XeCl激光器的电学参数工作条件的选择.docx

1、XeCl激光器的电学参数工作条件的选择课程设计（论文）任务书学 院理 学 院专 业光信息科学与技术学生姓名李振庄班级学号0909020127课程名称激 光 原 理 课 程 设 计课 程 设 计（论文）题目XeCl激光器的（电学参数）工作条件的选择设计要求（技术参数）：1）以给定泵浦电路研究激光输出与泵浦电路参数关系2）说明XeCl准分子激光器的基本原理，用软件优化设计激光输出特性 设计任务：优化设计XeCl准分子激光器的泵浦电路参数掌握准分子的基本概念和XeCl准分子激光器的基本原理说明XeCl准分子激光器特点及其应用了解计算软件的使用，以软件计算激光输出特性了解正交设计方法，优化设计XeCl

2、准分子激光器的泵浦电路参数撰写设计论文计划与进度安排：1. 第一周教师讲解题目内容、任务和论文要求， 学生查阅资料，星期四（最迟星期五）提出设计方案；2. 第一周周四到第三周星期二（包括星期六星期日）完成设计，得出全部结论；3. 第三周星期三完成并上交论文；4. 星期四教师审查论文，合格者星期五论文答辩。 成绩：指导教师（签字）：年 月 日 专业负责人（签字）： 年 月 日 摘 要准分子激光是二十世纪七十年代出现的一种以准分子为增益物质，具有高增益、高效率、大能量等特点的新型激光。由于准分子体系的固有特点，决定了它是一一种较好的激光介质体系。准分子激光输出能量比氮分子激光高四个数量级以上，工作

3、波长在紫外区及真空紫外区，准分子激光光谱宽度比原子激光宽很多，并可调谐。准分子激光的出现使可调谐高效激光波长从红外扩展到紫外和真空紫外。准分子激光被越来越多的应用于激光化学、非线性光学、激光光谱学等领域，已成为一种重要和不可缺少的激光器件。本论文首先对XeCl准分子激光特点，原理进行了评述，其次准分子激光器作为紫外波段的强相干光源，其应用领域很广。激光的单脉冲特性、重复频率和电光转换效率是激光器的主要技术指标。改进激光器的放电泵浦电路、提高电光转换效率、获得高重复频率输出是制造大功率准分子激光器的关键。研究激光器的放电特性，可以了解激光器的放电匹配情况、能量沉积特性及放电稳定性等，还可以通过改

4、变激光器放电电路的参数获得理想的激光输出，且对提高激光输出功率也有一定作用。XeCl准分子激光器的激光输出特性受很多因素影响，本质上是非线性和时滞性的复杂系统。利用实验方法确定激光器的多种参数费时、费力又不经济。目前，XeCl准分子激光器的工作机理已经基本清楚，通过复杂的理论计算得出的激光输出特性与实验结果已经基本一致，因而可以在计算机上模拟实验，寻找在一定条件下的最佳参数组合。本文采用俄罗斯科学院强电流电子学研究所提供的计算软件，通过正交设计优化，得到了通常条件下几种最佳的泵浦电源参数组合。 关键词：速率方程；XeCl准分子激光器；泵浦电路参数；正交设计实验 目 录摘要 一、XeCl 准分子

5、激光原理1.1准分子激光器原理1.2 XeCl准分子激光器动力学方程二 、XeCl 准分子激光器的应用2.1生物医学应用中的准分子激光2.2热核聚变中的准分子激光2.3超快现象中的准分子激光三、正交设计方法优化 3.1泵浦电路及参数选择3.2正交设计试验3.3结论：参考文献 一、 XeCl准分子激光器基本原理1.1准分子激光器原理准分子激光是二十世纪七十年代出现的一种以准分子为增益物质，具有高增益、高效率、大能量等特点的新型激光。由于准分子体系的固有特点，决定了它是一种较好的激光介质体系。准分子激光输出能量比氮分子激光高四个数量级以上，工作波长在紫外区及真空紫外区，准分子激光光谱宽度比原子激光

