激光、激光技术 激光器件 气体激光器

TN248.2 2006031999一种新型TEA CO2激光器的实验研究=Experi mental re-search on a novel TEA CO2laser[刊,中]/张莉莉(哈尔滨工业大学光电子研究所.黑龙江,哈尔滨(150001)) ,任德明…∥光学技术.—2006 ,32(1) .—131-133设计了一种新型结构的激光器—双通道放电激励折叠腔TEA CO2激光器。该激光器通过提高脉冲能量输出水平来增加激光输出谱线和激光差分吸收雷达可探测的气体种类。它在增大激光器放电时间长度的同时保证了较小的激光器体积,更好地满足了激光差分吸收雷达光源体积小,重量轻,输出能量高的要求。得到激光器输出能量…     

焦耳级放电激励紫外预电离HF激光器

研制了一台采用紫外火花预电离和横向放电结构的非链式电激励脉冲HF激光装置,采用氢闸流管结合一级磁脉冲压缩开关的高功率电激励系统。实验研究了激光工作介质SF6,H2不同压强比和总工作气压对激光输出能量的影响,得出了最佳气体组分,确定了最佳工作气压。总气压在8.8 kPa,气体组分H2与SF6气压比为1:9时,获得最佳的激光输出,输出能量达到1.3 J,激光器的光电转换效率达到2.4%。:     

稀有气体卤化物准分子激光器工作气体实时补给技术

为延长稀有气体卤化物准分子激光器工作气体使用寿命,在原有供气设备基础上增加了工作气体实时补给技术.该技术采用FPGA控制系统将逐步提高放电电压、补充卤素气体和更换部分混合气体等操作有效组合起来.随着激光脉冲能量的下降,逐步提高放电电压;当放电电压达到最大值时,开始补充卤素气体,并恢复放电电压;当补充卤素气体效果不明显时,更换部分混合工作气体.将该技术应用于医用型ArF准分子激光器中进行实验研究,结果表明:在没有使用工作气体实时补给技术的情况下,激光器累计工作14.38 h后,输出单脉冲激光能量下降了17.2％;采用工作气体实时补给技术后,激光器输出能量下降速率明显降低,累计工作14.38 h,其单脉冲能量下降率能控制在3％范围内.因此,采用该技术可延长激光器工作气体的使用寿命、提高输出激光能量稳定性、减少停机次数并降低运行成本.     

0.73 J脉冲能量KrF准分子激光器的特性

研制了一台KrF大能量准分子激光器,激光器采用紧凑型Chang电极与紫外火花预电离的结合, 实现了激活区大面积的均匀辉光放电,利用LC反转倍压以及一级磁脉冲压缩技术在放电电容上实现了峰值电压40 kV、脉冲上升时间约为100 ns的高压快脉冲激励。研究了工作气体含量对激光器能量输出的影响,在总气压3.3105 Pa,F2/He, Kr, Ne体积分数比值为1.97∶3.18∶94.85,充电电压27 kV时,得到了738 mJ的单脉冲能量输出,激光近场光斑30 mm14 mm,在充电电压23 kV时,全电效率最高,达到2.0%。     

稀有气体卤化物准分子激光器工作气体实时补给技术（英文）

为延长稀有气体卤化物准分子激光器工作气体使用寿命,在原有供气设备基础上增加了工作气体实时补给技术.该技术采用FPGA控制系统将逐步提高放电电压、补充卤素气体和更换部分混合气体等操作有效组合起来.随着激光脉冲能量的下降,逐步提高放电电压;当放电电压达到最大值时,开始补充卤素气体,并恢复放电电压;当补充卤素气体效果不明显时,更换部分混合工作气体.将该技术应用于医用型ArF准分子激光器中进行实验研究,结果表明:在没有使用工作气体实时补给技术的情况下,激光器累计工作14.38h后,输出单脉冲激光能量下降了17.2%;采用工作气体实时补给技术后,激光器输出能量下降速率明显降低,累计工作14.38h,其单脉冲能量下降率能控制在3%范围内.因此,采用该技术可延长激光器工作气体的使用寿命、提高输出激光能量稳定性、减少停机次数并降低运行成本.     

