可調(diào)諧激光 3

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) 會聚器的優(yōu)化會聚器的優(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亞毫秒量級與增益介質(zhì)上能與增益介質(zhì)上能級壽命匹配級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價格n維護(hù)費(fèi)用n操作難易對泵浦光源的技術(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)上能級壽命的匹配 泵浦脈沖上升時間小于等于上能級壽命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價格及使用壽命與維護(hù)費(fèi)用 購買價格 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、價格昂貴 增益波導(dǎo)效應(yīng)(gain guiding)n增益波導(dǎo) 由被激勵激光介質(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會聚因子zpexp激光縱向泵浦增益波導(dǎo)n會聚鏡焦距足夠長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縱向小信號增益n徑向小信號增益 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)儲能提取n可采用結(jié)構(gòu)簡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間10-6s量級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間特性n放電電路：LC電路 降低放電損耗 小回路電阻 大儲能 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n快放電閃光燈電流密度100kA/cm2量級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)射譜隨時間變化n近似黑體輻射n高色溫等離子體對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 縮短脈沖上升時間 1倍 增加閃光燈壽命 105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)

8、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 液體冷卻會聚器的優(yōu)化設(shè)計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、高會聚效率、均勻性差n漫反射式多燈串聯(lián)會聚器的優(yōu)化設(shè)計n鏡反射會聚器多燈串聯(lián)會聚器的優(yōu)化設(shè)計n漫反射會聚器多燈串聯(lián)會聚器的優(yōu)化設(shè)計n高輻射效率n高吸收效率（接近黑體輻射）n吸收會聚器反射光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

9、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)計高效、可靠的會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)80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 對噪聲和瞬態(tài)變化進(jìn)行濾波n光學(xué)耦合時 注意防止后向反饋耦合n采取冷卻措施LD泵浦技術(shù)的優(yōu)