3 固体激光器的光泵浦系统

Trenholme-Emmett 扩展多项式
27
见P62
氙灯辐射谱的拟合曲线
d=15mm
9200K
p=4.05E4Pa Pin=20.1KWcm-2
28
辐射功率
P out P uv P vis P ir
P uv 0.174 j
2.07
d
1.31
p
0.2
2 P 0.958exp(1.11ln j 0.094ln j 0.60ln d 0.080ln p) ir
单位s
Eex 8.5 寿命 ( ) Ein
34
氙灯的散热功率
液冷下石英管散热功率
最大300～400Wcm－2 保守值使用值50～100Wcm－2
35
习题1
某厂家脉冲氙灯参数如下：
内径d
极间 距l 150m m
Φ7mm
灯阻系数 最大 K0 平均 功率 28.5ΩA1/ 6597 2 W
2
25
连续谱和分立谱的吸收（发射）系数
λ λ1 2 λ λ2 2 αc α1 exp[( ) ] α2 exp[( ) ] ω1 ω2
2.37E-2cm-1 0.330um 0.700um 1.5E-3cm-1 0.140um 0.300um
αl αn g n ( λ, λn 0 )
3
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
（2）结构
管壁 电极 接头 气体
5
（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 为可见光。
1 2 WR i Rdt CV0 2 0
2

44
谐振充电
di L Ri idt V0 dt 0
1 Lα Rα 0 C
2
t
d 2i di i L 2 R 0 dt dt C
R R2 1 2 2 特征根: α1， δ δ ω 2 0 2 2L 4L LC
过阻尼
47
衰减振荡解
L 当R < 2 , δ ω0 C
V0 δt i (t ) e sin(ωd t ) Lωd
2 ωd ω0 δ2
α1,2 δ jωd
δ δt VC V0 1 e cos(ωd t ) sin(ωd t ) ωd
n 1
20
见P62
26
氙灯辐射谱强度
I (T , λ) I BB (T , λ)F[α( λ), d ]
对角度平均的辐 射函数
9 n an x , x 5.0 n 1 F ( x) 3 1 c ( 1 )n , x 5.0 n n 1 x
氙灯 直径 （cm） 充气压强 （千分之一大气 压 1.33E2Pa）
电流密度 （KAcm－2）
T 9300 j
绝对温度
0.18
d
0.092
p
0.017
24
吸收（发射）系数
宽带连续谱
分立谱
α( λ) [αc ( λ) αl ( λ)]M ( j, d , p)
M ( j, d , p) exp(1.57ln j 0.071ln j 0.19ln d 0.46ln p)
32
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 33
氙灯的爆炸能量与寿命
Eex 1.2 10 ld t p
4
单位cm
6
（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
P (t ) PN 2 VC z0
59
电容、电感放电网络参数设计
一般给定输入能量，闪光时间，灯参数， 取α=0.8 求：L，C，Vc
2 Einα T C ( ) 4 K0
1 E in CVC2 2
4
2 1 3
闪光时间
T LC
60
T0 2.2T
电容、电感放电网络参数设计举例
给定：输入能量Ein=100j，闪光时间T0=100us， α=0.8，氙灯Φ5×60mm2，K’=1.3ΩA1/2 求：充电电压Vc，电感L，电容C。 解：C=140uF Vc=1200V L=15uh 对于Vc=1600V， α≈0.7，可以接受
16
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。
17
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
18
最佳电流密度
19
氙灯与氪灯的选择
20
4. 灯管内径
7
3.1.2惰性气体灯的放电过程 连续弧光灯——灯管内惰性气体可以 工作在比较稳定的弧光放电状态
脉冲灯——灯管内气体工作在一个随 时间急剧变化的放电过程中，发光犹 如闪电，又称闪光灯。 脉冲灯的伏安特性曲线
8
脉冲灯的伏安特性曲线
9
脉冲灯的伏安特性曲线
触发段
负阻段
类稳放电段 消电离段
10
闪光灯的等效电阻
V0 i (t ) (
t R eq C
Req
)e
V P (t ) i 2 (t ) Req ( 0
电流脉宽
2

