微秒級(jí)氙燈泵浦染料激光器大脈沖能量輸出特性研究.pdf

1、閃光燈泵浦固體染料激光器在激光彈藥、深海水下探測(cè)、大氣雷達(dá)光源、美容美體等領(lǐng)域有著巨大應(yīng)用價(jià)值。國(guó)外有關(guān)微秒級(jí)直管氙燈泵浦染料激光器的報(bào)導(dǎo)非常少,原因在于:染料納秒量級(jí)上能級(jí)壽命與直管氙燈百微秒放電脈寬很難匹配,同時(shí)直管氙燈脈寬很難壓縮;壓縮放電脈寬、提升泵浦能量與放電電流波形實(shí)現(xiàn)臨界阻尼振蕩是相互制約的,很難同時(shí)實(shí)現(xiàn);微秒級(jí)直管氙燈損傷閾值低,容易發(fā)生炸燈現(xiàn)象;在制備固體染料激光介質(zhì)過(guò)程中,摻雜濃度提高會(huì)增加介質(zhì)損耗并影響介質(zhì)光學(xué)均勻

2、性。濃度低則影響激光大能量輸出。論文針對(duì)以上問(wèn)題,對(duì)影響燈泵固體染料激光器大脈沖能量輸出的泵浦源系統(tǒng)與固體染料激光介質(zhì)做出了一些改進(jìn)和完善,并進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。
　　論文首先進(jìn)行了微秒級(jí)直管氙燈泵浦染料激光器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制。在研究分析激光染料和快放電閃光燈的各項(xiàng)特性基礎(chǔ)上，開(kāi)展高泵浦轉(zhuǎn)換效率激光器的研究與設(shè)計(jì):(1)以快放電氙燈特性、氙燈管壁極限負(fù)載功率與破壞熱能理論為依據(jù),選擇符合實(shí)驗(yàn)要求火花隙內(nèi)觸發(fā)電路和增強(qiáng)型預(yù)燃回路設(shè)

3、計(jì),并確定快放電氙燈各項(xiàng)參數(shù),以此研制了驅(qū)動(dòng)氙燈微秒級(jí)放電電源系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)泵浦源各項(xiàng)特征參量進(jìn)行對(duì)比測(cè)量,得出在泵浦氙燈極間距為100mm、充氣氣壓為200Torr條件下,放電回路儲(chǔ)能電容為0.5μF,雙氙燈串聯(lián)泵浦,預(yù)燃電流為1.6A時(shí),泵浦源系統(tǒng)效率最高。電源性能方面,氙燈放電電流波形上升沿最短壓縮到1.09μs,激光輸出能量最高達(dá)到679mJ,穩(wěn)定運(yùn)行注入能量最高可達(dá)200J,放電電流波形接近臨界阻尼振蕩,為燈泵固體染料激光器大脈

4、沖能量輸出打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。(2)采用光線追跡方法對(duì)不同條件下聚光腔輻照強(qiáng)度進(jìn)行模擬分析,通過(guò)對(duì)比得出當(dāng)介質(zhì)側(cè)面拋光,聚光腔為小尺寸聚四氟乙烯漫反射緊包腔時(shí),聚光效率最高。同時(shí)它在由于介質(zhì)或氙燈裝配不當(dāng)造成輻照強(qiáng)度下降比率方面也小于其它條件,能夠保證激光器穩(wěn)定高效運(yùn)行。最終搭建了微秒級(jí)直管氙燈泵浦染料激光器系統(tǒng)。
　　在低傳輸損耗、高摻雜濃度固體染料激光介質(zhì)研究方面,通過(guò)對(duì)甲基丙烯酸甲酯聚合動(dòng)力學(xué)研究,分析得到工業(yè)本體聚合法與國(guó)外報(bào)導(dǎo)

5、采用本體聚合法的缺陷。針對(duì)這些問(wèn)題,論文提出采用預(yù)先聚合方式制備固體染料激光介質(zhì)新方法,得出采用預(yù)聚方式所制得固體染料激光介質(zhì)相對(duì)于普通本體聚合法體積收縮減少20％-25%;介質(zhì)內(nèi)部均勻性好、透明度高;聚合時(shí)間為1天左右,遠(yuǎn)小于普通本體聚合3-5天的時(shí)間。論文在制備出固體染料激光介質(zhì)的基礎(chǔ)上，測(cè)量分析不同加工制備方式對(duì)激光介質(zhì)端面平面度、傳輸損耗、光學(xué)均勻性、分子量分布的影響,得出:(1)采用金剛石車床拋光的介質(zhì)端面面型好,平面度一致性

6、高。(2)固體染料激光介質(zhì)摻雜濃度與其光學(xué)均勻性沒(méi)有太大的關(guān)聯(lián),但是制備方式影響較大,采用預(yù)聚方式聚合的介質(zhì)光學(xué)均勻性要明顯好于采用普通本體聚合法的介質(zhì)。(3)采用凝膠滲透色譜測(cè)量不同加工制備方式激光介質(zhì)分子量和分子量分布,最后得出采用預(yù)聚方式,沒(méi)有進(jìn)行老化退火處理,聚合時(shí)試管進(jìn)行硅烷化處理的固體染料激光介質(zhì)性能最適合激光大能量輸出。(4)當(dāng)固體染料激光介質(zhì)摻雜濃度為2.0×10-4mol/L時(shí),對(duì)632.8nm光的介質(zhì)損耗最低為0.3

7、3%/cm,優(yōu)于國(guó)外報(bào)導(dǎo)同條件介質(zhì)的最高水平,解決介質(zhì)高摻雜濃度條件下高傳輸損耗問(wèn)題。
　　在直管氙燈泵浦固體染料激光器大脈沖能量輸出方面,由于液體染料激光介質(zhì)具有均勻性好、便于制備等優(yōu)點(diǎn),論文首先開(kāi)展燈泵液體染料激光器輸出特性研究,得出:(1)注入能量增大會(huì)提升氙燈發(fā)射譜與染料吸收譜的重疊面積,有利于激光泵浦效率的提高;介質(zhì)染料濃度過(guò)大,則會(huì)發(fā)生自吸收再發(fā)射現(xiàn)象,導(dǎo)致激光能量輸出下降。(2)PM567和PM580乙醇溶液在染料摩

8、爾濃度為2.5×10-4mol/L、染料池內(nèi)徑為6.5mm、采用聚四氟乙烯緊包型聚光腔和平平諧振腔時(shí),斜率效率最高,分別為0.50%和0.36%;相同條件下, PM590在濃度為3.0×10-4mol/L時(shí),實(shí)現(xiàn)最高斜率效率0.35%。在研制出微秒級(jí)放電泵浦源系統(tǒng)和優(yōu)質(zhì)固體染料激光介質(zhì)的前提下,論文開(kāi)展燈泵固體染料激光器能量輸出特性實(shí)驗(yàn)研究,得出采用預(yù)聚處理方式,未采用老化退火,聚合時(shí)試管采用硅烷化處理的介質(zhì)在直徑7mm,摻雜濃度為2.