光电子技术光电子技术精品课程精品课程

光电子技术光电子技术 (2)((2)( 激光器件激光器件 ))

3 3 固体激光器的光固体激光器的光泵浦系统泵浦系统

2

3 3 固体激光器的光泵浦系统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 3.1 惰性气体灯惰性气体灯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 3.1.1 惰性气体灯的结构与分类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

（（ 22 ）结构）结构

管壁

电极

接头

气体

6

（（ 22 ）结）结构构

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

（（ 22 ）结）结构构

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

3.1.23.1.2 惰性气体灯的放电过惰性气体灯的放电过程程

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脉冲灯的伏安特性曲线

10

脉冲灯的伏安特性曲线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

闪光灯的等效电阻闪光灯的等效电阻等离子体电阻系数 K

电阻率

等效电阻

1

2( )j Kj

1 1 1

2 2 202

2

4

l l K lR ρ Kj i K i

S πd dπ

灯阻系数1

2' 1.3ΩΑK

12

连续灯的伏安特性曲线连续灯的伏安特性曲线

13

脉冲灯的光输出波形脉冲灯的光输出波形

14

3.1.3 3.1.3 惰性气体灯的输出特性及效率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. 2. 充气气压影响充气气压影响

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. 3. 灯电流密度影响灯电流密度影响

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

最佳电流密度最佳电流密度

20

氙灯与氪灯的选择氙灯与氪灯的选择

21

4. 4. 灯管内径灯管内径最佳管径（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. 5. 放电脉宽的影响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

( )

( )( , )

( )

( , ) [1 ] ( , )

BB

α λ lBB

I T λI T λ

α λ

I T λ e I T λ

基尔霍夫定律：,

三、氙灯辐射光谱的拟合三、氙灯辐射光谱的拟合

2

5

2 1( , )

1BB hc kλT

πhcI T λ

λ e

待求

24

温度的经验公式温度的经验公式

0.18 0.092 0.0179300T j d p

电流密度（ KAcm －

2 ）

氙灯直径（ cm ）

绝对温度

充气压强（千分之一大气

压1.33E2Pa ）

25

吸收（发射）系数吸收（发射）系数

( ) [ ( ) ( )] ( , , )c lα λ α λ α λ M j d p

2( , , ) exp(1.57 ln 0.071ln 0.19ln 0.46ln )M j d p j j d p

宽带连续谱 分立谱

26

连续谱和分立谱的吸收（发射）系数连续谱和分立谱的吸收（发射）系数

2 21 21 2

1 2

exp[ ( ) ] exp[ ( ) ]c

λ λ λ λα α α

ω ω

2.37E-2cm-1

1.5E-3cm-1

0.330um

0.700um 0.140um

0.300um

20

01

( , )l n n nn

α α g λ λ

见P62

27

氙灯辐射谱强度氙灯辐射谱强度

( , ) ( , ) [ ( ), ]BBI T λ I T λ F α λ d

9

1

3

1

, 5.0

( )1

1 ( ) , 5.0

nn

n

nn

n

a x x

F x

c xx

见 P62

对角度平均的辐射函数

Trenholme-Emmett 扩展多项式

28

氙灯辐射谱的拟合曲线氙灯辐射谱的拟合曲线

d=15mm

p=4.05E4Pa

Pin=20.1KWcm-2

9200K

29

辐射功率辐射功率

20.958exp(1.11ln 0.094ln 0.60ln 0.080ln )irP j j d p

out uv vis irP P P P

2.07 1.31 0.20.174uvP j d p

0( , )visP I T λ Sdλ

30

3.1.43.1.4 惰性气体灯的技术参数及寿命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着火电压和自闪电压

