小型折叠腔自由振荡TEA CO2激光器实验研究

分析了TEA CO2激光器和差分吸收雷达的工作原理,研制了一种新型双通道放电激励折叠腔TEA CO2激光器.详细分析了折叠腔TEA CO2激光器的结构及其设计特点.对影响气体快放电过程的各种因素,如储能电容与峰值电容的比值、工作气压、充放电电感及输入电压的范围等进行了实验研究,确定了充放电谐振回路的最佳参数,实现了双通道的稳定辉光放电.对激光器输出能量与激励电压、混合气体工作气压等参数的关系进行了实验研究,得到最大输出能量约为722 mJ.     

可调谐TEA CO2激光器技术

近年发展起来的激光差分吸收雷达用于遥测大气污染状况,可获得大气污染物浓度的时空分布,这对了解大气污染的分布实况、寻找主要大气污染来源、防治大气污染等均有很重要的价值.TEACO2激光器工作在9～μM的红外波段,大部分大气污染物和化学物质的特征吸收谱都在此波段内.高重复率可调谐的.TEACO2激光器的研制已成为C02激光差分吸收雷达的关键技术.差分吸收雷达从探测方式上可分为相干探测和直接探测方式,其中直接探测方式又可分为后向地物反射方式和距离分辨方式.早期,由于单台激光器快调谐问题尚未解决,一般都采用多台波长固定的CO2激光器组合使用.随着快速调谐技术的发展,差分吸收雷达系统开始采用单台CO2激光发射器.这就使差分吸收雷达系统更加趋于小型化和实用化.利用符合TEA CO2激光器内多种激光混合气体组分的五温度、六温度模型速率方程理论,详细分析了TEACO2激光器的动力学过程,确定激光谐振腔初始条件后,计算了激光器的各种输出特性.激光器输出脉冲参数如峰值功率、粒子数反转、光强、激光能量等均为时间的函数,并且随着输入参数(气压、温度、耦合输出镜反射率等)的不同而作相应的变化.根据理论计算结果,设计研制了两台高重频快调谐TEA CO2激光器,分别采用高频步进电机驱动光栅和扫描振镜+光栅的技术方案实现了激光的快调谐输出.设计了小型化高重复率可调谐的TEA CO2激光器,激光谐振腔长55 cm,采用高频步进电机驱动光栅法,预电离方式为表面电晕紫外预电离,实验得到激光器的一级调谐输出谱线50余条,激光脉冲输出能量30～100 J,峰值功率0.3～1w,谱线分布于9R、9P、10R、10P四个谱区.单片机控制在单台CO2激光器上实现快速调谐输出波长不同的激光脉冲,不同谱线的输出时间间隔约10ms.采用扫描振镜+光栅的调谐技术,又研制了一种双通道放电激励折叠腔.TEA CO2激光器.详细分析了折叠腔TEACO2激光器的结构及其设计特点,谐振腔长约120 cm,影响气体快放电过程的各种因素,如储能电容与峰值电容的比值、工作气压、充放电电感及输入电压的范围等进行了实验研究,确定了充放电谐振回路的最佳参数,实现了双通道的稳定辉光放电.对激光器输出能量与激励电压、混合气体工作气压等参数的关系进行了实验研究,得到激光器自由振荡最大输出能量约为722 mJ.工控机程序控制扫描振镜+光栅的偏转角度,实现了激光的可调谐输出.激光器脉冲重复频率可达到100 Hz,实验得到一级调谐输出谱线80条.强支谱线如10P(20)、9P(18)支输出能量约400 mJ,弱支谱线如10P(48)、9P(42)支谱线能量约100 mJ.经测量,弱支谱线的远场发散角水平方向和垂直方向均为1.21 mrad,约为2倍衍射极限.实现了任意波长两条谱线在10 ms时间内快速切换输出.     

高功率高重频TEA CO2激光器激光放电腔技术

介绍了高功率、高重频TEA CO2激光器激光放电腔的放电电路、结构及特点,针对该系统的性能实施了合理的技术设想及研究方法。在分析高功率TEA激光器技术基础上,讨论了TEA CO2激光器激光放电腔的基本机理。该系统由多只具有储能充、放电功能的陶瓷电容,通过低阻抗匹配传输线、放电电极和紫外光预电离装置向激光器高能放电腔注入电能,获得高重复频率脉冲和高能量脉冲,经光学谐振腔窗口输出高功率激光。描述了储能充放电路、高压快脉冲、低阻抗匹配传输线、放电电极和紫外光预电离等技术的具体应用。     

