TEA CO2激光器序列带的输出特性

采用双光栅谐振腔和增长放电增益区,进行了TEA CO2激光器弱线输出特性研究。在CO2,N2,He气体体积比为0.16∶0.21∶0.63,总压强为57.3 kPa情况下,获得6条11 μm波长附近弱线(序列带和热带)激光输出,谱线脉宽为400 ns左右。研究了011-030带的P19线的输出波形和能量,结果表明：谱线输出能量随光栅中心的位移变化而变化,当光栅中心在放电区中心轴线上时输出最强,最大输出能量达几百mJ。     

TEA CO2激光器非对称电极系统的电场分布

 设计了一种非对称电极,这种非对称电极的阳极是Chang电极或Ernst电极,阴极是由直线和圆弧构成的简单电极。通过比较和分析非对称电极和对称电极的特点发现,非对称电极系统中简单电极的边缘电场起伏最大。采用有限元方法计算了非对称电极系统中的简单电极取不同的直线长度和弧线半径时,非对称电极系统的电场分布,给出了选择非对称电极系统中的简单电极参数的依据。结果表明：这种非对称电极系统结合了解析电极和简单电极的优点,通过选择非对称电极系统的简单电极参数,它可以在TEA CO₂激光器中产生边缘电场起伏小于0.06,且满足电极表面均匀场面积宽度要求的电场。     

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。     

TEA CO2激光器预电离结构电极系统的电场研究

 高功率气体激光器的非对称复杂电极系统中,电极参数的变化以及预电离结构的引入将会使所设计的均匀电场发生具体的改变。采用高精度有限元方法,对这类复杂电极系统进行建模并且计算其电场分布,根据分析结果更合理地指导激光器设计。对一种典型的非对称复杂电极系统TEA CO₂激光器,应用该方法并结合了预电离过程,研究了引入预电离器导体和变化电极形状对电极表面的电场强度起伏和放电空间的均匀电场面积产生的影响。结果表明:通过这种预先模拟,合理选择电极构型参数和预电离结构安装位置,可以产生性质较好的均匀电场以及效率较高的激光输出。     

TEA CO2激光器几种放电电极的比较

 从均匀场电极理论出发，计算并讨论了近似Rogowski电极、Chang电极(含紧凑式Chang电极)和Ernst电极的形状、理论电场分布和实际电场分布。对实验室所用的几种电极进行了脉冲放电实验，从而获得了TEA CO₂激光器的放电参数与输出特性，并对这些结果进行了比较和分析。计算表明，在基本参数相同的情况下，Ernst电极具有最紧凑的外形和最佳的均匀电场分布。实验表明，采用近似Rogowski电极的TEA CO₂激光器具有最大放电辉光范围和44 kV的最小放电击穿电压；采用Ernst电极的TEA CO₂激光器具有25 J的最高单脉冲能量和最大17.2%的斜率效率。最后提出了TEA CO₂激光器主电极的选择建议。     

高功率TEA CO2激光器主机结构优化设计

为促进高功率TEA CO2激光器的工程化应用,对主机结构进行了小型化轻量化研究。设计了一种新型环形流道式主机结构,取代原来的圆筒式结构。采用计算机有限元分析方法对壳体结构的应力和变形进行模拟计算,通过对2种结构在刚度、稳定性和重量方面的对比分析,以有筋板的盒式壳体取代纯盒式壳体结构,壳体设计壁厚由7mm下降到4 mm,最大变形减小了近1个数量级,由1.11 mm减小到0.126 mm。研制出的壳体实测变形与模拟计算结果最大误差仅为1.58%。经测量,新型的环形流道式主机比圆筒式主机体积减小约30%,重量减少约40%,放电区气流速度由84.8 m/s提高到97 m/s。在相同的工作参数下进行出光实验,新型主机与圆筒式主机相比,激光重复频率由400 Hz提高到了470 Hz,激光输出平均功率由6 800 W提高到7 900 W。     

高功率TEA CO2激光器两波长激光切换输出技术

 以TEA CO₂激光器通常采用的平-凹光学稳定腔为基础,提出了一种新的波长选支方法——输出窗口镀膜选支方法。利用一台高平均功率TEA CO₂激光器进行了选支实验研究,结合现有光学镀膜技术,得到了中心波长为9.3 μm的激光单谱线输出,其单脉冲能量及平均功率与激光器原中心波长10.6 μm单谱线输出的相应参数基本相当。研究发现,以相同单脉冲能量激光照射热敏纸时,中心波长9.3 μm激光光斑与中心波长10.6 μm的明显不同。同时,还设计出两波长窗口密闭免调切换装置,在一台激光器上实现了10.6,9.3 μm两个中心波长激光同等功率水平的免调切换输出,切换位置误差小于5″,密封性能满足使用要求。     

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。     

高功率TEA CO_2激光器非稳腔实验研究

为了提高光束质量、压缩光束发散角,利用现有高功率稳定腔TEA CO2激光器进行了非稳谐振腔的技术改造及激光输出试验,非稳谐振腔采用正分支虚共焦型非稳腔方案。为充分研究谐振腔结构参数及激光振荡模体积对输出能量和光束发散角的影响,共设计加工了包含4种放大率、5种模体积的20组非稳腔腔镜组合。在其它参数都相同的试验条件下,进行了非稳腔镜的单脉冲输出对比试验,得到的最大输出能量为14 J,是原平凹稳定腔的70%,而光束发散角只是原平凹稳定腔的1/4。     

