【文章內容簡介】 所以dmin=100mm，當d=f時，ω01有最大值，在df,df時，對應ω01的值應相等。棒上基模光斑半徑及模體積圖32 中棒長lrod=120mm, 則主面位置h=lrod/2n=33mm,λ=λ0/n, n=,棒的主平面上基模光斑半徑ω0L化簡為 (38)在穩(wěn)區(qū)內取不同d值，求得相應主平面上的基模光斑半徑ω0L。同樣，棒端面上的基模光斑半徑ω可由下式求出 (39)取不同d值，求出相應的ω這樣棒上基模光束的模體積V (310)可以發(fā)現(xiàn)，隨著d的增加，腔長相應地增加，而模體積增加。 脈沖激光器最佳透射率脈沖激光器同連續(xù)激光器一樣存在一個最侍透射率Tm，當T=Tm時輸出能量和功率最大。對于四能級系統(tǒng)激光短脈沖激勵時的輸出能量為 (311)，T為透射率，a為諧振腔往返凈損耗率。為非輻射躍遷的量子效率式中 (312)閾值反轉粒子數(shù)密度， (313)為推導方便，引進變量s,令，則 (314) (315)式中為T=0時工作物質吸收的閾值泵浦能量， (316)將E對s求導，根據(jù)極大值條件，可求出能量最大時s的最佳值sm. (317)所以 (318)對于長脈沖激勵時的最佳透射率為 (319) (320)一般聲光脈沖激光器的輸出鏡透過率很難用解析式計算，我們采用實驗的方法確定。，50kHz脈沖列的重復頻率調制條件下，分別用反射率為20%、37%、43%、50%、64%、70%、78%、90%的輸出鏡進行實驗，測量輸出脈沖的能量，結果如圖33，從圖中可看出激光諧振腔輸出鏡M2的最佳反射率是64%。脈沖輸出能量( mJ)透射率 %圖33 輸出鏡透射率與輸出能量的關系fig 33elation between transmissivity of output mirror and output enery從泵浦光源發(fā)出的輻射能傳輸?shù)郊す夤ぷ魑镔|上的效率,在很大程度上決定了激光系統(tǒng)的總效率,聚光腔除了給泵浦光源和工作物質之間提供良好耦合之外,還決定激光物質上泵浦光密度的分布,從而影響到輸出光束的均勻性、發(fā)散度和光學畸變。由于激光工作物質和泵浦燈都安裝在聚光腔內，合理設計聚光腔是決定固體激光器工作性能的重要條件之一。我們采用在側面泵浦系統(tǒng)，即在內表面具有高反射率橢圓柱體內，激光棒和泵浦燈分別配置在橢圓柱的兩條焦線上。由橢圓的一個焦點發(fā)出的光將反射到另一個焦點。因此，橢圓腔中的能量傳遞，是從一條焦線上的直管光源傳輸?shù)搅硪粭l焦線上的棒狀吸收體。橢圓柱兩端各用一塊高反射率端板封住，兩個端板是互相平行的。這使橢圓柱在光學上等效為無限長。能量轉換特性(1)理論耦合效率從光源傳遞給激光棒的總能量，可通過下式近似計算：式中，是聚光腔的幾何傳遞系數(shù)，它是計算泵浦燈發(fā)出的光直接射到和由腔壁反射到激光棒上的百分比；是聚光腔的光學效率，基本上反映了系統(tǒng)中全部損耗的影響大小，該參數(shù)由下式表示：式中，是腔壁對泵浦光的反射率； 是激光棒表面和玻璃冷卻液表面的反射損耗，以及在腔內插入的任何濾光片的菲涅耳損耗；a是燈和激光棒之間的光學介質（冷卻液）中的吸收損耗；f為腔的非反射面積與總的內表面積之比。該參數(shù)表示由于在聚光腔上開孔所引起的損耗。在直管燈和有棒放在橢圓柱腔的焦點上的結構中，泵浦源通常認為是具有朗伯輻射型的圓柱形輻射體，即這種光源從任何點上觀察它時，在橫斷面上的亮度都是一樣的。2a2c2b2rR2rL燈棒θP0θ0α0lLlR圖34 聚光腔腔形fig 34 the shape of prefocus cavity通常意義的成像對于橢圓柱腔來說是不適用的，因為從泵浦源某點以不同方向輻射的光線經(jīng)腔內反射后聚在不同的點上。在聚光腔中，實際需要的是將泵浦源的所有輻射能轉換給激光棒。鑒于上述考慮，顯然采用高反射平面反射鏡封住圓柱腔的兩端，才能滿意地得到無限長的橢圓聚光腔。因此，對這種裝置的分析，可以認為光分布在垂直于橢圓柱腔縱軸的平面上而作為二維情況處理。在計算橢圓結構效率的理論表達式中，泵浦系統(tǒng)通常以棒與燈半徑之比rR/rL,燈的半徑與橢圓長半徑之比rL./a,偏心率e=c/a來表示，其中2c是焦點間距。