摘 要

脉冲氙灯泵浦的Nd-YAG激光器用电容充放电电路给氙灯充电，实现电能到泵浦光能量的转换，泵浦管特性决定激光器输出激光脉冲的特性。从电路设计、氙灯输出光特性、工作物质吸收泵浦光、工作物质输出受激辐射放大激光的思路出发，从理论和实验上分析电源特性及其与输出激光脉冲特性的关系。

分析结果为：在激光电源中，氙灯内的工作电流和电压波形为脉冲形式，随着电源电压的增大，工作电流的峰值线性增加，脉冲宽度线性减小；工作物质低能级向高能级的抽运速率变化曲线与氙灯脉冲波形相同，根据腔内光子数密度与抽运速率的关系得出：光子数密度变化曲线为脉冲形式，在忽略腔内损耗的影响下，随着电压增大，抽运速率的峰值线性增大，脉宽线性减小，腔内光子数密度峰值线性增大，脉宽线性减小。在实际测量无法忽略损耗的情况下，激光的输出特性与理论情况下不同：输出激光的脉宽、能量和峰值随着电压的增大而线性增大。

本文的特色在于：采用MATLAB对激光器中对氙灯泵浦光与电压的关系、输出光特性与抽运速率的关系进行仿真，并与实验进行对比，对新型激光器的研制有一定的参考意义。

关键词：脉冲氙灯电源；激光器控制电路；抽运速率；激光输出特性

Abstract

The pulsed xenon lamp-pumped Nd-YAG laser charges the xenon lamp with a capacitive discharge circuit to realize the conversion of the energy to the pump light energy. The pump tube characteristic determines the characteristics of the laser output laser pulse. Based on the idea of ​​circuit design, xenon lamp output light, working material absorption pump light and working material output stimulated radiation laser, the relationship between power characteristics and output laser pulse characteristics is analyzed theoretically and experimentally.

The results show that the working current and voltage waveform in the xenon lamp are in the form of pulse. As the power supply voltage increases, the peak value of the working current increases linearly and the pulse width decreases linearly. The low level of the working material decreases to the high energy level The change of pumping rate is the same as that of xenon lamp pulse. According to the relationship between the number of photons in the cavity and the pumping rate, the change of photon number density is the pulse form. Under the influence of cavity loss, The peak value of the pumping rate increases linearly, the pulse width decreases linearly, and the peak number of the photon number density increases linearly and the pulse width decreases linearly. In the case where the actual measurement can not ignore the loss, the output characteristic of the laser is different from that in the theoretical case. The pulse width, energy and peak of the output laser increase linearly with the increase of the voltage.

The characteristics of this paper are as follows: The relationship between the laser light and voltage, the relationship between the output light and the pumping rate is simulated by MATLAB. It is compared with the experiment and has some reference significance for the development of the new laser.

Key Words: Pulse xenon lamp power supply; Laser control circuit; Pumping rate; Laser output characteristics

目录

第1章 绪论 1

1.1 目的和意义 1

1.2 本文的主要内容 2

第2章 脉冲氙灯泵浦Nd-YAG激光器电源 4

2.1 Nd-YAG激光器结构 4

2.2 泵浦源的基本结构 4

2.2.1 升压和整流电路 5

2.2.2 预燃电路 6

2.2.3 储能电容的充电回路 6

2.2.4 放电回路 8

2.3 脉冲氙灯的光辐射波形及电光转化效率 12

2.4 本章小结 13

第3章 激光输出特性 14

3.1 工作物质的能量利用率 14

3.2 光子数密度方程及解 15

3.3 仿真部分 18

3.4 本章小结 21

第4章 泵浦源和输出光特性实验测量 22

4.1 实验设备与框图 22

4.2 实验方案 22

4.3 实验数据及结果分析 23

4.3.1 泵浦光特性 23

4.3.2 激光脉冲特性 26

4.4 实验结果分析 28

4.5 实验总结 29

第5章 结论与展望 30

参考文献 31

致谢 32

第1章 绪论

1.1 目的和意义

激光已经被广泛应用到各个领域中，如工业、军事、科研、通信、医学等，当激光出现不久，激光以一项新兴的技术发展起来，各式各样的激光器也相继问世^[1]。激光器的种类较多，有固体激光气器、气体激光器、光纤激光器、燃料激光器等，其中因固体激光气器工作方式多样、结构简单紧凑、波长短，金属材料吸收率高、价格便宜等优点而得到广泛应用^[1]。在固体激光器中，最常见的是Nd-YAG激光器，Nd-YAG激光器属于四能级系统，并具有的优点是量子效率高、受激辐射截面大，其阈值比红宝石和钕玻璃激光器小的多，而且钇铝石榴石还具有相对较好的热导率，易于散热，因此Nd-YAG激光器不仅可以单次脉冲运转，还可在高重复率下运转或者连续运转。目前，Nd-YAG脉冲激光器为了适应各种不同的需求，开始发展越来越快，比如医疗上激光手术刀、激光碎石；生活中的激光3D打印技术，激光防伪技术；工业上激光切割、激光打标等。为了让激光器有不同的峰值功率或不同的输出功率，就需要有不同的激光电源来匹配。电源的结构不同对激光器的稳定性，工作状态有很大的影响。所以性能先进、稳定的激光电源是激光器的基础。

2001年，长春设备工艺研究所陈洪海等人，根据氙灯特殊的电气特性，设计了硬件电路和软件程序。采用MOSFETS场效应管半桥逆变器，以SG3525为驱动的PWM技术的电源设计，针对氙灯泵浦YAG激光器对驱动源的要求，研制了YAG脉冲激光电源，并提高了开关频率，大大减小了电源的体积和重量^[2]。电源在实际运行中稳定可靠。