可调谐TEA CO2激光器多频输出

为了满足多频红外激光分离同位素的需要,采用平行的双光栅腔结构,在最佳混合气体体积分数、总压强50.7 kPa、电压27 kV条件下,成功得到了TEA CO2激光器常规带多组双频和三频激光输出。输出的双频波（或三频波）具有良好的空间重叠性和时间同步性,输出波长可调谐且调谐范围较大,激光从一光栅旁边近似地沿平行于腔轴的方向输出,可以满足对一些物质双频（或多频）激发或分离同位素的需要。     

紫外预电离TEA CO2激光器放电特性的实验研究

 横向激励大气压（transversely excited atmospheric,TEA）CO₂激光器的放电稳定性是决定该类型激光器应用效果的关键因素。通过对采用电感充放电电路的紫外预电离激光器的实验研究，得到了激光器放电动态过程的规律，并发现残余振荡是主放电后发生弧光放电的主要原因。实验中采用不同配比的气体，并对电感充放电电路与改进后的硅堆充放电电路进行了比较。实验结果表明：增加充电电感值可以降低主放电结束后储能电容上的残余电压；而采用硅堆放电电路在主放电后仅有相对幅值很低的稳定残压，两种方案都大幅度抑制了弧光放电的形成，有效地提高了激光单脉冲能量。     

玻璃陶瓷Blumlein线的传输特性

研究了以不同电极宽度的玻璃陶瓷平板传输线所搭建的Blumlein线传输特性。为获得高压快脉冲输出,实验采用了正失配负载以及通过激光二极管触发的高工作场强光导开关。在几种不同电极宽度的平板Blumlein脉冲形成线实验中获得了具有平顶的脉宽9ns的高压脉冲,脉冲幅值可达20kV以上;由于开关偏置电压较低,导致开关内阻变大,输出效率变低。     

玻璃陶瓷Blumlein线的传输特性

研究了以不同电极宽度的玻璃陶瓷平板传输线所搭建的Blumlein线传输特性。为获得高压快脉冲输出, 实验采用了正失配负载以及通过激光二极管触发的高工作场强光导开关。在几种不同电极宽度的平板Blumlein脉冲形成线实验中获得了具有平顶的脉宽9 ns的高压脉冲, 脉冲幅值可达20 kV以上;由于开关偏置电压较低, 导致开关内阻变大, 输出效率变低。     

Two-color TEA CO2 laser oscillation on the lines of regular and hot bands

Based on the separation of two orthogonally-polarized waves simultaneous, efficient lasing on an arbitrary pair of lines of regular 00⁰1-10⁰0(02⁰) and hot 01¹1-11¹0 bands in the TEA CO₂ laser has been obtained. The possibility of controlling energy, spectral, and temporal radiation parameters of the two-wavelength regime over a wide range is shown experimentally.     

Absorption by CS<Subscript>2</Subscript> molecules on “hot” band emission lines from a TEA CO<Subscript>2</Subscript> laser

We have measured absorption of emission from a TEA CO₂ laser, lasing on hot band lines, in pure CS₂ and a mixture of CS₂ with air, and we have determined the optimal lines for optical excitation. Numerical modeling has shown that as the peak intensity of the pump radiation is increased, we observe absorption saturation, the extent of which decreases as the pressure increases. The major factor responsible for absorption saturation is the “rotational bottleneck” effect. Depending on the peak intensity of the radiation, addition of a buffer gas can lead to an increase or decrease in the absorption. __________ Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 74, No. 1, pp. 61–66, January–February, 2007.     

TEA CO2 laser ablation of coronary artery

Summary One of the prerequisites for successful laser angioplasty is the ablation of the atherosclerotic lesions, without thermal or shock-wave damage of the healthy tissue. In this study was evaluated the effectiveness of a TEA CO₂ laser, emitting pulses of the lower TEM mode, 100 ns duration, at a repetition rate of 2.4 Hz, for the ablation of cardiovascular tissue. Normal and atherosclerotic human arteries (post mortem) were irradiated for a range of fluences up to 10J pulse⁻¹ cm⁻². After irradiation, the samples were prepared for histologic examination. The results showed that controlled ablation of normal and atherosclerotic coronary artery can be accomplished with the TEA CO₂ laser, with minimal thermal damage.     

具有同空间特性的双波长可调谐TEACO2激光器

研制成功一种新型双波长TEACO2激光器,激光器在一对横向放电电极之间设置两个空间部分重叠的光栅_平面腔,两光栅沿腔轴一前一后放置,且在空间上交叠,两个腔相互利用,能够输出含有两种波长成分的激光脉冲。输出的同一激光脉冲中两波长激光场在空间上部分重叠,重叠程度和两种波长激光场的能量比均可通过调整前面光栅的水平横向位置加以控制,通过调节两光栅的角度选择所需支线,波长调谐方便且调谐范围较宽。该激光器在分离硼同位素的实验中得到了初步成功的应用。