激光器泵浦灯

激光器泵浦灯3

杜秀兰

(电子工业部第五十三研究所　锦州　121000)

摘　要　本文详细介绍了两种固体激光器最常用的泵浦灯—脉冲氙灯和连续氪灯的种类、结构、三种封接形式的优缺点与抗冲击性能、发射光谱、效率、寿命等特性,提出了提高泵浦灯效率及寿命的方法。

关键词　激光器泵浦灯　脉冲氙灯　连续氪灯　封接　效率　寿命

1　序言

固体激光器可以用很多方法来泵浦,例如灯的辐射、太阳光的辐射、惰性气体中的击波发光、电子激发发光等等。在这些方法中,要属泵浦灯最为成熟,应用最广。其原因是:第一,制作工艺较为简单,使用方便;第二,适用范围广,能在脉冲或连续状态下工作。脉冲运转的激光器通常采用脉冲氙灯,而连续输出的激光器则采用连续氪灯。本文主要介绍泵浦固体激光器最常用的脉冲氙灯和连续氪灯。

2　种类和结构

脉冲氙灯又叫闪光灯,能在极短的时间内发出强光,象闪电一样一闪而过,是目前除激光器外最亮的光源。脉冲氙灯的管壁厚约1—1.5mm,内径为5—10mm,通常灯内充入200—400mmHg的氙气。脉冲氙灯虽有许多形状和尺寸,但类型只有两种———管形和球形。管形包括螺旋形、环形、U形、π形和直管形。直管形脉冲氙灯基本由玻璃或石英外壳、电极、安装灯头组成,如图1所示。

图1　直管形脉冲氙灯结构

连续氪灯通常用优质石英管制成,管壁的厚度比同尺寸的脉冲氙灯薄一些(为的是减小管壁温度梯度和热应力),一般不超过1mm。小型氪灯充气压为3—4atm,大型氪灯的充气压为2.5-3atm。氪灯的形状一般是直管形。

泵浦灯的灯管可以由在紫外光谱区透过的石英玻璃制成,也可以由掺氧化铈和氧化3　收稿日期:1998-05-18

钛的合金石英玻璃制成,在350—380nm的紫外辐射基本上被管壁吸收掉,并产生400—500nm的荧光转换。

阴极是泵浦灯的一个重要部件,它对灯的性能(特别是寿命)起着决定性影响。大多数灯的损坏都是因阴极性能变劣和失效而引起的。阴极的特性主要取决于它所采用的电子发射材料,常采用高熔点、高电子发射率、不易溅射的钍钨、钡钨和铈钨材料制成。国外一般都使用浸渍钡化合物的多孔钨作为阴极材料,阴极的工作头与硬钨支架用镍焊料焊在一起。俄罗斯生产泵浦灯的阴极有掺有氧化钍和氧化钇的钨阴极,也有掺钡化合物的钨阴极。

3　封接形式与抗冲击性能

泵浦灯的使用性能首先是由工艺水平和使用结构材料的质量所决定。泵浦灯的制作关键是石英管与钨杆的封接,封接形式直接影响灯管的抗冲击性能。目前有三种封接形式:逐级过渡封接,钼箔气泡封接,帽罩钎焊封接。

3.1　逐级过渡封接

是指从石英管到钨杆之间用几种膨胀系数不同的过渡玻璃以实现钨杆与石英管的封接。由于截面积小,封接热稳定性较差,在封接处温度一般不宜超过200℃,自然冷却管壁负载仅为0.5—1W/cm2。这种封接方式只适合于小能量、低重复频率状态下工作,在单次输入能量大、重复频率高的状态下不适用,而这些正是高科技军事工业所需的。

目前国外普通采用只有1—2道过渡的高温钨石英热扩散封接,这种工艺作的灯具有大的导电体截面积,无电焊连接点,零件数目少,封接区长度短(5mm左右),外观规整等优点。灯性能稳定可靠,封接处可承受600—800℃的高温而不致炸裂。不仅可在较高的重复频率和较大的单次输入能量状态下工作,而且可耐大电流冲击和温度冲击。

3.2　钼箔气泡封接

在封接部位的石英玻管内放一段与钼箔长度相当的石英气泡,气泡直径与石英玻管内径的间隙很小,钼箔上开槽增大封接面积,边缘腐蚀成刀口状,中间厚两边薄,以便于封接。分为带状和环形钼箔气泡封接两种。这种封接方式作的灯机械强度高,结构牢靠,电极散热条件好,耐振动抗冲击。可在低电流密度、较高的重复频率状态下工作,多数情况下需水冷。除大能量脉冲氙灯外,大部分固体激光器用泵浦灯均可以此法制作。德国OSRAM公司生产了一系列连续氪灯,使用了带状钼箔封接。俄罗斯生产的大部分泵浦灯都采用环形钼箔封接。

3.3　帽罩钎焊封接

用铅或银铜焊料封接成,适用于极高功率和大电流下工作,耐冲击状况也较好。俄罗斯生产的小部分泵浦灯是帽罩钎焊封接。

4　发射光谱

泵浦灯的发射光谱取决于电流密度。当电流密度增加时,光谱能量分布的重心移向短波段,且连续谱的增加比线状谱快,逐渐遮盖了线光谱。因此,产生越来越强的短波辐射。在紫外和可见区连续谱占优势,在800nm附近有较强的光谱线。线性光谱在低电流

密度下红外较强,在高电流密度下显得不明显。另外,脉冲氙灯的光谱能量分布还与储能电容器上的电压和电容有关。电压升高,向短波方向移动,电压降低,向长波方向移动。电容的大小可以改变输出光强。

连续氪灯的发射光谱呈现强烈的线状光谱,连续谱区的峰值强度比线光谱小几个数量级,这主要是因为在连续工作时,电流密度低。氪灯的发射光谱主要集中在760nm和810nm附近,与Nd3+:YA G激光晶体的两个吸收峰(位置在0.7μm和0.8μm)有比较好的光谱匹配。图2给出了氪灯(实线)和氙灯(虚线)的光谱特性曲线。

图2　氪灯(实线)和氙灯(虚线)的光谱特性曲线

(氙灯d i=4mm,1=60mm,p0=0.08MPa,C=290μΦ,

U0=700V,L=13μH,τ=250μc,p=0.4MW/cm3)

矩形表示Nd3+:YA G激光晶体的主要吸收带

5　效率

泵浦灯的效率首先取决于电流密度,其次还取决于充入气体种类、充入气体压强和电路设计。随着电流密度的增大,辐射效率由25%提高60%。在电流密度低时,对效率实际起作用的是线性辐射。由图2可知,只是在很窄的红外谱区,氪灯的相对辐射比氙灯强,其余的光谱区氙灯的相对辐射比氪灯强。因为氪灯的线性光谱与Nd3+:YA G激光物质的吸收光谱能更好地匹配,所以在连续或低脉冲状态下,氪气比氙气对泵浦Nd3+: YA G更有效,约有7%的输入功率被吸收。

然而,即使在光谱匹配较好的情况下,由于灯的发射光谱范围宽,而激光材料的吸收带较窄,灯的有用泵浦功率与输入到灯的功率之比,也仅为百分之几。为了改善灯的光谱