激光器輸出功率與能量

激光器輸出功率與能量第一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日美國海軍成功試射海上激光炮擊毀目標(biāo)船只

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美國諾斯洛普-格魯曼公司與美國海軍共同研發(fā)“海洋激光示范者”(MLD)海上激光炮。2011年04月12日07:40

來源：中國新聞網(wǎng)

第二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日/show/7saXnZrnVj-8B1oP.html視頻資料：美國激光武器試驗據(jù)香港《文匯報》11日報道，美國海軍月初在海上試射激光炮，成功擊毀一艘目標(biāo)小船，專家稱這是美國海軍發(fā)展新一代海上激光武器的重要里程碑。預(yù)計激光炮最快2014年6月完成研發(fā)。

激光炮名為“海洋激光示范者”(MLD)，由美國國防工業(yè)公司諾斯洛普。格魯曼與海軍共同研發(fā)。激光炮使用固體激光器技術(shù)，通過類似水晶的固體作為激光介質(zhì)，將15千瓦(kW)的能量聚集，用于攻擊目標(biāo)。

美國海軍本月6日在圣尼古拉斯島附近的太平洋海域試射，自衛(wèi)試驗艦“福斯特”號利用一臺安裝在甲板上的激光炮，向移動中的無人駕駛目標(biāo)小船發(fā)射。小船“中炮”起火焚燒，其后被火焰吞噬。

第三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日視頻截圖：被美海軍激光炮擊毀的無人快艇MLD開發(fā)人員指出，MLD和其它激光武器除了可以攻擊海上目標(biāo)，還可以打擊飛機(jī)或岸上目標(biāo)。去年7月，美國海軍便在同一試射地點首次試射艦載激光炮，在2英里外擊中4架時速300英里的無人機(jī)。MLD甚至可以攻擊巡航導(dǎo)彈，但所需能量將達(dá)數(shù)百千瓦。

第四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日在密集陣基礎(chǔ)上發(fā)展的”百人隊長“激光器，但美國海軍激光武器計劃繁多，尚未清楚此次海上擊毀快艇試驗的激光器源于哪個項目。第五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日每秒射穿6米鋼材料

除了MLD等固體電子激光器，美國軍方同時研發(fā)以自由電子激光器(FEL)技術(shù)作為激光武器。FEL不需任何激光介質(zhì)，就能產(chǎn)生千瓦級能量。美軍2月曾測試FEL激光炮，成功利用50萬伏特電壓制造電子束，每秒能射穿20呎(約6米)的鋼材料。

分析認(rèn)為，F(xiàn)EL比MLD更靈活，但海軍預(yù)計最快要到本世紀(jì)20年代才能正式推出以兆瓦(MW)為單位的FEL武器。此外，海軍也正在研發(fā)電磁道道炮，但要到2025年才能推出。第六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日內(nèi)容提要連續(xù)或長脈沖激光器的輸出功率短脈沖激光器的輸出功率馳豫振蕩效應(yīng)LD的基本知識不同的泵浦方式第七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日（一）激光器穩(wěn)態(tài)工作的建立如果腔內(nèi)某一振蕩模式的頻率為q，開始時，由于,腔內(nèi)光強(qiáng)Iq逐漸增加，同時由于飽和效應(yīng)，g(q,Iq)將隨Iq的增加而減少，但只要g(q,Iq)仍比gt大，這一過程就將繼續(xù)下去，即Iq繼續(xù)增加，g(q,Iq)不斷減小，直到,增益和損耗達(dá)到平衡，Iq不再增加。這時，激光器建立了穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)g0()>gt時，dNl/dt>0，腔內(nèi)光強(qiáng)不斷增加。無限增加?第八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)外界激發(fā)作用增強(qiáng)時，小信號增益系數(shù)g0()增大，此時Iq必須增大到一個更大的值才能使g(q,Iq)降低到gt并建立起穩(wěn)定工作狀態(tài)，因此激光器的輸出功率增加。穩(wěn)態(tài)工作時的大信號增益系數(shù)總是等于gt

。結(jié)論：在一定的激發(fā)速率下，即當(dāng)g0()一定時，激光器的輸出功率保持恒定；當(dāng)外界激發(fā)增強(qiáng)時，輸出功率隨之上升，但在一個新的水平上保持恒定。第九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日（二）連續(xù)或長脈沖激光器的輸出功率1、均勻加寬單模激光器??腔內(nèi)平均光強(qiáng)Iq

