常数 lrginrk02 211iRzq01122qdzdq122kk激光纵向泵浦增益波导n激活介质可看成具有半径 的高斯孔径n激光光学 吕百达 llnzqlnlzqzqcossinsin1cos112 DCzqBAzqzq1121120pginlDCBA1l0gpg增益波导与高斯型变反射率腔镜比较n变反射率腔镜非稳腔高斯模受腔放大率限制 增益波导高斯孔径随泵浦光斑而改变，具有自适应性 n增益波导泵浦光功率大小可任意选择n增益波导高斯孔径自适应性利于腔内储能提取n可采用结构简单的平平腔闪光灯泵浦技术n激光器泵浦 总体积庞大、总转换效率低、难获大输出能量n激光

5、介质增益大小 掺杂浓度、受激发射截面、上能级寿命。快放电闪光灯泵浦技术n可调谐激光器要求放电脉冲上升时间10-6s量级n需要解决的技术问题n放电稳定性n电光转换效率n使用寿命快放电闪光灯的时间特性n放电电路：LC电路 降低放电损耗 小回路电阻 大储能 大电容 电感 抑制放电上升速度n回路放电微分方程（无回路电阻）CiiVidtCiKRdtdiL02101快放电闪光灯的时间特性n放电回路阻尼因子n0.8过阻尼放电无振荡 电流峰值下降转换效率低n0.8临界阻尼放电无振荡，高转换效率00ZVKCCLZ 0临界阻尼放电LC回路设计n放电回路与闪光灯间阻抗匹配n可调谐激光器 电容C很小，电压Vc很大 需

6、要K0很大n闪光灯阻抗参数 00ZVKC 6 . 02 . 0085. 0tELqptK临界阻尼放电LC回路设计n提高充气压n采用大长径比闪光灯n多灯串联闪光灯高功率放电的光谱特性n放电电压kV量级n快放电闪光灯电流密度100kA/cm2量级n灯内等离子体具有极高色温n极宽发射谱 波长适应性强 有效光谱重叠差，泵浦效率低 短波长辐射促使形成色心或漂白导致工作物质退化 长波长辐射形成热致折射率梯度，导致光束质量变坏n发射谱随时间变化n近似黑体辐射n高色温等离子体对泵浦光的屏障闪光灯高功率放电的光谱特性低感放电电路和预燃技术n输入充电能量n放电脉冲宽度 t=3.2Tn电容n电感 闪光灯放电能量 放

7、电回路时间常数220CCVE LCT 低感放电电路和预燃技术n放电初期电感较大n阻碍放电脉冲形成n加宽放电脉冲宽度n预燃技术 提高输出能量 3倍 缩短脉冲上升时间 1倍 增加闪光灯寿命 105小电流预燃技术n预燃电弧细n灯壁灯芯间存在温度梯度n灯芯气体密度低、导电率高n预燃电弧向灯芯集中n电弧难于扩大预脉冲预燃技术n大电流DC预燃技术 消耗电能n预脉冲预燃技术n混合预燃技术 DC预燃+预脉冲预燃n预燃效果 大体积放电等离子体 大电弧截面短脉冲快放电电路特点n回路电感低、放电电容小 元件（闪光灯）电感尽量小 预燃降低电弧电感 回路连接线截面大、引线短n放电电压、放电电流高 电容小、耐高压 快放电

8、闪光灯寿命n放电电极退化与溅射 电极发射性能下降 灯壁对辐射透过降低n闪光灯石英管壁老化和破损 污染物腐蚀 热应力 声冲击波n所充气体污染或漏气 电极密封不好 影响等离子体触发和预燃快放电闪光灯寿命n闪光灯寿命定义 发光效率下降到一半的有效闪光次数n闪光灯使用寿命经验公式(无预燃)n闪光灯损伤阈值 快放电闪光灯取大的长径比 305 . 8回路放电能量损伤阈值寿命tldE x快放电闪光灯寿命n采用预燃n冷却 电极冷却 玻璃壳冷却 气体冷却 液体冷却会聚器的优化设计n收集闪光灯发光n均匀照射激光介质n大而均匀的增益n镜反射式（灯轴、激光介质轴） 焦上配置：好成像质量、结构大 焦外配置：结构紧凑、高

9、会聚效率、均匀性差n漫反射式多灯串联会聚器的优化设计n镜反射会聚器多灯串联会聚器的优化设计n漫反射会聚器多灯串联会聚器的优化设计n高辐射效率n高吸收效率（接近黑体辐射）n吸收会聚器反射光n灯内等离子体温度升高，发射谱蓝移n闪光灯发光不稳定性n闪光灯互相隔离n收集后向发射光提高泵浦转换效率的途径n泵浦转换效率 激光增益介质储能与闪光灯放电电能之比 n提高闪光灯放电功率密度n提高闪光灯充气压 增大闪光灯触发和预燃难度n提高光谱重叠率 控制闪光灯色温控制n采用预燃技术n选择设计高效、可靠的会聚器激光二极管泵浦技术n20世纪60年代发光二极管（LED）、激光二极管（LD）泵浦 光强小、低温n20世纪8

10、0年代 LD室温运转n体积小n电光效率高n输出稳定性好n激光器的小型化、全固化激光二极管Semiconductor Optical Devices M. Fukuda激光二极管的选择n注入电荷通过半导体p-n结发生电子与空穴对复合发光nLD辐射波长特性n基质材料组分n温度n大功率LD阵列nLD线阵nLD面阵（散热）激光二极管泵浦与耦合n横向泵浦n纵向泵浦n泵浦源光束质量n输出功率激光二极管泵浦与耦合n单条LD的输出n光束变换激光二极管泵浦与耦合n光束变换器n圆形光束 激光二极管的寿命n商用LD室温寿命 室温条件下，LD失效平均时间nLD波导反射镜或表面退化 效率下降或吸收损耗增加nLD接触阻抗增大 电阻损耗或热损耗增加n晶格内部存在缺陷 内部损伤或光吸收激光二极管的寿命nLD的损坏、老化表现为效率明显下降n增大注入电流nLD局部熔化损伤n控制LD电流 对噪声和瞬态变化进行滤波n光学耦合时 注意防止后向反馈耦合n采取冷却措施