實(shí)驗(yàn)報(bào)告-調(diào)Q YAG激光器實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告調(diào)QYAG激光器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2017.03.07一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握Nd3+:YAG激光器的工作原理2、學(xué)習(xí)并掌握Nd3+:YAG激光器調(diào)整技術(shù)3、學(xué)習(xí)聲光調(diào)QNd3+:YAG激光器的工作原理4、掌握聲光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)技術(shù)，學(xué)習(xí)nm量級(jí)激光脈沖測(cè)量方法5、學(xué)習(xí)腔外倍頻實(shí)驗(yàn)技術(shù)二、實(shí)驗(yàn)原理?yè)解S釔鋁石榴石摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)是一種典型的四能級(jí)激光工作物質(zhì)，由于它的熱傳導(dǎo)性好;激光閾值低和轉(zhuǎn)換效率高，所以用它可作成連續(xù)激光器和高重復(fù)頻率的脈沖激光器。YAG激光器可輸出幾種波長(zhǎng)，其中最強(qiáng)的為1.06um0如果采用調(diào)Q、倍頻技術(shù)，則可獲得波長(zhǎng)為532nm的脈沖激光。這種以Nd3+:YA

2、G激光器為基礎(chǔ)的脈沖激光系統(tǒng)以其高峰值功率、高重復(fù)頻率和寬波長(zhǎng)調(diào)諧特性等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。2.YAG激光器的結(jié)構(gòu)圖1為典型的Nd3+:YAG激光器示意圖。其中包括YAG棒；泵浦燈(連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的氪燈兩個(gè))；Q開關(guān)和光學(xué)諧振腔。圏2雙橢圓主面反光褫堿面圖m2ml圖1除型的Nd3_:YAG激光器示意圖YAG晶體棒Nd3+:YAG激光器的工作物質(zhì)是一種人工晶體，它的基質(zhì)是釔(Y)鋁(AI)石榴石(G),其分子式為YA1O。晶體在高溫的過(guò)程中摻入氧化釹，用提拉法制成。釹就以三價(jià)正3512離子的形式存在于YAG的晶格中，摻釹量約為1%。通常Nd3+:YAG晶體被加工成6mmX100mm左右的圓棒狀，兩

3、端磨成光學(xué)平面，平面的法線與棒軸有一個(gè)小夾角，面上鍍有增透膜，能承受高的功率密度，棒的側(cè)面全部“打毛”，以防止寄生振蕩。激勵(lì)泵浦源YAG激光器可用多種光源作為激勵(lì)泵浦源，連續(xù)YAG激光器常用氪燈和碘鎢燈為泵浦源，脈沖YAG激光器常用脈沖氙燈為泵浦源。因?yàn)檫@些燈的輻射光譜與YAG棒晶體的吸收光譜匹配較好。如圖1所示，泵浦用的氪燈做成和YAG棒長(zhǎng)度相近的直管形，以便達(dá)到最佳的耦合。兩氪燈串聯(lián)后，外接直流電源。聚光腔為了有效地利用燈的光能，把YAG棒和燈放在一個(gè)內(nèi)壁鍍金的空心雙橢圓柱面聚光腔中。棒占據(jù)雙橢圓柱面腔的中心焦線，兩燈各占雙橢圓柱面腔的一根焦線上。圖2表示了這一結(jié)構(gòu)的橫截面，不難想象，氪燈

4、發(fā)出的光通過(guò)雙橢圓柱面鏡的反射，理論上百分之百到達(dá)YAG棒上。在此類激光器中，加到氪燈上的電能只有少量轉(zhuǎn)變成激光能量，其余都變成熱能，所以燈和棒都需要散熱和冷卻。為此，用石英玻璃管分別套上燈和棒，并在腔內(nèi)通入流動(dòng)的水，以帶走其釋放出來(lái)的熱能。對(duì)YAG棒加以密封能夠?yàn)V去紫外光，防止YAG棒由于紫外光的照射而使其性能逐漸退化。諧振腔光學(xué)諧振腔是激光器的重要組成部分。它有兩個(gè)方面的作用：提供光學(xué)反饋?zhàn)饔?。這是腔內(nèi)建立和維持激光振蕩不可少的。它取決于組成腔的兩個(gè)反射鏡的反射率；反射鏡的幾何形狀及其尺寸。上述因素的改變都會(huì)引起光反饋的變化，即引起腔內(nèi)損耗的變化；對(duì)實(shí)際振蕩光束的限制作用。即控制激光器的特

5、性；光束橫向分布，光斑大小，光束發(fā)散角及諧振頻率。本實(shí)驗(yàn)采用平行平面腔，平鏡Ml為全反鏡，平面鏡M2為輸出鏡。兩個(gè)腔鏡分別裝在兩個(gè)精密的光學(xué)調(diào)整架上，仔細(xì)調(diào)節(jié)可以使腔鏡準(zhǔn)直并與YAG棒同軸。當(dāng)平面腔反射鏡不嚴(yán)格平行時(shí)，光波損耗增大，光束發(fā)散角變大，模式變得更為復(fù)雜。腔內(nèi)工作物質(zhì)不均勻或諧振腔不穩(wěn)也將產(chǎn)生類似的影響。而平面鏡平面度差，則使激光譜線度變寬。一般平面反射鏡的平面度在幾分之一波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)。YAG激光器工作過(guò)程如下：連續(xù)氪燈在觸發(fā)時(shí)，輻射強(qiáng)烈的光譜，經(jīng)聚光腔聚在YAG棒上，被棒吸收，使棒中Nd3+離子激發(fā)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射，并在諧振腔內(nèi)振蕩，多次經(jīng)過(guò)激活介質(zhì)，使光被放大，產(chǎn)生波

6、長(zhǎng)為1064nm的連續(xù)激光。如在腔內(nèi)合適放置Q開關(guān)，則產(chǎn)生調(diào)Q巨脈沖；在腔內(nèi)或腔外使用KDP倍頻晶體，可以產(chