声光技术 06讲 第三章 脉冲TEA CO2激光器1

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1、第三章第三章 脉冲脉冲TEA CO2TEA CO2激光器激光器(1)(1)第第0606讲（讲（2 2学时）学时）激光声遥感中要确保：激光声遥感中要确保：光声转换效率！光声转换效率！实现强吸收！实现强吸收！激光的选择及其特性非常重要！激光的选择及其特性非常重要！（1 1）固体激光器固体激光器一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。如一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。如：Nd:YAGNd:YAG激光器。激光器。NdNd（钕）是一种稀土族元素，（钕）是一种稀土族元素，YAGYAG代表钇铝石榴石，晶体代表钇铝石榴石，晶体结构与红宝石相似。结构与红宝石相似。激光器可分为固体、气体、

2、液体、半导体和染料等几种类型激光器可分为固体、气体、液体、半导体和染料等几种类型532绿光固体激光器（2 2）半导体激光器半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简体积小、重量轻、寿命长、结构简单，特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。单，特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。高功率固体激光器半导体激光半导体激光器瞬态特性器瞬态特性（3 3）气体激光器气体激光器以气体为工作物质，单色性和相干性较好，激光波长可达以气体为工作物质，单色性和相干性较好，激光波长可达数千种，应用广泛。数千种，应用广泛。（4 4）以液体染料为工作物质的）以液体染料为工作物质的染料激光器染料激光器于于1966

3、1966年问世，广泛应用于各年问世，广泛应用于各种科学研究领域。染料激光器种类繁多，价格低廉，效率高，输出功率可与种科学研究领域。染料激光器种类繁多，价格低廉，效率高，输出功率可与气体和固体激光器相媲美，应用于分光光谱、光化学、医疗和农业。气体和固体激光器相媲美，应用于分光光谱、光化学、医疗和农业。可调谐环行腔单频钛可调谐环行腔单频钛宝石、染料激光器宝石、染料激光器 （5 5）红外激光器红外激光器已有多种类型，应用范围广泛，它是一种新型的红外辐已有多种类型，应用范围广泛，它是一种新型的红外辐射源，特点是辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强。射源，特点是辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性

4、强。按照激光的波长分还有按照激光的波长分还有（6 6）X X射线激光器射线激光器在科研和军事上有重要价值，应用于激光反导弹武器在科研和军事上有重要价值，应用于激光反导弹武器中具有优势。中具有优势。固体红外气体红外半导体红外SLACSLAC国家加速器实验室，世界国家加速器实验室，世界最强最强X X射线激光器。射线激光器。20092009年年4 4月月，直线加速器相干光源（，直线加速器相干光源（LCLSLCLS）在这里成功诞生。这个巨型）在这里成功诞生。这个巨型激光器激光器长长130130米，由实验室米，由实验室3 3公公里长的直线粒子加速器提供动里长的直线粒子加速器提供动力，每次启动发光装置研究

5、人力，每次启动发光装置研究人员需花员需花2 2小时。该设备制成耗时小时。该设备制成耗时3 3年，而从计划提出到完成开工年，而从计划提出到完成开工准备历时几乎准备历时几乎1010年。年。（7 7）化学激光器，化学激光器，有些化学反应产生足够多的高能原子，就可以释放出有些化学反应产生足够多的高能原子，就可以释放出大能量，可用来产生激光作用。大能量，可用来产生激光作用。按照激光的工作机制分：按照激光的工作机制分：MW量级的氧碘激光器（8 8）自由电子激光器自由电子激光器，它从加速器中获得几千万伏高能调整电子束，经，它从加速器中获得几千万伏高能调整电子束，经周期磁场，形成不同能态的能级，产生受激辐射。

6、周期磁场，形成不同能态的能级，产生受激辐射。美海军利用新型激光器美海军利用新型激光器在数秒内击落巡航导弹在数秒内击落巡航导弹，该武器预计到，该武器预计到20202020年年中期将能够在一秒钟之中期将能够在一秒钟之内穿透约内穿透约609609米的钢板。米的钢板。（9 9）准分子激光器准分子激光器：以准分子为工作物质的一类气体激光器件。常用相对论电以准分子为工作物质的一类气体激光器件。常用相对论电子束（能量大于子束（能量大于200千电子伏特）或横向快速脉冲放电来实现激励。当受激态准分千电子伏特）或横向快速脉冲放电来实现激励。当受激态准分子的不稳定分子键断裂而离解成基态原子时，受激态的能量以激光辐射