32

影响着火电压和自闪电压的因素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）

0 V V kl p火

极间距 充气压

33

氙灯的寿命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氙灯的爆炸能量与寿命

41.2 10ex pE ld t

8.5( )ex

in

E

E寿命

单位 s单位 cm

35

氙灯的散热功率氙灯的散热功率

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

习题习题11

内径 d 极间距 l

灯阻系数K0

最大平均功率

最大峰值电流

工作电压 最小触发电压

Φ7mm 150mm

28.5ΩA1/

2

6597W

1400A

900~3150V

18KV,1.2us

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 3.1.5 惰性气体灯的触发和预燃惰性气体灯的触发和预燃

内触发

38

内触发内触发

39

外触发外触发

40

预燃电路预燃电路

41

预燃电路预燃电路

42

类预燃电路类预燃电路

43

3.1.6 3.1.6 氙灯的充放电系统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、充电电路一、充电电路————电阻限流电阻限流

0

0

(1 ),t

τc

t

τ

V V e τ RC

Vi e

R

2 20

0

1

2RW i Rdt CV

45

谐振充电谐振充电

0

0

tdiL Ri idt Vdt

2

20

d i di iL Rdt dt C

2 10Lα Rα

C

22 2

1 2 02

1

2 4

R Rα δ δ ω

L L LC

，:特征根

01ω LC

2

Rδ

L

1 21 2( ) α t α ti t C e C e 通解：

46

谐振充电谐振充电

0(1) 2L

δ ω RC

0(2) 2L

δ ω RC

0(3) 2L

δ ω RC

过阻尼

临界阻尼

衰减振荡

47

谐振充电谐振充电

衰减振荡

临界

过阻尼

电容电压衰减振荡 临界

过阻尼

充电电流

48

衰减振荡解衰减振荡解

0

2 20

1,2

,

d

d

δ ωC

ω ω δ

α δ jω

LR<2当

0

0

( ) sin( )

1 cos( ) sin( )

δtd

d

δtC d d

d

Vi t e ω t

Lω

δV V e ω t ω t

ω

49

谐振充电谐振充电

0 (1 )δtV e

0 (1 )δtV e

i（ t）

Vc

π/ωd

50

习题习题22

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？

51

开关电源 开关电源

开关电源的特点： 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……

52

基于开关电源的激光器电源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

53

开关式电容充电电源开关式电容充电电源

54

半桥电路半桥电路

55

全桥电路全桥电路

56

二、放电电路二、放电电路————纯电容放电纯电容放电R0

22

R2 0

( ) ( )

( ) ( ) ( )

eq

eq

t

C

eq

t

C

eqeq

Vi t eR

VP t i t R eR

2

i eq

eqP

T R C

R CT

0 (0.5 ~ 0.7) eqT R C

电流脉宽

功率脉宽

实验得到的闪光时间

适用于T0>50us

57

纯电容放电纯电容放电

峰值电流：

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

2 20

0( 0) ,

(0)

CCm eq

C

V KVi i t RK i V

忽略放电上升时间

58

单网孔脉冲成形网络单网孔脉冲成形网络——电容、电感放电网络电容、电感放电网络

1

20 0

1 t

C

diL K i i idt Vdt C

归一化

归一化方程

0

0 0

0

NC C

Lz T LC

Ciz Kt

τ I αT V V z

12

0

1τ

NN N

dIαI I dτ

dτ

1

20R K i

59

电容、电感放电网络电容、电感放电网络

20

( )N

C

P tP

V z

60

电容、电感放电网络参数设计电容、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

14 23

40

2( )inE α T

CK

21

2in CE CV

T LC 0 2.2T T

闪光时间

61

电容、电感放电网络参数设计举例电容、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

62

带续流二极管的带续流二极管的 LCLC 放电网放电网络络

63

仿真线成形网络仿真线成形网络

0i

i

Lz

C

114 32

0 0( )L i inR K i K T E

3

20

in i

P K i

E PT

灯阻 特征阻抗

64

仿真线成形网络各参数关系仿真线成形网络各参数关系

0( ) 2i L i iT z R C n LC 匹配条件下：

0

2.1

2

i i i

i i

T n LC

T n LC

实验结论：

21

2in i cE nCV输入能量与电压关系：

65

仿真线成形网络参数设计仿真线成形网络参数设计给定输入能量，闪光时间，氙灯参数，仿真线节数 n ，

求： Li， Ci和 Vc

140 3

0

0

1

2

0

( )