放电激励重复频率非链式HF激光器

 利用紫外预电离横向放电和气体循环结构建立了一套放电激励重复频率HF激光装置。研究了激光器工作介质SF6/C2H6混合气体放电特性和激光输出特性,获得激光器单次运行的最佳输出参数;通过对激光器重复频率运行时不同气体流速、充电电压与气体总压条件下的放电状态和输出能量的比较,分析了激光器重复频率稳定运行的必要条件。结果表明：所研制的激光器最大单脉冲能量0.6 J,峰值功率3 MW,电光转换效率2.4%;当混合气体工作介质以3.5 m/s的流速循环时,激光器稳定运行的最高工作频率可达50 Hz,脉冲输出能量稳定在0.26 J,平均功率达到13 W。     

紫外预电离放电引发的非链式脉冲DF激光器

采用紫外预电离的横向放电方式和稳定光学谐振腔,使用无毒无腐蚀性的六氟化硫(SF6)和氘气(D2)作为工作物质,研究了工作气体配比、总气压对放电引发非链式脉冲氟化氘(DF)激光器输出能量的影响。实验发现SF6与D2的最佳比例为10:1,最佳总气压为10.5 kPa。使用DF激光谱线分析仪对激光输出谱线进行了测量,得到了17条P支跃迁谱线,激光能量集中在3.876μm附近的几条谱线。利用烧蚀光斑的方法测得输出激光束水平方向、垂直方向的发散角均为1 mrad。在最佳工作条件下,充电电压为39 kV时,激光单脉冲输出能量达到最大值3.58 J,此时激光脉冲宽度为215 ns,峰值功率为16.65 MW,电光转换效率为2.08%。     

全固态激励小型TEA CO_2激光器的研制

基于国产非晶态合金磁芯,研制了采用可控硅开关、脉冲升压变压器、以及两级磁脉冲压缩网络的全固态激励电路系统,并且应用于放电体积为29 cm3,工作气压为100 kPa的电晕预电离小型TEA CO2激光器。讨论了提高系统能量传输效率和减小系统体积的设计方法,并且测量了系统的工作性能以及各部分的能量损失。实验结果表明:磁脉冲压缩网络的能量传输效率大于83%,全固态激励系统的总效率大于75%;连接激光器负载时,输出脉冲的电压峰值约为22 kV,电流上升时间约为100 ns;得到了脉冲能量109 mJ,宽度70ns的激光输出,激光器整体效率约为3.3%。在目前的封离体积与气体循环方式限制下,激光器最大重复频率约为100 Hz,而激励电路部分可以达到400 Hz的工作频率。     

放电泵浦ArF准分子激光动力学模拟与参数分析

利用一维流体模型研究了放电泵浦ArF准分子激光动力学过程,得到气体放电过程中放电电路的电流电压波形,得到了电子密度、光子密度、电场的时空分布特性,分析了放电参数对激光输出的影响。结果表明,电路参数、工作气压、氟气比例均对激光输出有显著影响,放电电路中的电感值对输出影响较小,参数范围较广,而电路中较小的峰化电容值有利于获得长脉冲输出,气压太大或太小都会使输出能量降低,同样,氟气比例太大或太小也会使输出能量降低。     

放电引发非链式脉冲HF激光器输出光谱特性研究

利用项目组研制的放电引发脉冲HF激光器,测量并研究了激光输出光谱的特性。结果表明:放电引发脉冲HF激光光谱的能量主要集中于v(3—2),v(2—1)以及v(1—0)三个振动跃迁辐射带,在2.65～3.05μm波长范围内测量得到了13～16条主要的输出谱线,其中v(2—1)振动跃迁输出能量占比最大,在40%～50%之间。适当改变充电电压和工作气体总压力可以调节各个振动带输出能量的比例:v3振动能级输出能量的比例随着激光器充电电压的增加而增大,随着工作气体总压力的升高而减小,这与v1振动能级的情况相反。     

