激光器輸出功率與能量

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1、激光器輸出功率與能量 美國(guó)海軍成功試射海上激光炮擊毀目標(biāo)船只http:/ 美國(guó)諾斯洛普-格魯曼公司與美國(guó)海軍共同研發(fā)“海洋激光示范者”(MLD)海上激光炮。2011年04月12日07:40來(lái)源:中國(guó)新聞網(wǎng) http:/ 據(jù)香港文匯報(bào)11日?qǐng)?bào)道,美國(guó)海軍月初在海上試射激光炮,成功擊毀一艘目標(biāo)小船,專(zhuān)家稱(chēng)這是美國(guó)海軍發(fā)展新一代海上激光武器的重要里程碑。預(yù)計(jì)激光炮最快2014年6月完成研發(fā)。激光炮名為“海洋激光示范者”(MLD),由美國(guó)國(guó)防工業(yè)公司諾斯洛普。格魯曼與海軍共同研發(fā)。激光炮使用固體激光器技術(shù),通過(guò)類(lèi)似水晶的固體作為激光介質(zhì),將15千瓦(kW)的能量聚集,用于攻擊目標(biāo)。美國(guó)海軍本月6日在圣

2、尼古拉斯島附近的太平洋海域試射,自衛(wèi)試驗(yàn)艦“福斯特”號(hào)利用一臺(tái)安裝在甲板上的激光炮,向移動(dòng)中的無(wú)人駕駛目標(biāo)小船發(fā)射。小船“中炮”起火焚燒,其后被火焰吞噬。 視頻截圖:被美海軍激光炮擊毀的無(wú)人快艇MLD開(kāi)發(fā)人員指出,MLD和其它激光武器除了可以攻擊海上目標(biāo),還可以打擊飛機(jī)或岸上目標(biāo)。去年7月,美國(guó)海軍便在同一試射地點(diǎn)首次試射艦載激光炮,在2英里外擊中4架時(shí)速300英里的無(wú)人機(jī)。MLD甚至可以攻擊巡航導(dǎo)彈,但所需能量將達(dá)數(shù)百千瓦。 在密集陣基礎(chǔ)上發(fā)展的”百人隊(duì)長(zhǎng)“激光器,但美國(guó)海軍激光武器計(jì)劃繁多,尚未清楚此次海上擊毀快艇試驗(yàn)的激光器源于哪個(gè)項(xiàng)目。 每秒射穿6米鋼材料除了MLD等固體電子激光器,美

3、國(guó)軍方同時(shí)研發(fā)以自由電子激光器(FEL)技術(shù)作為激光武器。FEL不需任何激光介質(zhì),就能產(chǎn)生千瓦級(jí)能量。美軍2月曾測(cè)試FEL激光炮,成功利用50萬(wàn)伏特電壓制造電子束,每秒能射穿20呎(約6米)的鋼材料。分析認(rèn)為,F(xiàn)EL比MLD更靈活,但海軍預(yù)計(jì)最快要到本世紀(jì)20年代才能正式推出以兆瓦(MW)為單位的FEL武器。此外,海軍也正在研發(fā)電磁道道炮,但要到2025年才能推出。 內(nèi)容提要連續(xù)或長(zhǎng)脈沖激光器的輸出功率短脈沖激光器的輸出功率馳豫振蕩效應(yīng) LD的基本知識(shí)不同的泵浦方式 (一)激光器穩(wěn)態(tài)工作的建立如果腔內(nèi)某一振蕩模式的頻率為q,開(kāi)始時(shí),由于tq gIg q ),( , 腔內(nèi)光強(qiáng)Iq逐漸增加,同時(shí)由

4、于飽和效應(yīng),g(q,Iq) 將隨Iq的增加而減少,但只要g(q,Iq) 仍比gt大,這一過(guò)程就將繼續(xù)下去,即Iq 繼續(xù)增加, g(q,Iq) 不斷減小,直到 lgIg tq q ),( ,增益和損耗達(dá)到平衡, Iq不再增加。這時(shí),激光器建立了穩(wěn)定工作狀態(tài)。 當(dāng)g0()gt時(shí),dNl/dt0,腔內(nèi)光強(qiáng)不斷增加。無(wú)限增加? 當(dāng)外界激發(fā)作用增強(qiáng)時(shí),小信號(hào)增益系數(shù)g0()增大,此時(shí)Iq必須增大到一個(gè)更大的值才能使g(q,Iq) 降低到gt并建立起穩(wěn)定工作狀態(tài),因此激光器的輸出功率增加。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的大信號(hào)增益系數(shù)總是等于gt 。結(jié)論:在一定的激發(fā)速率下,即當(dāng)g0()一定時(shí),激光器的輸出功率保持恒定;當(dāng)外

