[doc格式] 布氏角片状激光振荡器腔内损耗实验研究

[doc格式] 布氏角片状激光振荡器腔内损耗实验研究 布氏角片状激光振荡器腔内损耗实验研究 第32卷第3期 2008年6月 激光技术 LASERTECHNOLOGY Vo1.32.No.3 June,2008 文章编号:1001—3806(2008)03—0320—03 布氏角片状激光振荡器腔内损耗实验研究 徐美健,於海武,蒋新颖,段文涛,袁晓东 (中国 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 物理研究院激光聚变研究中心,绵阳621900) 摘要:为了研究布氏角片状激光器能量转换效率,提高激光器系统转换效率,采用实验的方法,对影响片状激光器 转换效率的主要因素进行了理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 并进行了实验验证,取得了能量输出与激光腔内损耗关系的数据.结果表明,多片 结构带来的腔内固有损耗导致了激光器总体效率低下,由布氏角构形产生的腔内动态损耗限制了激光器连续工作能力, 抽运损耗也对激光器能量转换效率有一定影响. 关键词:激光技术;片状激光器;腔内损耗;动态损耗 中图分类号:TN248.1文献标识码:A Experimentalstudyofintracavitylossofmulti-disklasersatBrewsterangles XUMeijian,YUHai一 M,JIANGXin—ying,DUANWen—tao,YUANXiao一凡g (ResearchCenterofLaserFusion,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China) Abstract:Inordertoincreasetheconversionefficiencyofamulti—disklasera tBrewsterangle,themainelementsaffecting theefficiencywereanalyzedtheoreticallyandverifiedbymeansofexperiments.Aseriesofdatumabouttherelationofoutput energyandintracavitylossweregained.Theresultsindicatedthatinherencelossduetomulti—diskconfigurationledtolowlaser efficiency.Thedynamiclosslimitedtheabilityofcontinuouslaseroutput,andthepumplossbroughtacertaineffectonthelaser efficiency. Keywords:lasertechnique;disklaser;intracavityloss;dynamicloss 引言 片状增益介质是高功率激光器常采用的结构.它 既能保证激光器的口径,又能获得合适的增益长度以及 大的表面积来增加散热,缩短冷却时间.WANG等人在 高功率,大口径片状放大器方面已开展了深入的研究工 作,现有的片状结构激光器的效率普遍较低,典型的 用于惯性约束聚变(inertialconfinementfusion,ICF)实 验的片状结构放大器的储能效率约为2.5%,而系统总 效率相对更低.引起片状介质结构的效率偏低的因素 有很多,激光器的腔内损耗便是其中的重要因素之一. 从激光的输出原理上看,激光的输出就是输入能 量与损耗”竞争”的结果.当注入能量大于损耗则有 激光输出,反之则无.这里所说的损耗是指从电能转 换成激光上能级储能所经历过程中的所有损耗,通常 也将这些损耗用效率来描述.其中主要包括抽运源效 率,辐射传输效率,吸收效率,以及斯托克斯效率等,另 基金项目:中国工程物理研究基金资助项目(Z0405) 作者简介:徐美健(1979一),男,研究实习员,主要从事重 复频率固体激光技术研究. E—mail:flrc2003@163.con 收稿13期:2007.03.05;收到修改稿13期:2007—06—21 外还有放大介质的固有吸收损耗和输出部分等.