2

2

4( )

iL

in

i L

iL

in LC

K TR

E

L R T n

TC

nR

E RV

T

66

补充补充——空心电感公式空心电感公式

多层缠法 单层缠法

2 20.08

3 9 10

D NL

D b c

2 20.01

0.44

D NL

l D

D， b， c ：厘米

N ：匝数， L： uh

67

斩波放电电路斩波放电电路

68

斩波放电电路波形斩波放电电路波形

69

习题习题 33一脉冲氙灯 Φ7.5×80mm2 ，峰值放电电流 2000A ，等离子

体电阻系数 K＝ 1.13ΩA1/2 。求：氙灯的等效电阻 Req 和灯阻系数 K0？

习题习题 44电容，电感氙灯放电电路中，氙灯 Φ8×80mm2 ，

K＝ 1.13ΩA1/2 ，闪光时间 T0＝ 0.23ms ，电容储能 Ein=144j ，阻尼系数 α=0.8

求：电感 L ，电容 C 和充电电压 Vc ？

70

3.2 3.2 激光二极管激光二极管

一、概述二、基本结构三、二极管线阵和阵列条四、二维面阵五、光谱特性

71

一、概述一、概述光谱窄，与工作物质吸收带匹配可提高效率，减轻热效应

结构紧凑寿命长，连续 >10E4h ，脉冲 >10E9 次波长

630～ 680nm AlGaInP 770～ 990nm GaAlAs 900～ 1000nm InGaAs

模块化价格高

72

基本结构基本结构

73

三、二极管线阵和阵列条三、二极管线阵和阵列条——线阵线阵

74

阵列条阵列条

75

四、二维面阵四、二维面阵

76

背面传导冷却背面传导冷却

77

传导冷却传导冷却

78

面阵封装面阵封装

79

五、五、光谱特性光谱特性

80

光谱与重复频率、电流关系光谱与重复频率、电流关系

81

3.4 3.4 二极管激光泵浦耦合技二极管激光泵浦耦合技术术

一、泵浦方式 1 、端面泵浦 2 、侧面泵浦 3 、基于内反射的泵浦构型

二、耦合光学系统

82

一、泵浦方式一、泵浦方式———— 11 端面泵端面泵浦浦

83

22 侧面泵侧面泵浦浦

84

33 基于内反射的泵浦构型基于内反射的泵浦构型

33基基于于内内反反射射的的泵泵浦浦构构型型

85

二、耦合光学系统二、耦合光学系统

86

直接侧面泵浦直接侧面泵浦

87

使用柱透镜耦合的侧泵浦使用柱透镜耦合的侧泵浦

88

透镜管道端面泵浦透镜管道端面泵浦

89

二元光学元件耦合系统二元光学元件耦合系统

90

3.3 3.3 聚光腔聚光腔

一、聚光腔类型二、聚光腔材料选择三、聚光腔反射表面选

择四、聚光效率五、泵浦光在激光棒内

分布

91

聚光腔功能聚光腔功能

保证泵浦光最大限度地为工作物质吸收

冷却液通道灯棒等的固定场所

92

一、聚光腔类型一、聚光腔类型——椭圆柱聚光腔椭圆柱聚光腔

93

紧耦合非聚焦聚光腔紧耦合非聚焦聚光腔

94

漫反射聚光腔漫反射聚光腔

95

尖形聚光腔和尖形聚光腔和 VV 形聚光形聚光腔腔

96

旋转对称聚光腔旋转对称聚光腔

97

二、聚光腔材料选择二、聚光腔材料选择金属

铝——轻型系统铜——热膨胀系数小，导热率高 不锈钢——不生锈，光洁度高，热导率

低玻璃

易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀陶瓷

易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀

98

三、聚光腔反射表面选择三、聚光腔反射表面选择

金属多层介质膜陶瓷漫反射粉末

99

金属金属

100

四、聚光效率四、聚光效率单椭圆柱腔的聚光效率

c op geη η η