6、宽很多，并可调谐。准分子激光的出现使可调谐高效激光波长从红外扩展到紫外和真空紫外。准分子激光被越来越多的应用于激光化学、非线性光学、激光光谱学等领域，已成为一种重要和不可缺少的激光器件。普通分子的基态都具有束缚型势能曲线，因而能稳定的存在。而准分子则不然，它在激发态较为稳定，以分子形式存在，而在基态极不稳定，寿命极短，无分子形式存在。所以准分子是一种在激发态复合成分子，而在基态离解成粒子的 不稳定的广义的分子。准分子激光中的上能级是准分子的激发态，属于束缚态，其寿命约为10-8s， 下能级是准分子的基态，极不稳定，它们或是排斥态或是处在能级曲线凹低很浅 的极小值，其寿命约为10-”s。准分子激

7、光器工作在由准分子束缚的激发态向相 互排斥的基态跃迁，产生的连续光谱带区(如图11)，是基于准分子电子跃迁 的激光器。由于下能级分子的迅速离解，束缚一自由态跃迁使得很容易建立起粒 子数反转产生增益。 图中0是基态(排斥态)，A是分子的最低激发态，B为高激发态。在核间距 离R。处，电子势能曲线A有最小值。与R。对应的基态分子很不稳定，它将沿着 这个排斥位能曲线向R增加的方向移动，直至最后分解成独立的原子。因此，在 R。附近的Frank-Condon区(虚线处)内很容易建立起A能态与0能态之间的粒 子数反转。根据上面的理论模型，我们对放电过程中发生的反应过程进行模拟。放电激励XeCl激光器包含着很

8、复杂的化学物理过程，可以罗列出很多个反应通道。为了简化模型，我们只考虑对产生激光有重要影响的一些主要过程。放电是在Ne、Xe、HCl混合物中进行的，总气压在一个大气压。 1.2XeCl准分子激光器动力学方程激发和吸附离解过程：XeCl+的形成过程：XeCI+本身受激辐射：猝灭过程：放电室内由于存在着Xe+2及CI一，它们对XeCl+辐射波长的吸收：二、准分子激光器的应用2.1生物医学应用中的准分子激光作为冷光源准分子激光在生物医学中的应用于其他激光在机理上有所不同。冷光源对人体组织的作用称为烧蚀光分解作用。其原理是组织表面吸收紫外光予使分子键断裂甚至被打碎而挥发，然后再从表面烧蚀掉。准分子激光

9、经光纤引入血管内，气化病变的血管阻塞物，不仅能成功地消融血栓或动脉粥样硬化斑块，而且切割边缘光滑整齐，没有热损伤，因而在临床治疗方面显示了巨大的潜力。目前，国际上确认准分子激光治疗心血管疾病是最理想的光源。自1987年加拿大心脏研究所的Keen教授首次用准分子激光进行了世界上首例冠脉血管成形术以来，许多科学家参与了研究，并取得了飞快的发展。1989年用XeCI准分子激光做了123例，1991年做了2000例，而1993年，据不完全统计，全世界有近万人用308nm的XeCl激光进行了治疗。准分子激光角膜成形术是目前眼科手术最热门的前沿。早期的临床采用放射状角膜切开术(RK)，目前则采用激光角膜切

10、除术(PRK)(采用ArF激光193nm)。激光PRK法比RK法更优越，它的工作原理是：高能量的193ran光子打断角膜组织分子的化学键，由计算机控制激光的脉冲数，选择性的雕刻一定深度，在角膜上形成一个薄的凹透镜，矫正近视。矫正远视，可在角膜上雕刻成凸透镜。在这种手术中，组织被消融得十分干净，表面光滑，邻近未受照射的组织没受到任何影响，可精确控制消融的深度和范围，达到预计要矫正的屈光度。目前激光角膜屈光术已获得美国FDA的批准，可对近视、远视和散光的眼球角膜进行治疗大面积的浅表切除(PRK法)，达到治疗目的。除此之外，准分子激光在心消融、前列腺消融和神经外科手术等等都有广泛的应用。2.2热核聚