抽运 源效率可以通过电参数的优化来提高,辐射传输效率 可通过优化抽运腔结构实现,吸收效率与抽运腔构形 以及增益介质的浓度厚度等参数相关,而斯托克斯效 率属于系统的本征损耗.激光器以重复频率运转时, 热退偏引起的动态损耗是影响激光器输出特性的主要 原因,特别是对于布儒斯特角构形的片状激光器,由热 应力引起的退偏效应带来的损耗尤为明显.已进 行的实验结果表明:现有片状结构的全系统效率约为 0.7%,上能级总转换效率为1%(系统的能量提取效 率为66%,此值为实验结果).总体来说,系统总效率 相对于棒状介质存在较大差距,其主要原因归根结底 是由于腔内损耗较大,使激光器在较低的超阈值状态 下运行.作者系统地分析了几种损耗在片状阵列激光 器腔内所占的比重,并利用实验验证了各种损耗对激 光输出的影响. 1抽运损耗分析 1.1抽运光腔内传输效率 对于布儒斯特角片状结构的阵列激光器来说,由 构形导致的抽运光损耗是抽运损耗的主要原因.片状 构形的抽运腔结构较之棒状介质的腔结构开放得多, 第32卷第3期徐美健布氏角片状激光振荡器腔内损耗实验研究321 因此,有一部分抽运光无法到达介质表面.棒状介质 腔构形通常采用椭圆紧包腔,氙灯和介质棒分别位于 椭圆的两个焦点上,根据椭圆结构的基本原理,从椭圆 的一个焦点发出的光总会被反射到另一个焦点上,氙 灯抽运光充分利用;而片状结构抽运腔近似于开放式, 漏光比较严重,因此,对抽运光的利用率小很多.二维 腔传输光线追迹结果表明,棒状构形抽运腔抽运光接 近100%可以到达棒的表面;而布氏角片状构形抽运 腔只有40%,50%的抽运光线到达介质表面. 另外布氏角片状结构中,抽运光的入射角较大,增 加了介质表面的反射损耗.介质片与氙灯成布氏角放 置,抽运光中一部分光线在到达介质表面时以较大入 射角入射;由于介质表面没有做光学处理,随着光线的 入射角增大,介质表面对入射光的反射随之增大.对 于自然光,当相对折射率几=1.5时,正入射的表面反 射为4%;当几=1.82(YAG晶体折射率)时,正入射的 表面反射为8%.布氏角构形中,部分氙灯光与YAG 片是大角度入射,因此,反射损耗随入射角增大迅速增 加,这是导致腔传输效率低的另一个重要原因. 1.2光谱吸收效率 由于镀金反射器对650nm以下的光的反射率很 低,因此模拟计算中只考虑了650nm,1000nm处的光 谱相对强度.根据介质的吸收系数,氙灯光的光谱和 Nd?离子的抽运带以及Nd?离子的激光特性_7],同时 认为720nm,920nm的抽运光能被介质有效吸收并对 激光发射有作用,将720nm,920nm作为抽运带,考虑 双面抽运方式,图1中模拟给出介质厚度与介质对抽 运光的吸收效率的关系.从图中可以看出,要对抽运 Fig-1AbsorbefficiencyofpumpradiationversusNd:YAGthickness 带内85%的能量有效吸收,需要介质厚度大于30mm. 考虑到介质的冷却,采用多片叠放的方式达到介质厚 度方向的优化,每片介质厚度为6mm.利用光纤光谱 仪分别测量了抽运源经过1片一5片叠放介质后,在 相同位置对抽运光的吸收结果,同时选取无吸收部分 光谱进行归一化处理,得到图2.测量结果表明,多片 结构对抽运光的吸收效果与模拟结果较好地吻合,综 合考虑介质片冷却的需要和介质表面的入射损耗的因 0 Fig.2Experimentalresultofresidualpumpenergyafterseveraldisks 素,采用了双片结构,测试的单程吸收效率约为68%. 2腔内固有损耗分析 2.1介质吸收损耗 利用1064nm偏振光和GenTec卡计测量得到介 质的体吸收系数为0.0015cm一,通常Nd:YAG介质的 吸收系数约为0.003cm一.考虑测量误差及经验值, 介质的吸收系数取为0.002cm一.根据介质放置方 式,8张片单程透过率为exp(一0.688×8×0.002)= 0.9894.测量结果表明,以布儒斯特角放置的未镀膜介 质表面的透过率约为99.5%,8张片的表面透过率为 96.07%.腔内损耗估算结果显示,腔内单程损耗为 4.95%,而往返损耗为9.65%. 2.2其它损耗 因采用大口径片状介质以及平凹谐振腔,故腔内模 体积未能完全充满整个介质口径.考虑到约6%的增 益介质吸收带内的抽运辐射效率以及65%斯托克斯效 率等因素,其它损耗的综合效果使总效率达到约3.9%. 3腔内动态损耗分析 3.1腔内”滞后效应”分析 片状布儒斯特构形由于偏振选偏作用造成的损耗 称之为”滞后效应”,此效应原理如图3所示.