第四章三固体激光器的光泵浦系统

第四章三固体激光器的光泵浦系统第1页，共25页，2023年，2月20日，星期三3固体激光器的光泵浦系统3.1惰性气体放电灯3.2聚光腔2第2页，共25页，2023年，2月20日，星期三3.1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3第3页，共25页，2023年，2月20日，星期三3.1.1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。连续氪灯：电流密度较低，以线状光谱为主。直管式、螺旋式4第4页，共25页，2023年，2月20日，星期三（2）结构管壁电极接头气体5第5页，共25页，2023年，2月20日，星期三（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）转换紫外光可见光。

6第6页，共25页，2023年，2月20日，星期三（2）结构电极材料钨——高熔点（3640°），逸出功4.54eV钍钨（钨中掺入0.5~2%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。密封接头过渡玻璃石英的线膨胀系数5×10－7℃－1钍钨的线膨胀系数46×10－7℃－1焊封7第7页，共25页，2023年，2月20日，星期三3.1.3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8第8页，共25页，2023年，2月20日，星期三一、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。9第9页，共25页，2023年，2月20日，星期三二、影响气体灯输出的主要因素1.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，Kr的原子序数36氙灯的连续谱和总能量高于氪灯。对于Vc＝1200V，C＝250uF，P＝600mmhg，d＝5mm，l＝70mm。氙灯与氪灯效率之比为：100/55。10第10页，共25页，2023年，2月20日，星期三2.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。11第11页，共25页，2023年，2月20日，星期三3.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12第12页，共25页，2023年，2月20日，星期三4.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。13第13页，共25页，2023年，2月20日，星期三5.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。能量越大，脉宽越长，保证接近最佳电流密度。14第14页，共25页，2023年，2月20日，星期三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。15第15页，共25页，2023年，2月20日，星期三3.2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16第16页，共25页，2023年，2月20日，星期三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17第17页，共25页，2023年，2月20日，星期三一、聚光腔类型—椭圆柱聚光腔18第18页，共25页，2023年，2月20日，星期三紧耦合非聚焦聚光腔19第19页，共25页，2023年，2月20日，星期三漫反射聚光腔20第20页，共25页，2023年，2月20日，星期三尖形聚光腔和V形聚光腔21第21页，共25页，2023年，2月20日，星期三旋转对称聚光腔22第22页，共25页，2023年，2月20日，星期三二、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23第23页，共25页，2023年，2月20日，星期三四、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24第24页，共25页，2023年，2月20日，星期三