激光器泵浦灯3杜秀兰(电子工业部第五十三研究所　锦州　121000) 摘　要　本文详细介绍了两种固体激光器最常用的泵浦灯—脉冲氙灯和连续氪灯的种类、结构、三种封接形式的优缺点与抗冲击性能、发射光谱、效率、寿命等特性,提出了提高泵浦灯效率及寿命的方法。

关键词　激光器泵浦灯　脉冲氙灯　连续氪灯　封接　效率　寿命1　序言固体激光器可以用很多方法来泵浦,例如灯的辐射、太阳光的辐射、惰性气体中的击波发光、电子激发发光等等。

在这些方法中,要属泵浦灯最为成熟,应用最广。

其原因是:第一,制作工艺较为简单,使用方便;第二,适用范围广,能在脉冲或连续状态下工作。

脉冲运转的激光器通常采用脉冲氙灯,而连续输出的激光器则采用连续氪灯。

本文主要介绍泵浦固体激光器最常用的脉冲氙灯和连续氪灯。

2　种类和结构脉冲氙灯又叫闪光灯,能在极短的时间内发出强光,象闪电一样一闪而过,是目前除激光器外最亮的光源。

脉冲氙灯的管壁厚约1—1.5mm,内径为5—10mm,通常灯内充入200—400mmHg的氙气。

脉冲氙灯虽有许多形状和尺寸,但类型只有两种———管形和球形。

管形包括螺旋形、环形、U形、π形和直管形。

直管形脉冲氙灯基本由玻璃或石英外壳、电极、安装灯头组成,如图1所示。

图1　直管形脉冲氙灯结构 连续氪灯通常用优质石英管制成,管壁的厚度比同尺寸的脉冲氙灯薄一些(为的是减小管壁温度梯度和热应力),一般不超过1mm。

小型氪灯充气压为3—4atm,大型氪灯的充气压为2.5-3atm。

氪灯的形状一般是直管形。

泵浦灯的灯管可以由在紫外光谱区透过的石英玻璃制成,也可以由掺氧化铈和氧化3　收稿日期:1998-05-18钛的合金石英玻璃制成,在350—380nm的紫外辐射基本上被管壁吸收掉,并产生400—500nm的荧光转换。

阴极是泵浦灯的一个重要部件,它对灯的性能(特别是寿命)起着决定性影响。

大多数灯的损坏都是因阴极性能变劣和失效而引起的。

阴极的特性主要取决于它所采用的电子发射材料,常采用高熔点、高电子发射率、不易溅射的钍钨、钡钨和铈钨材料制成。

国外一般都使用浸渍钡化合物的多孔钨作为阴极材料,阴极的工作头与硬钨支架用镍焊料焊在一起。

俄罗斯生产泵浦灯的阴极有掺有氧化钍和氧化钇的钨阴极,也有掺钡化合物的钨阴极。

3　封接形式与抗冲击性能泵浦灯的使用性能首先是由工艺水平和使用结构材料的质量所决定。

泵浦灯的制作关键是石英管与钨杆的封接,封接形式直接影响灯管的抗冲击性能。

目前有三种封接形式:逐级过渡封接,钼箔气泡封接,帽罩钎焊封接。

3.1　逐级过渡封接是指从石英管到钨杆之间用几种膨胀系数不同的过渡玻璃以实现钨杆与石英管的封接。

由于截面积小,封接热稳定性较差,在封接处温度一般不宜超过200℃,自然冷却管壁负载仅为0.5—1W/cm2。

这种封接方式只适合于小能量、低重复频率状态下工作,在单次输入能量大、重复频率高的状态下不适用,而这些正是高科技军事工业所需的。

目前国外普通采用只有1—2道过渡的高温钨石英热扩散封接,这种工艺作的灯具有大的导电体截面积,无电焊连接点,零件数目少,封接区长度短(5mm左右),外观规整等优点。

灯性能稳定可靠,封接处可承受600—800℃的高温而不致炸裂。

不仅可在较高的重复频率和较大的单次输入能量状态下工作,而且可耐大电流冲击和温度冲击。

3.2　钼箔气泡封接在封接部位的石英玻管内放一段与钼箔长度相当的石英气泡,气泡直径与石英玻管内径的间隙很小,钼箔上开槽增大封接面积,边缘腐蚀成刀口状,中间厚两边薄,以便于封接。