长脉冲紫外预电离TE CO2激光器

研制了一台增益体积为1.17 L的长脉冲紫外预电离TE CO2激光器。基于Pulser/sustainer技术,设计了独立可控的双高压开关抽运电路。在激光混合气体比CO2∶N2∶He=1∶2.5∶13,总气压30 kPa时,以6 nF的Pulser电容控制100 nF的Sustainer电容,获得稳定的辉光放电,激光比注入能量达1.607 J/(kPa.L),其中,Pulser能量不到全部注入能量的5%。另外,在保持Sustainer总电容100 nF不变的情况下,设计了两种脉冲宽度略有不同的Sustainer电路,均获得了稳定的辉光放电,实验测量了放电电压、放电电流与输出激光脉冲波形,并分析了Sustainer放电的阻抗特点。激光器采用“Z”形折叠腔结构,输出激光脉冲宽度达20μs,电光转换效率超过12.0%,最大脉冲能量为6.5 J。     

高单脉冲能量重复频率TEA CO2激光器

为了满足激光推进、光电对抗等应用领域的需要,研制了一台高单脉冲能量高重复频率新型TEA CO2激光器。采用紫外(UV)预电离双路Ernst石墨电极串并联放电结构、超薄水冷不变形镜折叠腔、双回路直冷式封闭循环流动系统和高压大电流快脉冲开关电源等技术,解决了高功率高压电容充电、高气压大体积均匀辉光放电、高气压高速均匀流场、激光谐振腔和高脉冲能量、高重复频率脉冲激光输出等技术难题。成功研制了一台最大脉冲激光能量92 J,重复频率35 Hz,激光输出发散角1.4 mrad,脉冲能量稳定性0.8％,平均功率大于3000 W的脉冲激光器。     

紫外预电离TEA CO2激光器的实验研究

介绍了采用火花针紫外预电离高重复频率TEA CO2激光器系统的结构及其实验研究结果.该激光器的脉冲放电行为由旋转火花开关和高压脉冲触发器进行控制,并通过自动翻转电路实现对称张氏电极之间的均匀辉光放电.通过改变激光器工作气体气压、充气配比及注入能量,测量单脉冲输出能量.实验结果表明,激光器的输出能量及电光转换效率随CO2或N2充气压改变存在最佳点,最佳点与注入能量有关.输出能量及电光转换效率与总充气压呈线性关系.该激光器在单脉冲放电条件下比在高重复频率时能够注入更多的能量和充入更高的气压,脉冲能量最大输出可达53J以上,经过进一步地参数优化,该激光器最高的电光转换效率达到17%以上.     

高同步双束长脉冲XeCl准分子激光器

我们利用一台结构新颖的双通道准分子激光器,在两组主放电电容上分别连接两组LC脉冲形成线。用一个公共火花球隙控制对相应的通道放电,从而获得了脉冲宽度达60ns高同步(抖动时间≤±4ns)XeCl准分子激光输出。每束激光的能量达120mJ。 实验中,我们研究了激光器激励电路的变化对激光脉冲宽度的影响,还研究了不同的气体组分和混合气体气压对光脉冲宽度及输出能量的影响。同时探讨了双束长脉冲激光器的高同步性能。     

Simulink仿真指导放电准分子激光长脉宽的实验探究

针对医疗用308 nm准分子激光器长脉宽的实际需求,提出Simulink仿真模型指导延长激光脉宽的方案,并进行实验研究。首先建立并验证了典型准分子激光器放电激励回路仿真模型的有效性,其次基于脉冲形成网络原理建立4级LC峰化回路的放电激励模型,并进行了具体的激光器结构设计和参数选择。对一台储能电容为60 nF,工作电压范围在20~29 kV的308 nm准分子激光器进行实验,通过改变激励回路的结构和参数,激光脉宽由30 ns延长到60 ns,且当储能电容电压值为28 kV时,输出能量达407 mJ,激光脉冲能量的转移效率由典型结构的1.531%提高至1.73%,实现了放电激励308 nm准分子激光长脉冲输出条件下的高能量转移率,验证了Simulink仿真模型的有效性和指导意义,为实用化长脉宽准分子激光的设计和应用提供基础。     

高效率放电抽运KrF准分子激光器

248 nm放电抽运KrF准分子激光器在微电子学和医学等领域有重要的应用价值。在大多数应用中,激光器的最大输出效率和能量都是十分重要的参数。为了提高激光器输出效率和能量,实现KrF准分子激光器的稳定放电,采用新型开关电源和结构紧凑的张氏电极,并通过优化储能/放电电容比例和工作气体配比等方法,研制出了一台小型高效率放电抽运KrF准分子激光器。研究了开关电源对充放电特性的影响,以及气体配比对激光输出效率和能量的影响。该激光器的各项参数相比以往的产品有了较大改善,可重复频率为1~80 Hz,输出效率最高达2.5%,最大单脉冲输出能量380 mJ;当工作电压高于25 kV时,激光输出能量不稳定度约为1.8%。     

非稳腔在小型TEA CO2激光器中的应用

在研制的火花阵列式紫外光预电离小型TEA CO2激光器中,应用平凸非稳腔,在放电体积为180×60×11.5mm3,主放电电容为0.028μF,充电电压为20kV的条件下,获得了210mJ的基模激光输出.     