2t R eq C
Req
)e
Ti ReqC TP Req C 2
适用于 T0>50us
功率脉宽
实验得到的闪光时间
T0 (0.5 ~ 0.7)ReqC
56
纯电容放电 峰值电流：
最大 工作电压 峰值 电流 1400 900~3150 A V
最小触发 电压 18KV,1.2u s
试计算，当闪光时间tp＝1.6ms，输入能量Ein＝1KJ时，灯寿 命和最高重复频率？
36
3.1.5 惰性气体灯的触发和预燃
内触发
37
内触发
38
外触发
39
预燃电路
40
预燃电路
41
类预燃电路
Pvis I (T , λ)Sdλ
0
29

3.1.4惰性气体灯的技术参数及寿命
着火电压 自闪电压 触发电压 极限负载能力 工作寿命
30
着火电压和自闪电压
31
影响着火电压和自闪电压的因素
充气电压
极间距 充气压
V火 V0 kl p
电极形状和材料 形状——电极尖，电压低。 材料——电极材料电荷发射性好，电压低。 气体纯度 少量杂质气体可使电压显著增加。 电极和管壁溅射，降低气体纯度。 触发强度 触发电压，触发频率，触发方式（内，外）
光电子技术 精品课程
3
固体激光器的光 泵浦系统
光电子技术(2)(激光器件)
3 固体激光器的光泵浦系统 3.1 惰性气体放电灯 3.2 激光二极管 3.3 聚光腔 3.4 二极管激光泵浦耦 合技术
2
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
R K0i

1 2
di 1 L K 0 i i dt C

1 2
idt V
0
t
C
归一化方程
L z0 T LC 归一化 C iz0 K0 t τ IN α T VC VC z0
1 dI N αI N2 I N dτ 1 dτ 0
58
τ
电容、电感放电网络
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。
21
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。
忽略放电上升时间
2 2 V K V C im i (t 0) 0 C K , Req 0 i (0) VC
纯电容放电的特点：
放电电流和功率上升快，峰值高，对灯 冲击大 放电脉冲窄，放电时间正比于电容 衰减曲线尾部时间长，光能利用率低
57
单网孔脉冲成形网络—电容、Βιβλιοθήκη Baidu感放电网络
等离子体电阻系数K
1 2
( j ) Kj 电阻率

1 1 1 l l 2 K l R ρ Kj 2 2 i 2 K0i 2 等效电阻 S πd 4 π d
K ' 1.3ΩΑ
11
1 2
灯阻系数
连续灯的伏安特性曲线
12
脉冲灯的光输出波形
13
3.1.3 惰性气体灯的输出特性及效率
22
三、氙灯辐射光谱的拟合
基尔霍夫定律： I (T , λ) I BB (T , λ) α ( λ) I (T , λ) [1 e
2πhc 2 1 I BB (T , λ) 5 hc kλT λ e 1
α ( λ )l
]I BB (T , λ)
待求
23
温度的经验公式
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
14
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。
48
谐振充电
Vc
V0 (1 e )
δt
i（ t）
π/ωd
V0 (1 e )
49
δt
习题2
一RLC谐振充电电路， 已知：V0=1KV,ω0=1KHz，C=100uF, 求:（1）R在2～10Ω范围内调节时，充电电 压的调节范围是多少？ （2）R在多少Ω以下才能实现谐振充电？
50
开关电源 开关电源的特点：
R δ 2L
α2t
ω0
1
LC
通解：i(t ) C1e C2e
α1t
45
谐振充电
L (1)δ ω0 R 2 C
L (2)δ ω0 R 2 C
过阻尼
临界阻尼
L (3)δ ω0 R 2 C
衰减振荡
46
谐振充电
电容电压
衰减振荡
临界
过阻尼
衰减振荡
临界
充电电流
15
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。
42
3.1.6 氙灯的充放电系统
一、充电电路 电阻限流 谐振充电 开关电源 二、放电电路 纯电容放电 单网孔脉冲成形网络 仿真线脉冲成形网络 斩波电路
43
一、充电电路——电阻限流
t τ V V (1 e ), τ RC c 0 t V i 0e τ R
1、损耗小 2、体积小 3、控制灵活
开关电源主要开关器件
SCR、GTR、MOSFET、IGBT、三极 管……
51
基于开关电源的激光器电源
连续激光电源
包括恒流源、恒压源
脉冲激光电源
电容充电电源
52
开关式电容充电电源
53
半桥电路
54
全桥电路
55
二、放电电路——纯电容放电