如圖所示，設腔表面上任意點P0, 它距晶體lR,距燈lL, 設燈的半徑為rL,由于反射角恒定的結果，經(jīng)反射的像的半徑成為Rl=rLlR/lL.。這意味著橢圓反射器靠近燈的那部分在激光棒上形成一個放大的燈像，而在靠近晶體棒那部分在激光棒上形成一個縮小了燈像。與P0點相應角a0和θ0是分別從燈和棒的軸線處測量的，P0點可用來區(qū)分放大和縮小區(qū)，在P0這點上，橢圓產(chǎn)生的燈像，恰好充滿晶體的直徑。在偏心率e=c/a。焦點間距c=(a2b2)1/2確定晶體棒吸收了多少能量時，必須考慮有這種放大和縮小效應，根據(jù)橢圓的特性和在點P0，lR/lL=ra/rL,得 (321)和 (322)該聚光腔的幾何轉換系數(shù)，可通過計算燈輻射能在燈轉給晶體張角內的那部分能量得到，對所有張角積分便導出下式： (323)該表達式示于圖，燈后面的一部分反射面被燈本身遮擋。若假定返回泵浦源的輻射失掉，則應在上式中將θ0減去θ1，這里 (324) (325)轉換效率/%.rR/rLe= 圖35 橢圓腔聚光腔的轉換效率與Rr/rL和離心率e這間的關系曲線fig 34 the relation curve among the elliptical prefocus cavity’s transfer efficiency , Rr/rL and the eccentricity由圖35中可以看出，轉換效率隨rR/rL的增加而增加，并隨偏心率e的減小而增加，即泵浦源的放大率隨橢圓的偏心率增大，因此，用幾乎是圓形的聚光腔,盡可能細的泵浦燈，可以獲得最好的轉換效率。在設計聚光腔時,我們按下式確定棒和泵浦源之間的最小間距,(326)式中,.橢圓的長軸為 (327)S2為棒和燈裝配件距橢圓表面的間隙.短軸為 (328),AlAgCuAu反射率波長/181。m圖36 聚光腔常用金屬的反射率與波長的關系fig 36 the relation between the wave length and the reflectivity of the metal which was used in the prefocus cavitycavity andNd:YAG的基本泵浦帶是730760nm及790820nm選用脈沖氙燈作為泵浦源,燈的充氣壓為4104Pa,能將40%60%的輸入電能轉換成光輻射.對于固體激光器而言,輸入的總能量中只有少部分轉變?yōu)榧す廨敵?:泵浦帶和激光上能級間的能量差以熱的形式散逸到基質中,引起的量子虧損熱。激光下能級和基態(tài)間的能量差產(chǎn)生熱耗散。在激光躍遷內的熒光過程的量子效率小于1,因淬滅機制產(chǎn)生熱。泵浦燈的寬帶泵浦光中,分布在紫外和紅外譜帶的成分被基質吸收后轉變成熱.脈沖工作時棒狀固體激光器的瞬態(tài)溫度分布T(t,r)和熱焦距f.有體熱源(單位時間注入單位體積內熱量Q≠0,)單脈沖泵浦: [0,t] (329) [t, tp] (330) [0,t] (331) [t, tp] (332)周期性泵浦[0,Δt] (334)[Δt,tp] (335)[0,Δt] (336)[Δt,tp] (337)對脈沖固體激光器的熱效應物理上可作如下定性理解：在單脈沖泵浦下，激光棒受熱形變的溫度分布是一個隨時間變化的瞬態(tài)過程。泵浦光脈寬很寬，為毫秒或微秒量級，而激光棒溫度上升速率比冷卻散熱溫度下降速率快得多。在泵浦時間里棒內溫度快速上升到最大值，光泵浦結束后，溫度緩慢地恢復到熱平衡分布。在泵浦加熱段，棒內溫度度均勻升高，泵浦結束后的冷卻段，由于棒邊緣冷卻得比中心快，出現(xiàn)拋物線溫度分布，并以一定的時間τ常數(shù)衰減。在重復頻率周期性光脈沖泵浦下，激光棒內的溫度分布主要決定于脈沖周期tp與激光棒熱弛豫時間τ之比。當tpτ,即低重復頻率工作時，下一泵浦脈沖開始前，激光棒內溫度分布已達常溫熱平衡態(tài)，后一泵浦脈沖產(chǎn)生棒內溫度分布不受前面的影響，與單脈沖泵浦時類似。當tp=τ時，在脈沖之間，剩余溫度分布尚存在，泵浦引起的初始溫度變?yōu)槁猿蕭佄锞€的分布，但當泵浦頻率提高，使tp〈τ時，泵浦脈沖殘存溫度分布基礎上疊加而產(chǎn)生新的溫度分布。