5、界激發(fā)增強(qiáng)時(shí),輸出功率隨之上升,但在一個(gè)新的水平上保持恒定。 (二)連續(xù)或長(zhǎng)脈沖激光器的輸出功率1、均勻加寬單模激光器?腔內(nèi)平均光強(qiáng)Iq 在駐波型激光器中,腔內(nèi)存在著沿腔軸方向傳播的光I+和反方向傳播的光I-,二者同時(shí)參與飽和作用如果T1,穩(wěn)態(tài)工作時(shí)增益系數(shù)也很小,近似認(rèn)為I+=I-,腔內(nèi)平均光強(qiáng)Iq=2 I+。穩(wěn)態(tài)情況下, 0 ( )1 ( )qH qs qg I lI 求得腔內(nèi)平均光強(qiáng)為0 ( )( ) 1 q H qs q g lI I ( , )qH q tg I g ?輸出功率設(shè)激光束的有效截面面積為A,則激光器的輸出功率為0 ( )1 ( ) 12 H qs q g lP ATI

6、ATI 1)在T1時(shí), ,a為往返指數(shù)凈損耗因子,通常a1。上式改寫(xiě)為aT2 02 ( )1 ( ) 12 H qs q g lP ATI a T 問(wèn)題:損耗增加,泵浦閾值和輸出功率如何變化? 2)光泵激光器 Pp及Ppt分別為工作物質(zhì)吸收的泵浦功率及閾值吸收泵浦功率,S為工作物質(zhì)橫截面面積0 ( )H q pt ptg Pg P 0 1 ( 1)2 Pptp ptA PTP PS P ( ) ( 1) ps p pt s pt ptPP P P P P s稱(chēng)為斜率效率結(jié)論:一旦激光器確定了,斜率效率就確定了;輸出功率隨泵浦功率線(xiàn)性增加。問(wèn)題:輸出功率與泵浦功率、損耗、工作物質(zhì)長(zhǎng)度有什么樣的關(guān)

7、系?耦合系數(shù):0=T0/2 3)最佳透射率及功率輸出功率和反射鏡的透射率T有關(guān)。當(dāng)T增大時(shí),一方面提高了透射光的比例,有利于提高輸出功率,同時(shí)又使閾值增加,從而導(dǎo)致腔內(nèi)光強(qiáng)的下降。在透射率T1時(shí),令dP/dT=0,求出最佳透過(guò)率Tm 02 ( )m H qT g la a 最佳輸出功率0 21 ( )( 2 ( ) )2m s q H qP AI g l a (三)短脈沖激光器的輸出能量1 00 2 1( ) ( )p t p ptp pEA AE h n V E ES h S 內(nèi))( ptps EEE Ep及Ept分別為工作物質(zhì)吸收的泵浦能量及閾值泵浦能量,s稱(chēng)為斜率效率1 2 VnhE t

8、PPt 腔內(nèi)光能部分變?yōu)闊o(wú)用損耗,部分經(jīng)輸出反射鏡輸出到腔外。設(shè)諧振腔由一面全反射鏡和一面透射率為T(mén)的輸出反射鏡組成,則輸出能量為0 1 ( 1)2 pptp ptEA TE ES E 小結(jié):均勻加寬單模激光器輸出功率:02 ( )1 ( ) 12 H qs q g lP ATI a T )( ptps EEE T10E4h,脈沖10E9次波長(zhǎng) 630680nmAlGaInP 770990nmGaAlAs 9001000nmInGaAs模塊化價(jià)格高 基本結(jié)構(gòu) 三、二極管線(xiàn)陣和陣列條線(xiàn)陣 陣列條 面陣封裝 光纖耦合半導(dǎo)體激光器 此LD陣列上有10個(gè)bar條,每個(gè)bar條長(zhǎng)10mm。bar條間距1.6mm。10個(gè)bar條共寬16mm。慢軸(10mm)方向的發(fā)散角為10,快軸發(fā)散角40, 光譜與重復(fù)頻率、電流關(guān)系 二極管激光泵浦耦合技術(shù)一、泵浦方式1、端面泵浦2、側(cè)面泵浦3、基于內(nèi)反射的泵浦構(gòu)型二、耦合光學(xué)系統(tǒng) 一、泵浦方式1端面泵浦 2側(cè)面泵浦 3基于內(nèi)反射的泵浦構(gòu)型 二、耦合光學(xué)系統(tǒng) 直接側(cè)面泵浦 使用柱透鏡耦合的側(cè)泵浦 透鏡管道端面泵浦 Thanksverymuch!

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