大功率脉冲TEA CO2激光器配气比对输出的影响

大功率脉冲TEA CO2激光器的放电腔在不同工作气压和不同配气比例条件下对激光器输出能量和电光转换效率均有较大影响,因此,通过充气压力从30kPa到60kPa的改变和配气比例CO₂:N₂＝1:1到CO2:N2＝1:4的变化,可以改变激光器的输出能量,提高激光器电光转换效率。实验结果表明：当CO2:N2的配气比例为1:3时,激光器输出的电光转换效率存在最佳点。在最佳配气比例CO2:N2:He＝3:9:28,总气压40kPa和注入激励电能保持不变的情况下,激光器单脉冲放电时的输出能量为24.6J;激光器高重复频率放电运转时的电光转换效率达16.4％。激光器的最高放电频率可以达到500Hz并且连续稳定运行工作。     

Numerical solution of Boltzmann tranport equation for TEA CO2 laser having nitrogen-lean gas mixtures to predict laser characteristics and gas lifetime

Selective laser isotope separation by TEA CO₂ laser often needs short tail-free pulses. Using laser mixtures having very little nitrogen almost tail free laser pulses can be generated. The laser pulse characteristics and its gas lifetime is an important issue for long-term laser operation. Boltzmann transport equation is therefore solved numerically for TEA CO₂ laser gas mixtures having very little nitrogen to predict electron energy distribution function (EEDF). The distribution function is used to calculate various excitation and dissociation rate of CO₂ to predict laser pulse characteristics and laser gas lifetime, respectively.Laser rate equations have been solved with the calculated excitation rates for numerically evaluated discharge current and voltage profiles to calculate laser pulse shape. The calculated laser pulse shape and duration are in good agreement with the measured laser characteristics. The gas lifetime is estimated by integrating the equation governing the dissociation of CO₂. An experimental study of gas lifetime was carried out using quadrapole mass analyzer for such mixtures to estimate the O₂ being produced due to dissociation of CO₂ in the pulse discharge. The theoretically calculated O₂ concentration in the laser gas mixture matches with experimentally observed value. In the present TEA CO₂ laser system, for stable discharge the O₂ concentration should be below 0.2%.     

Pulse stretching with CO in a tea CO2 laser

By the addition of CO in conjunction with a high Q cavity, a TEA CO₂ laser has been operated to give pulses with durations up to 150 μs. Preliminary investigations of the dependence of delay to initiation, pulse energy and duration, on gas mixture, charging voltage and output mirror reflectivity are described.     

TEA CO2激光器不同放电电路放电过程的比较

 利用像增强CCD相机对脉冲CO₂激光器的放电区进行观测,获得了放电辉光的发展过程,由此研究了长脉冲放电电路和短脉冲放电电路对放电过程的影响。发现普通电容放电电路（长脉冲放电电路）存在与自持放电阶段相对应的二次辉光;采用磁压缩开关的短脉冲放电电路,预电离出现较晚,但预电离辉光峰值和主放电辉光峰值之间间距较短,不存在自持放电阶段,只观测到一次强辉光。长脉冲放电电路与短脉冲放电电路在放电的后期均存在一个阴极位降区形成的过程。短脉冲放电电路有利于产生更窄的脉宽和更高的峰值功率。     

溶液浇铸法制备氘代聚乙烯薄膜

采用改进的溶液浇铸法,用氘代聚乙烯为原料,制备了厚度为100, 200, 400 μm的氘代聚乙烯薄膜。研究了溶液温度、干燥温度、真空加热温度及时间等因素对成膜性、薄膜均匀性和透明性的影响,确定了最佳工艺条件:溶液温度120～130 ℃,干燥温度80～100 ℃,加热温度120 ℃,加热时间1 h。3维视频显微镜和原子力显微镜表征结果表明:制备的薄膜透明性较好,厚度较均匀;薄膜表面起伏较小。     