重復頻率泵清脈沖的作用使溫升不斷積累，當泵浦脈沖數(shù)足夠大時，接近穩(wěn)態(tài)溫度分布，即連續(xù)泵浦。冷卻和濾光可以消除一部分熱效應，補償熱致力雙折射和退偏效應的基本原理是使沿棒的徑向和切向偏振分量的光通過棒和光學元件后有相同的相位延遲，這可用偏振旋轉方法來實現(xiàn),[10,11,13,16]即在一個激光振蕩器中有兩根性能相同的相位延遲，可在兩根棒中間放置一個90度石英偏振分旋轉器。石英旋轉器將激光電場的兩個分量都作90度旋轉，于是在第一根棒中沿徑向偏振分量振分量將在第二根棒中沿切向偏振，因此在第一根棒中引起的相位差被第二根棒所抵消。對單棒工作激光振蕩器，在棒與后反射鏡間置一個λ/8波片，也可獲90度的偏轉，如圖37所示。rod1rod2Quartz rotatorM1M2rodQuartz rotatorM1M2(A)(B)圖37 采用旋光片消除雙折射示意圖fig 37 sketch of pensation with the quartz rotator脈沖激光電源系統(tǒng)主回路包括充電電路、儲能電路、觸發(fā)電路及預燃電路、操作與控制電路等。原理方框圖。交流電源儲能放電電路燈充電電路控制電路觸發(fā)電路預燃電路圖38 脈沖固體激光器電源系統(tǒng)的方框圖fig 38 block diagram of power supply for the pulse laser電路工作原理是：當觸發(fā)電路給氙燈提供一個高壓觸發(fā)脈沖時，燈內氣體擊穿，進擴低阻狀態(tài)。儲能元件中的電能通過燈放電。適當設計儲能電路及放電電路的形式，使放電脈沖具有所希望的波形。當采用預燃技術，燈觸發(fā)后，預燃電路為燈提供一小電流，使燈維持導通狀態(tài)，脈沖放電靠放電回路中串入放電開關控制。充電電路在儲能網(wǎng)絡不放電時工作，為儲能網(wǎng)絡輸送電能；控制與操和回路為以上各電路提供正常、協(xié)調的工作，并提供各種安全、保護功能。脈沖激光器泵浦每次放電持續(xù)時間短,約為幾十微秒至幾十毫秒,但放電能量大,最大可至數(shù)千焦耳,脈沖放電功率高達兆瓦,目前,從代平均功率的充電路中得到并積累所需的電能,再由儲能元件將能量傳送至燈,獲得所需的脈沖功率,常用的儲能元件是電容器,大小為C的電容器充電至電壓U0時,儲能的電場能E0為: (338)作為儲能元件的電容器,由高壓電源提供給定電壓,高壓電源向電容充電至某給定電壓值,當IGBT開通時,管壓降可以忽略,且放電是電容C和燈電阻R組成的RC放電回路.從燈的伏安特性知,U=K0I1/2,K0為為燈的電阻系數(shù),在脈沖持續(xù)期間,放電的功率為 (339)式中,E為單次脈沖能量(J)。t為脈沖持續(xù)時間(s)。Im,U為放電電流和電壓(V),從上式得:放電單脈沖能量為 (340)放電峰值電流為 (341)放電電壓為 (342)電流有效值為 (343)式中,T是脈沖周期(s)平均電流為Iv=CUpf=Imtf,Up為電壓下跌值.電壓控制 脈寬控制高壓電源驅動電路D續(xù)流二極管燈線燈圖39 電容放電示意圖fig 39 sketch of capacity discharge在固體激光電源系中,儲能網(wǎng)絡的主要元件是電容,在充電初始階段UC=0,電容器相當于短路,當電容上電壓接近于電源電壓時,電容器相當于開路,又要能按一定的頻率要求給儲能網(wǎng)絡傳送某一確定能量.開關型充電電路開關型充電路原理圖如下,電網(wǎng)電壓直接整流濾波開關供電,Q3,Q4組成全橋逆變電路,將直流電壓Udc逆變成高頻(20100kHz)方波電壓,即可獲得穩(wěn)定的高壓輸出. ,Q3, Q1,Q4導通,Udc通過Q1,變壓器原邊NP,Q4形成如圖所示變壓器原邊的上半周期, Q1,Q4關斷后,在開關頻率的下半個周期Q2,Q3導通,Udc通過Q3,NP,Q4和Q2,Q3的開通時間在整個半周期中的占空比,則需在輸出回路中加上電量傳感器,Q3,Q4的反饋控制,可以達到負載變5%10%時輸出不明顯變化.ABD1D2D3D4C1C2UdcQ3Q4Q1Q2CbNp