在駐波型激光器中，腔內(nèi)存在著沿腔軸方向傳播的光I+和反方向傳播的光I-，二者同時參與飽和作用如果T<<1，穩(wěn)態(tài)工作時增益系數(shù)也很小，近似認(rèn)為I+=I-，腔內(nèi)平均光強(qiáng)Iq=2I+。穩(wěn)態(tài)情況下，求得腔內(nèi)平均光強(qiáng)為第十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日??輸出功率設(shè)激光束的有效截面面積為A，則激光器的輸出功率為1）在T<<1時，，a為往返指數(shù)凈損耗因子，通常a<<1。上式改寫為問題：損耗增加，泵浦閾值和輸出功率如何變化？第十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2）光泵激光器

Pp及Ppt分別為工作物質(zhì)吸收的泵浦功率及閾值吸收泵浦功率，S為工作物質(zhì)橫截面面積s稱為斜率效率結(jié)論：一旦激光器確定了，斜率效率就確定了；輸出功率隨泵浦功率線性增加。問題：輸出功率與泵浦功率、損耗、工作物質(zhì)長度有什么樣的關(guān)系？耦合系數(shù)：0=T0/2第十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日3）最佳透射率及功率輸出功率和反射鏡的透射率T有關(guān)。當(dāng)T增大時，一方面提高了透射光的比例，有利于提高輸出功率，同時又使閾值增加，從而導(dǎo)致腔內(nèi)光強(qiáng)的下降。在透射率T<<1時，令dP/dT=0，求出最佳透過率Tm最佳輸出功率第十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日（三）短脈沖激光器的輸出能量Ep及Ept分別為工作物質(zhì)吸收的泵浦能量及閾值泵浦能量，s稱為斜率效率腔內(nèi)光能部分變?yōu)闊o用損耗，部分經(jīng)輸出反射鏡輸出到腔外。設(shè)諧振腔由一面全反射鏡和一面透射率為T的輸出反射鏡組成，則輸出能量為第十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日小結(jié)：均勻加寬單模激光器輸出功率：T<<1輸出最佳透過率光泵情況：非均勻加寬單模激光器輸出功率：蘭姆凹陷短脈沖激光器的輸出能量：第十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日一般固體脈沖激光器所輸出的并不是一個平滑的光脈沖，而是寬度只有微秒數(shù)量級的短脈沖序列，即所謂的“尖峰”序列。激勵越強(qiáng)，短脈沖之間的時間間隔越小。這種現(xiàn)象稱作弛豫振蕩效應(yīng)或尖峰振蕩效應(yīng)。四弛豫振蕩(relaxationoscillation)1、概念第十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日第十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日腔內(nèi)光子數(shù)密度及反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度隨時間的變化

1234第十八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日

在脈沖泵浦源的作用下，反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度和腔內(nèi)光子數(shù)密度處于劇烈的變化之中。當(dāng)，開始產(chǎn)生激光，受激輻射將使腔內(nèi)光子數(shù)急劇增加并達(dá)到極值。與此同時又消耗了大量高能級粒子，致使，由于腔內(nèi)增益小于損耗，光子數(shù)減少而形成一個尖峰。這種過程在脈沖泵浦持續(xù)作用時間內(nèi)反復(fù)出現(xiàn)，構(gòu)成一個尖峰脈沖序列。泵浦功率越大，尖峰形成越快，尖峰的時間間隔越小。2、定性物理解釋第十九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日第二十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日第二十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日第二十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日激光二極管一、概述二、基本結(jié)構(gòu)三、二極管線陣和陣列條五、光譜特性第二十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日一、概述光譜窄，與工作物質(zhì)吸收帶匹配可提高效率，減輕熱效應(yīng)結(jié)構(gòu)緊湊壽命長，連續(xù)>10E4h，脈沖>10E9次波長630～680nmAlGaInP770～990nmGaAlAs900～1000nmInGaAs模塊化價格高第二十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日基本結(jié)構(gòu)第二十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日三、二極管線陣和陣列條—線陣第二十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日陣列條第二十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日面陣封裝第二十八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日光纖耦合半導(dǎo)體激光器第二十九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日此LD陣列上有10個bar條，每個bar條長10mm。bar條間距1.6mm。10個bar條共寬16mm。慢軸（10mm）方向的發(fā)散角為10o，快軸發(fā)散角40o，第三十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日光譜與重復(fù)頻率、電流關(guān)系第三十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日二極管激光泵浦耦合技術(shù)一、泵浦方式1、端面泵浦2、側(cè)面泵浦3、基于內(nèi)反射的泵浦構(gòu)型二、耦合光學(xué)系統(tǒng)第三十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日一、泵浦方式——1端面泵浦第三十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2側(cè)面泵浦第三十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日3基