《激光器件》课件第7章

7.1泵浦光源7.2聚光腔

7.3泵浦光源的供电系统

1.脉冲氙灯

脉冲氙灯是一种亮度较高的非相干辐射源，工作于弧光放电状态，具有较高的电-光转换效率(70%)和从紫外到近红外宽的辐射光谱范围(波长200~1800nm)，亮温度高达

5000~15000K。7.1.1惰性气体放电灯

7.1泵浦光源

图7.1给出了直管氙灯和螺旋管氙灯的结构。其中图(a)为焊料封装的直管氙灯，图(b)为焊料封装的直管氙灯的阳极接头剖视图，图(c)为用过渡玻璃封装的直管氙灯，图(d)为焊料封装的螺旋管氙灯。图7.1直管和螺旋管惰性气体放电灯的结构线状谱是由气体原子或离子的分立束缚能级间的跃迁产生的，而连续谱则是由气体离子与电子的复合以及电子的韧致辐射等过程产生的。低电流密度(37A·cm-2)、较高充气气压(1.72×105Pa)下脉冲氙灯的发光光谱如图7.2所示。图7.2低电流密度下脉冲氙灯的发光光谱

如图7.3所示是两种电流密度条件下的发射光谱分布。当电流密度为1700A·cm-2时，可见分立谱线，但当电流密度为5300A·cm-2时，分立谱线已被淹没在强的连续光谱中，这是等离子体温度升高的结果。图7.3高电流密度下脉冲氙灯的发光光谱

2.连续氪弧光灯

连续氪弧光灯是目前用于泵浦Nd3+∶YAG激光器的最有效、输入功率水平最高、亮度较高的非相干辐射源。连续氪弧光灯的结构和尺寸与脉冲氙灯相似，只是石英管壁的厚度要薄一些，不超过1mm，通常用0.5mm厚度的石英管制成。图7.4连续氪弧光灯的发光光谱7.1.2卤钨灯

卤钨灯是一种热辐射连续光源，是通过电加热钨丝产生连续谱的高温热辐射，亮温度高达2400~3400K，灯内充有少量的卤素元素碘或溴，可以防止钨丝的氧化，以提高灯的寿命和亮度。7.1.3激光二极管

随着金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺和量子阱器件结构的出现，高功率、高效率半导体激光器的迅速发展，使激光二极管泵浦固体激光器技术获得快速发展。如图7.5所示是二极管阵列通过耦合光学系统的端面泵浦。如图7.6所示是光纤耦合端面泵浦。

如图7.7所示是两个端面泵浦。图7.5二极管阵列端面泵浦图7.6光纤耦合端面泵浦图7.7二极管阵列两端面泵浦7.1.4太阳光

太阳光泵浦技术为卫星激光技术和空间站激光技术提供了应用。太阳光泵浦具有更长的寿命，太阳光的亮温度为5800K。7.2.1泵浦方式与聚光腔结构

根据激光工作物质的形状、泵浦光源类型和泵浦方式的不同。在固体激光器的发展过程中，采用的泵浦方式可分为横向泵浦、纵向泵浦和面泵浦三种。

横向泵浦也称侧面泵浦，工作物质的形状为圆柱体，圆柱激光棒与直管放电灯平行放置，如图5.1所示，或放置在螺旋放电灯的轴线上如图7.1(d)所示。7.2聚光腔如图7.5、图7.6、图7.7所示。泵浦光通过耦合光学元件聚焦到工作物质圆柱激光棒的一个端面，沿圆柱激光棒的轴向传播，从圆柱激光棒的另一端输出激光。

面泵浦方式中，泵浦光通过圆盘薄片状工作物质的圆盘表面，以布儒斯特角进入内部实现泵浦。如图7.8所示是面泵浦大型钕玻璃圆盘激光器。其优点是泵浦光均匀性好、散热效果好，因而热畸变小，适用于泵浦大功率激光器。图7.8面泵浦钕玻璃圆盘激光器结构椭圆柱聚光腔中，泵浦光源直管放电灯和圆柱激光棒工作物质放置在椭圆柱的两个焦线上，如图7.9所示。