TEA序列带CO2激光器的实验研究

在腔内ＣＯ２热池长度小于放电区长度的条件下,进行了序列带ＴＥＡＣＯ２激光器光性能研究。经条件的选择,获得了四十余条序列带谱线激光输出,其中１０余条谱线达１Ｊ对上。     

2kHz重复频率紧凑型TEA CO2激光器

报道了一种高脉冲重复频率,紧凑型横向激励大气压CO2激光器.激光器使用紫外电晕预电离方式,放电均匀、稳定.自由振荡情况下,激光脉冲输出能量达到15 mJ,输出脉冲宽度为60 ns.气体高速循环系统采用涡轮增压技术,最高循环风速可达100 m/s以上,激光脉冲重复频率为2 kHz.     

含Ar大体积紫外光预电离TEA CO_2激光器

实验研究了在大体积紫外光预电离的TEACO_2激光器中用工业纯Ar部分取代He时,不同Ar取代比分对放电稳定性,激光输出能量的影响以及掺入少量正三丙胺后使放电稳定性得到一定改善的结果。     

自持体放电的发射光谱研究

自持体放电又称大气压脉冲放电或脉冲辉光放电,是一种利用微秒-亚微秒量级脉冲在大气压下获得大体积等离子体的放电形式。为了测量自持体放电过程中气体温度的演化,采用光谱拟合的方法,对氮分子第二正带光谱进行了理论分析。并对两套横向激励大气压(TEA)气体激光器放电系统(准分子放电腔快放电系统,TEA CO2激光器放电腔慢放电系统)的等离子体时域分辨分子光谱进行了测量,并拟合了气体转动温度,取得了两种不同放电结构放电过程中气体温度演化的数据。结果表明,准分子放电腔快放电过程中总的能量注入密度为1.3105J/m3时,温度升高92K,TEA CO2激光器放电腔慢放电过程中总的能量注入密度为7104J/m3时,温度升高约50K,两套系统温度升高比对应于总的注入能量密度比。这一结果对研究自持体放电机理提高放电稳定性是有帮助的。     

印刷电路板预电离TEA CO2激光器的阴极表面预电离研究

弧光放电不利于TEA CO2激光器输出高功率激光,通常采用预电离技术来获得主电极间的均匀辉光放电。印刷电路板预电离较其他紫外光预电离方式具有更好的预电离强度和预电离均匀性的结合,有利于产生高重复频率和高平均功率的脉冲激光。本文研究了印刷电路板预电离TEA CO2激光器中有、无紫外光体积光电离的两种不同预电离结构形式,主放电均匀性实验表明,在无紫外光体积光电离的情况下,也可以获得放电均匀性很好的大体积主放电。这说明在印刷电路板预电离中起主导作用的是阴极表面的预电离效应。本研究结果对探讨TEA CO2激光器的预电离放电机理具有参考价值。     

印刷电路板预电离小TEACO_2激光器两种照射模式研究

通过使用印刷电路板预电离小TEACO2 激光器 ,研究了预电离过程中两种照射模式———照射阳极模式和照射阴极模式下 ,激光器注入能量和输出能量的关系。实验得出 ,在印刷电路板预电离小TEACO2 激光器中 ,两种照射模式的注入与输出曲线基本吻合 ,而照射阳极模式下印刷电路板预电离小TEACO2 激光器更具有潜力。     

光栅选线TEA CO2激光快速调谐实验研究

研制了一种新型的采用直驱交流伺服电机的光栅选线TEA CO2激光器快速调谐系统,进行了一系列实验研究,包括系统调试实验、单脉冲运转调谐实验和快速调谐实验。实验共得到85条调谐输出谱线，单脉冲能量超过10 J的有18条谱线；在动态快速触发情况下，分别在60 ms和20 ms内实现了整个CO2激光光谱范围任意两条谱线和同一个跃迁带内相邻两条谱线的快速调谐输出。该方法可应用于高功率、大范围可调谐TEA CO2激光器的快速调谐，对高功率高重复频率可调谐TEA CO2激光器研制中的快速调谐输出设计具有较高的参考价值。     

工作条件对TEA序列带CO2激光器输出的影响

选择主放电电容器容量、电压、混合气配气比和预电离条件等对ＴＥＡＣＯ２序列带激光输出随注入能量变化的特性进行了研究。采取有效的能量注入,获得了好的输出结果。     

TEA13C16O2激光器的实验研究

为扩展可调谐TEA CO2激光器的输出波长范围，增加差分吸收雷达可探测的物质种类，采用^13C^16O2代替激光器工作气体中的CO2成分。计算了TEA^13C^16O2激光器在Ⅰ波段两个分支上的小信号增益系数分布。利用平面光栅单色仪，在小型快调谐TEA^13C^16O2激光器的Ⅰ波段共测到了32条谱线的能量输出，输出范围为10.663～11.347μm。与采用普通CO2作为工作气体的情况相比，激光器谱线输出范围在长波长方向上有很大扩展，输出的最长波长由CO2的10.74μm增大到11．347μm。测得TEA^13C^16O2激光器的最高输出能量为107mJ，并给出了Ⅰ波段典型谱线脉冲的半峰全宽。