7、的形式放出子的不稳定分子键断裂而离解成基态原子时，受激态的能量以激光辐射的形式放出。（10 10）光纤导波激光器光纤导波激光器：光纤激光器主要由泵源，耦合器，掺稀土元素光纤，光纤激光器主要由泵源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。泵源由一个或多个大功率激光二极管构成，其发出的泵浦光经谐振腔等部件构成。泵源由一个或多个大功率激光二极管构成，其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介质的掺稀土元素光纤，泵浦波长上的光子被掺杂特殊的泵浦结构耦合入作为增益介质的掺稀土元素光纤，泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光纤介质吸收，形成粒

8、子数反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。光输出。锁模光纤激光器锁模光纤激光器紫外准分子激光器紫外准分子激光器脉冲脉冲TEA CO2TEA CO2激光器概况激光器概况脉冲脉冲TEA COTEA CO2 2激光器的特点：激光器的特点：（1 1）技术成熟，应用广泛；）技术成熟，应用广泛；（2 2）可输出很高的功率；）可输出很高的功率；（3 3）波长）波长10.6um10.6um，是水的良好吸收波长。，是水的良好吸收波长。200W300W150W普通普通CO2CO2激光器激光器小型脉冲小型脉冲TEA-CO2激光器激光器 150mJ150mJ多模能量输出，并配有多模能量输出，并配有T

9、EM TEM 0000模选项，光栅波长调节选项，模选项，光栅波长调节选项，9.2-10.8um9.2-10.8um内内6060条谱线输出。条谱线输出。TEA(Transverse Excited Atmospheric Pressure)(横向激励大气压)脉冲脉冲TEA CO2TEA CO2激光器概况激光器概况（1 1）大气压横向放电室；）大气压横向放电室；（2 2）主放电电极；）主放电电极；（3 3）预电离器；）预电离器；（4 4）光谐振腔；）光谐振腔；（5 5）主放电电容；）主放电电容；一种一种TEA COTEA CO2 2 激光器结构图激光器结构图（6 6）预电离电容；）预电离电容；（7

10、 7）主放电调制器；）主放电调制器；（8 8）高压供电电源；）高压供电电源；（9 9）真空和充气装置等部分。）真空和充气装置等部分。主要结构主要结构放电室放电室抽真空抽真空放电室放电室加入加入COCO2 2为主为主的的N N2 2和和HeHe气混合气体气混合气体N N2 2和和HeHe气提高气提高气体均匀性和气体均匀性和能量转换效率能量转换效率预电离预电离主电极通过主电极通过高压辉光放电高压辉光放电对气体进行激励对气体进行激励（00000 01 1）态上的）态上的COCO2 2分子大量增加分子大量增加正反馈作用下正反馈作用下跃迁至（跃迁至（10100 00 0）态）态能量间隔：能量间隔：10.

11、6um10.6um极大的能量输出极大的能量输出TEA COTEA CO2 2激光器基本工作过程以及声遥感中的要求激光器基本工作过程以及声遥感中的要求（1 1）在大气压下均匀激发大体积放电；）在大气压下均匀激发大体积放电；（否则会产生弧光现象，破坏光辐射）（否则会产生弧光现象，破坏光辐射）（2 2）正确选择能够高效率、高光学质量）正确选择能够高效率、高光学质量 地提取所储存能量的光谐振腔。地提取所储存能量的光谐振腔。（否则会产生降低效率，破坏光质量）（否则会产生降低效率，破坏光质量）主要问题：主要问题：3.1 横向大气压放电的激励横向大气压放电的激励3.1.1 TEA CO2激光器的非自持放电激