11、变中的准分子激光 大量的实验结果表明，在惯性约束热核聚变中最有效的是短波长高能激光，同位素氘氚靶丸对辐照波长在250hm附近的光子能有很好的吸收。因此，KrF激光是实现惯性约束聚变最理想的方案之一，为此在洛斯阿拉莫斯国家实验室已经建起了世界上最大的强流电子束泵浦的KrF激光振荡一放大装置。在那里激光惯性约束聚变似乎看到了曙光。2.3超快现象中的准分子激光因为超短脉冲光源在许多领域有着十分广阔的应用前景，特别是在生物大分子方面，超快光化学方面有着较大的优越性。所以超快现象的研究经久不衰，一直受到人们的重视。实现超快相干光源一般有两个方案，一是以固体激光为主导光源，二是以准分子激光为主导光源。Sc

12、hafer教授早在几年前已实现了最短脉宽的准分子激光光源，脉宽达60fs“。他们利用XeCl激光泵浦染料激光经饱和吸收实现了可见光的飞秒种子光源。然后将种子光源倍频到249nm，通过KrF激光放大器实现了249nm处的超高峰值功率、大能量、高光束质量输出。三、正交设计优化激光输出3.1泵浦电路及参数选择XeCl准分子的特点决定了准分子激光器的泵浦电路是高压脉冲快速充放电回路，泵浦电源的功率大，电流和电压的上升时间短.放电特点是高压快速放电产生上升速率快的高峰值电流脉冲.泵浦电路见图 1 .图中: Cs和 Cp 分别是储能电容和峰化电容; Ls和 Lp分别是储能电感和峰化电感;Rsp是火花 (预

13、电离 )电阻; Rp l是发光等离子体电阻准分子激光器的电光转换效率依赖于两个过一是从电能到放电等离子体的能量转移；二是离子体中的能量向光能量的转换 ，这与气体中电子密度分布、 化学动力学过程有关.而第一个程取决于泵浦电路。3.2正交设计试验本文中位级数值的选取及泵浦电路原理图均来自论文XeCl准分子激光器泵浦电参数的优化设计 沈阳理工大学学报 宁日波4因素位级数值水平因素1234Cp (nF)16.232.464.8129.6Lp(nH)2.04.08.016.0Rsp/0.20.41.02.0U/kV11.015.019.022.0本文只计算了激光脉冲峰值功率，分别计算出各种试验条件下的结

14、果。本题是4因素4水平，选用正交表L16（）。 水平试验号因素结果CsLpRspUPm/MW/ns1234567891011121314151613241324132413242442311313314224313113134242242422334411332211442.2403.1004.925.63006.37000005.6706027071220025000002.40试验结果极差分析表、 因素 CsLpRspU各试验水平Pm之和123413.538.775.630127.914.923.104.925.6710.976.3702.249.4716.22Pm之和的极差13.538.

15、96.0516.22各试验水平之和12341027422047537127714755250652140之和的极差10244461403.3结论：从分析结果可以得出:以下4种参数的组合能获得高功率激光输出.它们分别是: 1134, 2134, 2224和 1314组合。由表中的四种最优参数组合的激光峰值功率在 56MW而前三种组合的激光脉宽差别较小 ,都在 42ns左右 ,第四种 1314组合 (Cp = 1612nF, Lp = 810nH, Rsp= 012 , U = 2210kV)的输出激光脉宽为 71ns,远长于 42ns, 追求长脉宽的激光输出应首选第四种1314组合.另外 ,第一

16、种 1134组合(Cp = 1612nF,Lp = 210nH, Rsp = 110, U = 2210kV)中 ,峰化电容和峰化电感都较小 ,这在元件的选择上是有利的.笔者认为第一种和第四种更具优势.以下图形分别为1134, 2134, 2224和 1314组合的时间-功率图1134最大功率6.65E6W2134最大功率6.29E6W1314最大功率5.67E62224最大功率4.92参考文献1 XeCl准分子激光器的设计研制及其特性研究2 XeCl准分子激光器泵浦电参数的优化设计， 沈阳理工大学学报 ，宁日波、徐送宁、徐志洁，20063 周炳琨激光原理M北京：国防工业出版社，19954 横向脉冲放电XeCl准分子激光器工作特性的研究，东南大学硕士学位论文，邓光明，凌一鸣,20035 网址：6