小型可调谐单纵模TEA CO2激光器

对在三镜腔中插入法布里-珀罗(F-P)标准具实现单纵模激光输出的方法进行了分析,计算了激光器的输出特性。设计研制了一台单纵模可调谐TEA CO2激光器。采用在三镜腔中插入F-P标准具的方法实现了单纵模激光的调谐输出。当激光器以5 Hz重复频率运转时,得到9P(16)谱线能量大于200 mJ,脉冲宽度约为150 ns。     

基于脉冲CO2激光锡等离子体光刻光源的极紫外辐射光谱特性研究

研究了不同条件下脉冲放电CO₂激光烧蚀平板锡靶产生的等离子体极紫外辐射特性, 设计并建立了一套掠入射极紫外平焦场光栅光谱仪, 结合X射线CCD探测了光源在6.5～16.8 nm波段的时间积分辐射光谱,得到了极紫外光谱随激光脉宽, 入射脉冲能量及背景气压的变化规律。实验结果发现：入射激光脉冲能量在30～600 mJ变化时,极紫外辐射光谱的强度随辐照激光脉冲能量的增加而增加, 但并不是线性关系, 具有饱和效应, 且产生极紫外辐射的脉冲能量阈值约为30 mJ,当激光脉冲能量为425 mJ时具有最高的转换效率,此时中心波长13.5 nm处2%带宽内的转换效率约为1.2%。激光脉冲半高全宽在50～120 ns范围内变化时, 极紫外辐射光谱的峰值位置均位于13.5 nm,光谱形状几乎没有什么变化, 但是脉宽从120 ns变到52 ns后,由于激光功率密度的提高,极紫外辐射强度也随之增强了约1.6倍。极紫外光谱的强度随背景气压的增大而迅速下降, 当腔内空气气压为200 Pa时, 极紫外辐射光子几乎被全部吸收,而当缓冲氦气气压为7×104 Pa时,仍能够探测到微弱的极紫外辐射信号,计算表明100 Pa的空气对13.5 nm极紫外光的吸收系数为3.0 m-1,而100 Pa的He气的吸收系数为0.96 m-1。     

印刷电路板预电离3.6 kW TEA CO2激光器

在TEA CO₂激光器中采用印刷电路板预电离结构,在单节放电体积为5cm×4cm×90cm 的两节串连的激光器中获得了20.4 J单脉冲能量输出,电光转换效率达12.8％.激光器重复频率工作时,气体清洗系数大于3,在最高重复频率180 Hz下获得了3.6 kW平均输出功率.     

相位板偏振偏转角对径向偏振光的梯度力分布的影响

研究了同心分区偏振偏转相位板对径向偏振光梯度力的调制效应。给出了相位板各部分偏振偏转角不同时,光学梯度力的分布情况。模拟结果表明:随着同心分区相位板各部分的半径和偏振旋转角的改变,光学梯度力方向及大小明显变化,且会产生许多可控的梯度力分布模式,可应用于微粒的收集、分离和合并。结果显示同心分区相位板对径向偏振光的调制可以用来生成可调光镊。     

200mJ光泵浦氨气太赫兹激光器北大核心CSCD

利用光栅选支调谐的TEA CO2激光器作为泵浦源设计了高能量脉冲光泵浦太赫兹激光器。太赫兹激光谐振腔由2m长的石英玻璃管、GaAs泵浦光输入窗和SiO2太赫兹光输出窗组成,氨气充入谐振腔内作为增益介质。太赫兹激光的波长由自主设计的金属线栅F-P干涉仪测量。实验中在多个波长处都获得了强烈的太赫兹光输出,其中151.5μm太赫兹光的输出脉冲能量高达204mJ,对应的泵浦光能量为32J。最后,还给出了利用151.5μm太赫兹光进行透视成像的实验结果。