(1 )(1 )(1 )op w r cη r r f α

聚光效率：

光学效率

几何传输效率

光谱带上的反射率 棒和冷却管

上的反射率非反射面

积比例

滤光玻璃，冷却液的吸收

101

几何传输效率几何传输效率

几点假设1.灯在圆截面上对称均匀发光2.不考虑轴向倾斜光线3.只考虑一次反射光线，焦点上泵浦4.不考虑直接照射，遮挡，忽略反射

损耗5.灯作为黑体对待

102

聚光腔各部分的几何参数聚光腔各部分的几何参数

Rr

Rlα θ

Lr

Ll

2a

2b

2c

103

灯通过椭圆上的任一点在棒端成像灯通过椭圆上的任一点在棒端成像

Lr 'Lr

' ( )RL L

L

lr r

l

RlLl

β

104

P0

'L Rr r

0α 0θ

105

'L Rr r 1pη

P2

00 α α

α θ

106

'L Rr r

'1R R L

pL L R

r r lη

r r l

P1

0α α

α θ

107

几何传输效率几何传输效率

0

0

0

2

0

0

0

1( 2 )

1[ ]

1[ ]

π

ge p

α π

p p

α

πR L

L Rα

η E π η dαE

η dα η dαπ

r lα dα

π r l

待求

108

B A

dα

α

dθ

θ

lL

lR

( )R Ldα l l dθ0

0

0 0

1[ ]

1[ ]

πR L

geL Rα

R

L

r lη α dα

π r l

rα θ

π r

待求

109

PP00 点的确定点的确定

0α 0θRlLl

P0

F F’

2 2 2

0

2

4cos

4

L R

R R

L L

L R

L

l l a

r l

r l

l c lα

l c

ce

a

2

0

0 0

1 1cos [1 (1 )]

2

sin ( )sin

R

L

L

R

reα

e r

rθ α

r

110

111

灯的遮挡灯的遮挡

P0

1θ

'0 0 1

1[ ( )]R

geL

rη α θ θ

π r

112

113

习题习题 55

双椭圆柱腔，焦上泵浦，求证：

0 1 0

1 2

1[( ) ]

2cos

1

Rge

L

rη α α θ

π r

eα

e

P0

1α

114

习题习题66

单椭圆柱腔，焦上泵浦：

'ge

32, 14

0.44, 5, 4R L

a c

e r r

η

求：

115

漫反射腔的效率漫反射腔的效率

1 1

1 1 2 2 3 3 4

S Aη

S A S A S A S

漫反射壁的表面积

吸收率

灯的表面积

吸收率

腔壁上的开孔面积

激光棒的吸收率（俘获系数）

激光棒的表面积

116

漫反射腔的效率漫反射腔的效率

117

五、泵浦光在激光棒内分布五、泵浦光在激光棒内分布增益和温度分布不均

起振不均 光斑强度不均 光学畸变 激光效率和发散角变坏

影响泵浦光分布的因素 聚光器的聚光特性

• 聚焦或漫反射 激光棒表面情况

• 抛光或磨毛 激光棒吸收系数与棒半径之积 直照情况

Rα r

118

均匀光场中棒内光能的分布均匀光场中棒内光能的分布

119

椭圆柱聚光腔的泵浦光分布椭圆柱聚光腔的泵浦光分布

a

b

c def

灯

P1

P2

P3

P4 2 2

2 (1 ) /(1 )

2 (1 ) /(1 )

2 (1 ) /(1 )

L

L

L

ab r e e

cd r e e

ef r e e

120

模拟分析模拟分析

121