12、励激光器的非自持放电激励（1 1）非自持放电需要一个很强的电子非自持放电需要一个很强的电子源源v 电子枪产生的高能电子束电子枪产生的高能电子束100keV-100keV-200keV;200keV;v 高电子浓度可达到高电子浓度可达到10101212/cm/cm3 310101313/cm/cm3 3;v 主放电电极上的高压电场加速电子主放电电极上的高压电场加速电子，使其能更好地激励，使其能更好地激励COCO2 2和和N N2 2分子；分子；v 电场强度电场强度 离化阈值，不产生电子倍离化阈值，不产生电子倍增，放电完全由预电离决定。增，放电完全由预电离决定。（2 2）放电间隙提供放电间隙提供传

13、导电子功能传导电子功能；放电间隙里的混合气体提供放电间隙里的混合气体提供激发激发功能；功能；两个功能是分开的，可以分别达到最优。两个功能是分开的，可以分别达到最优。（3 3）优点优点：高效率、高比能量输出、大体积放电、脉冲宽度可调。高效率、高比能量输出、大体积放电、脉冲宽度可调。（4 4）缺点缺点：技术复杂、价格高、体积大、质量大、可靠性不高、有放射性技术复杂、价格高、体积大、质量大、可靠性不高、有放射性危险。危险。3.1.2 TEA CO23.1.2 TEA CO2激光器的自持放电激励激光器的自持放电激励原理原理:在自持放电中，由外加预电离提供的初始电子浓度不高于在自持放电中，由外加预电离提

14、供的初始电子浓度不高于10105 5-10108 8/cm/cm3 3，电子倍增和使混合气体获得增益激励两种功能结合，均由，电子倍增和使混合气体获得增益激励两种功能结合，均由激光器主供电电源来实现。激光器主供电电源来实现。技术关键：技术关键：放电间隙里电子能量的翻转唯一地由形成放电的条件决定放电间隙里电子能量的翻转唯一地由形成放电的条件决定从从激励观点看，能量条件不是最佳的。激励观点看，能量条件不是最佳的。与非自持放电激励相比：自与非自持放电激励相比：自持放电的激光器效率低、能量低；结构简单、紧凑、可靠、便宜。持放电的激光器效率低、能量低；结构简单、紧凑、可靠、便宜。得到了更广泛的应用。得到了

15、更广泛的应用。3.1.2 TEA CO23.1.2 TEA CO2激光器的自持放电激励激光器的自持放电激励预电离器的主要类型：预电离器的主要类型：（1 1）双重放电预电离器；）双重放电预电离器；（2 2）电晕放电预电离器；）电晕放电预电离器；（3 3）光电离预电离器；）光电离预电离器；（1）双重放电预电离器）双重放电预电离器v使用某种类型的使用某种类型的复合阴极复合阴极，v使用固体辅助电极或在介电护套里使用固体辅助电极或在介电护套里导线分开。导线分开。复合电极通过几复合电极通过几nFnF小电容连接到高压阳极上，当电脉冲加到阳极上时，首先自动开小电容连接到高压阳极上，当电脉冲加到阳极上时，首先自

16、动开始始辅助放电辅助放电，在阴极表面附近产生许多，在阴极表面附近产生许多初始电子初始电子，这些电子被主放电电场加速，导致均匀，这些电子被主放电电场加速，导致均匀放电。放电。结构简单、适于重复工作、不污染放电腔；结构简单、适于重复工作、不污染放电腔；电离效率低、限制了形成自持放电的体积、能量输入及可靠性电离效率低、限制了形成自持放电的体积、能量输入及可靠性。（2 2）电晕放电预电离器）电晕放电预电离器 电晕放电预电离器电晕放电预电离器是借助辅助紫外光辐射形成大体积气体光电离的。可利用的紫外光是借助辅助紫外光辐射形成大体积气体光电离的。可利用的紫外光源，有源，有 沿着主放电电极两侧伸展的精细金属丝

17、辉光放电沿着主放电电极两侧伸展的精细金属丝辉光放电，如（，如（a）所示。）所示。或或 排在电极两侧的介电表面的辉光放电排在电极两侧的介电表面的辉光放电，如（，如（b）所示。）所示。预电离器电晕放电的能量，都是预电离器电晕放电的能量，都是通过通过电容供给电容供给的，限制了预电离的，限制了预电离的能量，从而限制了放电间隙和的能量，从而限制了放电间隙和激光器的大小，激光器的大小，电极受腐蚀电极受腐蚀也很也很严重严重更可靠、更可靠、更有效、更有效、更适合设计工作时间长、体积更适合设计工作时间长、体积小、重复频率高的小、重复频率高的TEACO2激光激光器。器。（a）（b）（3 3）光电离预电离器）光电离