由于抽 Fig-3Schematicdiagramof..lageffect’’ 运不均匀引起晶体内部产生热应力,进而形成热畸变, 发生退偏效应.偏振光以布儒斯特角入射第1个表 面,透过率约为100%;晶体内产生的热退偏效应使入 射偏振光的偏振特性发生改变,光线经过第2面时将 产生较第1面大得多的损耗. “滞后效应”随晶体内部热应力的积累逐渐增大. 在自由振荡模式下,激光在腔内来回振荡,这大大增强 ??OOOOOO 0cI._lII ?OOOOOOOO 0一0= 322激光技术2008年6月 了”滞后效应”的影响. 激光器以20Hz工作3s,激光器不同时刻输出的 光斑如图4所示.图4a为第1个脉冲光斑,显示较 ??lg.4Theoutputnearfield a——atthebeginningb——aner3s 强;激光器工作3s后光斑如图4b所示.由于”滞后效 应”的存在,介质透过损耗增加了,使输出能量明显变 小;边缘输出能量较弱的区域,随着损耗增加,输出能 量很快减弱,甚至无法达到阈值输出. 3.2输出能量与损耗变化关系 通过改变介质片的放置角度实验模拟”滞后效 应”引起的损耗变化.由于采用的介质结构是布儒斯 特角式的片状构形,所以,当介质与光线的夹角恰好成 布氏角时,光线的透过损耗最小;通过改变片夹与光线 的角度,腔内光线的透过损耗随着角度的变化而变化. 同时,由于使用的是片状介质和大口径平行平面腔,因 此,当介质放置角度发生微小变化时,腔内的振荡条件 不会被破坏. 该系统中Nd:YAG介质折射率为1.82,对应的布 氏角为61.2..因此,两个片夹对应角度为61.2._61. 2.(即余角为28.8~-28.8.)时,腔内透过损耗最小,此 时具有最大的能量输出.根据反射波的振幅和相位关 系的菲涅耳公式J,不同角度入射光中s波和P波的 振幅反射系数分别为: sin(01—02),,,一 tan(0l一02),, P—tan(0.+0,) 式中,0,02分别为激光入射角和折射角.s波和P波 的反射比为:sin(0l一0), P1”sj 2tan’(0l一02), P4 所以总的反射比,即总的反射损耗为: P=(P+P)/2(5) 根据文献[7]中给出的激光输出功率P.的计算公式: Pout=A(})IF(一)? 式中,为光斑的面积,R为输出耦合镜的反射率,z为 经过的介质增益长度,g.为系统小信号增益系数(此 处取实验测量值g.=0.0452),L为谐振腔的往返损 耗,,为介质Nd:YAG的饱和光强,,=2.9kW/cm,其 中包含介质的吸收以及总的反射损耗P.以由介质 角度变化带来的损耗P为变量,考虑输出激光脉冲宽 度为1ms的情况(Emn=Pmn7-),表1中计算得到角度 变化与输出能量的对应关系.表中,Ot,表示介质片 表面与光线所成的夹角.通过改变激光介质与输出光 轴之间夹角,实验测量了激光入射角从26.一30.变化 过程的激光器输出能量,结果如表2所示.当角度为 29~-29.时,得到了最大能量5.77J,这与计算得到的最 大值点较好的吻合. Table1CalculationresultofoutputversusBrewsterangle 26.27.28.29o 26.3.64.14.4l4.49 27.4.14.745.165.26 28.4.4l5.165.655.77 29.4.495.265.775.89 30.4.335.045.5l5.62 Table2ExperimentalresultofoutputversusBrewsterangle 26.27.28.29. 26.3.474.064.17— 27.4.174.975.084.8l 28.4.655.185.45.45 29.4.435.185.665.77 30.4.385.O25.345.45 进一步比较表1与表2的数据可以看出,实验测 量的能量输出与理论计算的能量变化趋势基本吻合. 当介质片放置角度与理想布儒斯特角相差3.时,由此 产生的损耗为5.8%.综合表2中的数据并考虑介质 本身的双程吸收损耗可以得到输出能量与损耗变化的 关系,如图5所示.当损耗从2.1%升高到7.9%时, l , \ \, , -_, lg.5Relationshipbetweenthelossandtheoutputenergy 输出能量变为原来的60%.