分为带状和环形钼箔气泡封接两种。

这种封接方式作的灯机械强度高,结构牢靠,电极散热条件好,耐振动抗冲击。

可在低电流密度、较高的重复频率状态下工作,多数情况下需水冷。

除大能量脉冲氙灯外,大部分固体激光器用泵浦灯均可以此法制作。

德国OSRAM公司生产了一系列连续氪灯,使用了带状钼箔封接。

俄罗斯生产的大部分泵浦灯都采用环形钼箔封接。

3.3　帽罩钎焊封接用铅或银铜焊料封接成,适用于极高功率和大电流下工作,耐冲击状况也较好。

俄罗斯生产的小部分泵浦灯是帽罩钎焊封接。

4　发射光谱泵浦灯的发射光谱取决于电流密度。

当电流密度增加时,光谱能量分布的重心移向短波段,且连续谱的增加比线状谱快,逐渐遮盖了线光谱。

因此,产生越来越强的短波辐射。

在紫外和可见区连续谱占优势,在800nm附近有较强的光谱线。

线性光谱在低电流密度下红外较强,在高电流密度下显得不明显。

另外,脉冲氙灯的光谱能量分布还与储能电容器上的电压和电容有关。

电压升高,向短波方向移动,电压降低,向长波方向移动。

电容的大小可以改变输出光强。

连续氪灯的发射光谱呈现强烈的线状光谱,连续谱区的峰值强度比线光谱小几个数量级,这主要是因为在连续工作时,电流密度低。

氪灯的发射光谱主要集中在760nm和810nm附近,与Nd3+:YA G激光晶体的两个吸收峰(位置在0.7μm和0.8μm)有比较好的光谱匹配。

图2给出了氪灯(实线)和氙灯(虚线)的光谱特性曲线。

图2　氪灯(实线)和氙灯(虚线)的光谱特性曲线(氙灯d i=4mm,1=60mm,p0=0.08MPa,C=290μΦ,U0=700V,L=13μH,τ=250μc,p=0.4MW/cm3)矩形表示Nd3+:YA G激光晶体的主要吸收带5　效率泵浦灯的效率首先取决于电流密度,其次还取决于充入气体种类、充入气体压强和电路设计。

随着电流密度的增大,辐射效率由25%提高60%。

在电流密度低时,对效率实际起作用的是线性辐射。

由图2可知,只是在很窄的红外谱区,氪灯的相对辐射比氙灯强,其余的光谱区氙灯的相对辐射比氪灯强。

因为氪灯的线性光谱与Nd3+:YA G激光物质的吸收光谱能更好地匹配,所以在连续或低脉冲状态下,氪气比氙气对泵浦Nd3+: YA G更有效,约有7%的输入功率被吸收。