18、预电离器目前使用的目前使用的光电预电离器光电预电离器类型有：（类型有：（a）体火花预电离器；体火花预电离器；（b）多火花表面放电预电离器；）多火花表面放电预电离器；（c）等离子体预电离器。）等离子体预电离器。（a）激光器通常使用）激光器通常使用第一种类型预电离器第一种类型预电离器，其火花间隙小，一般为，其火花间隙小，一般为1cm-3cm，置于主放电旁边的火花，提供横向非均匀照明，维持非均匀的自持放电。置于主放电旁边的火花，提供横向非均匀照明，维持非均匀的自持放电。不便之处不便之处：火花横向放置，重复操作能够导致火花横向放置，重复操作能够导致火花电极腐蚀物对气体的污染。火花电极腐蚀物对气体的污染

19、。应用应用：使用最广泛，脉冲能量可高达使用最广泛，脉冲能量可高达20J，脉冲重复频率高达脉冲重复频率高达500Hz-1000Hz，平均输出功率高达平均输出功率高达1KW。改进改进：火花电极可以放在主放电网眼电火花电极可以放在主放电网眼电极下，这样可以提供均匀的照明。极下，这样可以提供均匀的照明。（b b）多火花表面放电预电离器）多火花表面放电预电离器使用放在网眼电极下的敷以金箔的纤维玻璃豫电离器，可以均匀激发使用放在网眼电极下的敷以金箔的纤维玻璃豫电离器，可以均匀激发5-10L的的体积放电，其比能量输出高达体积放电，其比能量输出高达300J/L，单脉冲能量可达，单脉冲能量可达300J。在能耗为

20、泵浦能量的在能耗为泵浦能量的3-5%，所加电压不高，所加电压不高20-30kV的条件下，此型预电离器，的条件下，此型预电离器，可以均匀离解间隙为可以均匀离解间隙为10cm的两电极放电，电极面积为的两电极放电，电极面积为10cm*100cm。重复频率可。重复频率可达达几百几百Hz，但此时使用寿命约，但此时使用寿命约104个脉冲。个脉冲。改善预电离器的设计，使用固定在电解质上的环行火花电极，使用寿命可以改善预电离器的设计，使用固定在电解质上的环行火花电极，使用寿命可以增大增大1-2个量级个量级，重复频率为，重复频率为几几kHz。火花预电离器的主要特点火花预电离器的主要特点优点：优点：v 可以增加紫

21、外光源的能量输入，提高光电电离率，可以增加紫外光源的能量输入，提高光电电离率，v 增大放电间隙增大放电间隙5-10cm，v 增加能量输出和激光工作的可靠性及稳定性。增加能量输出和激光工作的可靠性及稳定性。缺点：缺点：v 需要复杂的供电系统，需要复杂的供电系统，v 通常主放电要用单独电源以及可控的延时。通常主放电要用单独电源以及可控的延时。（c c）等离子体预电离器）等离子体预电离器等离子体预电离器等离子体预电离器不用中间电极直接在大介电表面上进行放电的预电离器。不用中间电极直接在大介电表面上进行放电的预电离器。这种技术是预电离技术的进步，其这种技术是预电离技术的进步，其优点优点：它的电离效率高，即使没有网眼电极也行。它的电离效率高，即使没有网眼电极也行。可使用重复工作方式，可使用重复工作方式，紧凑的等离子体板重复频率达几万紧凑的等离子体板重复频率达几万Hz。缺点缺点：但寿命短但寿命短105-106次，次，同时也存在电极与电介质损同时也存在电极与电介质损坏以及混合气体污染，坏以及混合气体污染，等离子体板上的供电线路复杂，等离子体板上的供电线路复杂，在在10cm表面间隙上加高压表面间隙上加高压50-70kV，电压上升速率不小于，电压上升速率不小于108kV/s，必须使用高介必须使用高介电常数和高电强度的特殊电电常数和高电强度的特殊电介质。介质。谢谢大家认真听课！谢谢大家认真听课！