因而要求直管放电灯和圆柱激光棒工作物质在圆柱的中心轴线两侧紧靠中心轴线对称放置，如图7.10所示。图7.9椭圆柱聚光腔结构图7.10圆柱聚光腔结构球面和旋转椭球面聚光腔属于三维成像聚光系统。在球面聚光腔中，放电灯和工作物质紧靠球面的中心线对称放置，由放电灯发出的光线经一次或多次反射后将被会聚到工作物质上，如图7.11所示。旋转椭球面聚光腔简称椭球聚光腔，放电灯和工作物质沿旋转轴(椭圆长轴)对称放置在焦点和顶点之间，如图7.12所示，由于具有三维聚焦和旋转对称性，因而传输效率和泵浦均匀性高，但沿工作物质轴线方向却是非均匀的，靠近焦点的泵浦密度高，仅适用于短棒工作物质。图7.11球面形聚光腔结构图7.12旋转椭球面聚光腔结构紧包式聚光腔的聚光作用不是靠成像，而是靠放电灯的直接照射和聚光腔内的高光能密度来实现的，如图7.13所示。图7.13紧包式聚光腔结构7.2.2聚光腔的能量传输特性

聚光腔的能量传输特性可用聚光效率ηc来度量。聚光效率ηc定义为工作物质上得到的泵浦光能和放电灯发出的光能之比。可近似为

ηc=ηpe·ηop(7-1)式中ηpe为聚光腔的几何传输系数，取决于照射到工作物质上的光能与由聚光腔壁反射的光能之比。ηop为聚光腔的光学效率，取决于聚光腔壁反射的光能与光源发射的光能之比，与聚光腔的反射、散射、吸收等光学损耗有关，可表示为

ηop=R·(1-Rr)·(1-α)·(1-f)(7-2)7.3.1脉冲氙灯的供电系统

单次脉冲或多次重复脉冲情况下工作的脉冲氙灯的供电系统如图7.14所示。7.3泵浦光源的供电系统图7.14脉冲放电灯的供电系统1.贮能电容的充电回路

充电回路必须在一定时间内使贮能电容达到选定的充电电压，这个时间取决于激光器的重复

频率。限流元件是为了防止充电初期产生的瞬时大电流对电网的冲击以及对充电回路带来的不利影响，理想的方法是采用恒流充电，即在充电期间充电电流I恒定，充电电流为

(7-3)式中C为贮能电容，V为充电电压，t为充电时间。弧光放电之后，脉冲氙灯需经3~15ms才能消除电离而恢复阻断状态。为保证氙灯有足够的消除电离时间，充电时间必须小于重复周期T=1/f，因此充电电流有

I≥CVf

(7-4)

在非恒流充电的充电回路中，为了保护整流回路不受充电初期产生的瞬时大电流的损害，常常采用如图7.15所示的限流方法。图7.15脉冲放电灯的充电电路限流方法故充电回路工作的最高重复频率为

(7-5)

可见减小限流电阻R有利于提高重复率，但R的减小会受到“连通”现象的限制。综合考虑，R应满足

(7-6)

2.放电回路

在脉冲激光器中，为提高泵浦效率，要求放电灯的闪光持续时间小于工作物质的荧光寿命，如图7.16所示的电容电

感放电回路是常用的放电回路，是由一组电容、电感和脉冲放电灯串联组成，称为单网孔脉冲形成网络。当电感加入后，限制了放电电流的上升，因而脉冲氙灯能承受较大的输入能量。图7.16脉冲放电灯的放电回路

3.触发电路

一个正常运转的脉冲氙灯，工作电压均小于自闪电压。内触发电路如图7.17所示。图7.17脉冲放电灯的内触发电路外触发电路如图7.18所示，它是利用绕在放电灯管外壁的触发丝的一端与变压器次级相连接。图7.18脉冲放电灯的外触发电路

预燃触发是在脉冲放电间隙保持低电流放电，采用与主电源并联的低电流直流电源，便可实现这种