从图5可以看出,当损耗 达到10%时,输出能量将变为原输出能量的50%. 4结论 通过分析影响激光器效率的多种因素,确定了影 (下转第326页) 326激光技术2008年6月 差. 由以上结果可知:(1)3种路径跟踪算法在相位展 开的过程中,很好地保持了与原始相位地一致性,因为 它们相位展开的结果重新包裹与原始的包裹相位之问 的均方根都很小;而3种全局展开方法则是在对噪 声平滑的过程中,同时也扭曲了数据.(2)路径跟踪 算法中的枝切法在对加入噪声=0.6,=0.8的斜 面得到的包裹相位进行相位展开,结果还是比较满意 的,其效果与质量图导向法相当,其.接近,且较小, 但是随着噪声的加重,也即残余点的增多,枝切法. 变得很大,这主要是因为残余点较多时,由于构造枝切 时错综复杂会形成某些区域的闭合,致使这些区域不 能进行相位展开,在图3a中就可以看到这种情况.质 量图导向法同样是随着噪声的加重,也会陷入局部的 相位展开错误,如图3b所示.而基于网络规划的最小 费用流法,其抗噪声的能力以及与原始相位保持一致 性都是最优的,随着噪声加重,变化较小,一直为 0.(3)全局相位展开中,最小二乘法和正则化法相位 展开的结果,虽然在视觉上感觉很好,如图3d和图3e 所示,但是对数据扭曲很严重,并且随着噪声的加重, 扭曲更严重,从.的数值较大,以及变化很大可以看 出来.ZcrM算法平滑噪声的能力很强,其在平滑噪声 的过程,使相位展开的结果逼近未加入噪声时的原始 相位面,从图3f中可以看到非常满意的结果. 4结论 通过以上的分析可以看到,基于网络规划的最小 费用流法和基于贝叶斯推断的ZcrM算法是在相位展 开问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 应用中值得选择和改进的两种算法. 参考文献 [1]ITOHK.Analysisofthephaseunwrappingalgorithm[J].ApplOpt, 1982,21(14):2470. 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(上接第322页) 响布儒斯特角放置的片状结构激光器损耗的3个要 素:抽运损耗,腔内的固有损耗和腔内的动态损耗.对 3种不同类型的损耗的产生和对激光器输出特性的影 响进行了分析,并开展了相应的实验研究.研究结果 表明:(1)低的抽运辐射耦合效率是布氏角片状激光 器总体效率偏低的一个不可忽视的原因;(2)该系统 的腔内固有损耗较小,但采用的多片结构使介质表面 的反射损耗成为腔内损耗的主要原因;(3)腔内动态 损耗增加是导致激光器重复频率运行时输出性能下降 的一个重要原因. 参考文献 [2] WANGChCh,ZHENGWG,YUHW,eta1.Researchofsmallsignal gaincharacterinlargeaperturesquarebeamslabamplifiers[J].High PowerLaserandParticleBeam,2000,12(1):155-158(inChinese). YUHW.ZHENGWG,WANGChCh,eta1.Designandperform- ancesofprototypelaseramplifiersfortechnical-integration-linefacility [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [J].OptEngng,2003,42(3):725-729. YUHW,ZHENGWG,HESB,eta1.Physicalperformanceoptimiza- tionforhighpowerNd:glasssolidstatelaseramplifiers[J].Chinese JournalofLasers,2002,29(s1):81-85(inChinese). WANGChCh,YUHW,ZHOUH,etalAnewhighpowersolid—state lasermulti—segment—amplifier[J].LaserTechnology,2003,27(1):1— 3(inChinese). 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