然而,即使在光谱匹配较好的情况下,由于灯的发射光谱范围宽,而激光材料的吸收带较窄,灯的有用泵浦功率与输入到灯的功率之比,也仅为百分之几。

为了改善灯的光谱分布和提高激光器的总体效率,在灯内主要通过掺杂,即在灯内掺入各种成分的气体或易蒸发的固体,使有用谱线辐射增强。

如为提高Nd3+:YA G的泵浦效率,使用氪灯时在灯中加入了10%的氙气。

这样,放电温度降低了,而线性辐射部分增加了。

在电流密度高,放电时间短时,充入原子序数小的惰性气体(氩气,氖气)更有效。

6　寿命为了使灯不致于因输入能量、功率过大而导致损坏,有较长的寿命,灯的负载必须远离极限负载。

即使是这样,使用一段时间后,放电灯的管壁会出现发黑、发白、龟裂等现象,输出下降,着火电压升高,不能正常启动,工作不稳定而丧失使用价值。

如果辐射输出为初始值的80%,即可认为灯的寿命中止。

连续氪灯的寿命用小时衡量,脉冲氙灯的寿命用正常闪光次数量度。

影响氪灯使用寿命的主要因素是电极溅射物或蒸发的沉积物使阴极区发黑,造成灯管严重丧失透明性,发光效率下降。

灯的几何形状、管厚、充气压及管壁冷却状况也对寿命有影响。

国外如:“Hereaus Noblelight”公司称其生产的氪灯的寿命不少于300小时。

与其相比,俄罗斯的氪灯由于负载不同,寿命从200到750小时不等。

脉冲灯的寿命通常由下式来评价: m=(E xE0)8.57这里,E x—爆炸能量,E0—工作能量。

由此式可知,当E0<<E x时,灯有较长的工作寿命。

通常把输入能量选在爆炸能量的40%以下。

这个公式没有考虑灯损耗时电极和发光辐射的作用,因此实际上按公式计算的结果有偏差。

特别是在E x/E0负载因子很大时,寿命也偏短。

因此,脉冲灯在高重频下工作(工作能量E0小)或者脉冲持续期长(爆炸能量E x 大)时,提高其寿命还有很大的潜力。

提高泵浦灯的寿命是以研究外壳和电极的损坏过程为基础。

灯主要有四种损坏形式:(1)由于光辐射染色,外壳的透过率降低。

(2)在光参数无明显变化时突然损坏。

(3)由于外壳材料的二氧化硅物理—化学分解,如放电焦耳热引起管壁蒸发、析晶、分解,导致积分光强度下降和灯损坏。

(4)由于电极物质在强电流作用下会熔解溅射,沾污在管壁上,形成不透明的薄膜。

主要损坏形式间的关系取决于外壳的表面负载。

第(1)种损耗是在表面负载相对较小,小于100W/cm2时,有光辐射染色。

这时灯的工作性能很好,只是由于积分光强度下降,灯才发生故障。

第(2)种损耗是表面负载为100—200W/cm2,由于在灯的石英外壳产生机械应力而使灯损坏。

现在可以认为,由下列被证实的因素形成这些应力。

等离子体的紫外辐射(确切地说,λ=130-190nm)作用于外壳,在石英管壁上形成内在缺陷,这个缺陷引起在有限的层内材料密度的增加。

形成的一定密度的玻璃层,与主要材料的质量不同,产生了应力。

随着应力的增加,导致灯损坏。

第(3)种和第(4)种损耗过程实际上一直在进行,但损耗速度取决于表面负载,取决于灯外壳和电极的组成和结构。

在表面负载为150-250W/cm2时,灯的寿命既由(2)—(4)过程单独确定,又由灯自身特殊的相互作用所决定。

这样,提高脉冲氙灯寿命,要在脉冲氙灯的制作工艺上采取各种有效措施和选用适宜材料,不断提高脉冲氙灯的质量。

主要途径是使用掺杂石英外壳或者在内表面涂有吸收紫外辐射防护层的外壳时寻找高效的、抗腐蚀的电极材料。

为了提高寿命,在高负载时必须降低外壳与电极间的相互腐蚀。

解决这个问题有两个途径。

第一,提高阴极对腐蚀的稳定性。

第二,靠减少壁厚降低外壳内表面的温度(这时必须考虑灯的机械强度下降),以及减少外壳或掺杂石英外壳内表面的杂质浓度。

7　结束语泵浦灯的优点很多,如制作工艺较为简单,使用方便,适用范围广,能在脉冲或连续状态下工作等,但也有不足之处,主要是泵浦效率低。

目前作为固体激光器的泵浦源基本上还是采用泵浦灯。

随着激光技术的不断发展,固体激光器的规格品种越来越多,对灯的性能要求也越来越高,越来越严格。

只有不断提高灯的技术性能和可靠性,提高灯的泵浦性能,才能适应固体激光器的发展,从而进一步提高固体激光器的品质。

参考文献1　雷仕湛.激光技术手册.科学出版社.19902　杨臣华等.激光与红外技术手册.国防工业出版社.19903　许长存.固体激光器件.西北电讯学院.19874　и.с.МАРШАКА//Имцулъсныеисточникисвета.19785　ГС.ЛЕОНОВ.лампынакачка//Светотехника.1997.No6(上接第60页)文中介绍不一定全面、准确,如能引起有关人员的关心,也就达到了目的。

上述各种电器只是光电对抗中应用的主要电器,而不是全部。

其中,有些电器的性能并不能满足日益发展的光电对抗需求。

为此,需要有关人员深入了解光电对抗中应用的电器以及它们的性能要求、环境使用条件等等,以便创造出更适合光电对抗应用的电器。