光电子技术 (2)( 激光器件 )

1. 3 固体激光器的光泵浦系统 光电子技术(2)(激光器件)

2. 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

3. 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

4. 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

5. （2）结构 管壁 电极 接头 气体

6. （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。

7. （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

8. 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

9. 脉冲灯的伏安特性曲线

10. 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

11. 闪光灯的等效电阻 • 等离子体电阻系数K • 电阻率 • 等效电阻 灯阻系数

12. 连续灯的伏安特性曲线

13. 脉冲灯的光输出波形

14. 3.1.3 惰性气体灯的输出特性及效率 • 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

15. 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。

16. 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。

17. 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。

18. 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

19. 最佳电流密度

20. 氙灯与氪灯的选择

21. 4. 灯管内径 • 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。

22. 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。

23. 三、氙灯辐射光谱的拟合 待求

24. 温度的经验公式 充气压强 （千分之一大气压 1.33E2Pa） 氙灯 直径 （cm） 电流密度（KAcm－2） 绝对温度

25. 吸收（发射）系数 分立谱 宽带连续谱

26. 2.37E-2cm-1 1.5E-3cm-1 0.300um 0.330um 0.700um 0.140um 连续谱和分立谱的吸收（发射）系数 见P62

27. 氙灯辐射谱强度 对角度平均的辐射函数 见P62 Trenholme-Emmett 扩展多项式

28. 氙灯辐射谱的拟合曲线 d=15mm p=4.05E4Pa Pin=20.1KWcm-2 9200K

29. 辐射功率

30. 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

31. 着火电压和自闪电压

32. 影响着火电压和自闪电压的因素 • 充气电压 • 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） 极间距 充气压

33. 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 • 冲击波 • 等离子体的雪崩扩张，产生冲击波，冲击波强度正比于输入功率，且随灯压增高而增大，当冲击波超出管壁极限时引起灯管爆炸。

34. 氙灯的爆炸能量与寿命 单位cm 单位s

35. 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

36. 习题1 某厂家脉冲氙灯参数如下： 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？

37. 3.1.5 惰性气体灯的触发和预燃 内触发

38. 内触发

39. 外触发

40. 预燃电路

41. 预燃电路

42. 类预燃电路

43. 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

44. 一、充电电路——电阻限流

45. 谐振充电

46. 谐振充电 过阻尼 临界阻尼 衰减振荡

47. 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 过阻尼

48. 衰减振荡解

49. 谐振充电 Vc i（t） π/ωd

50. 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？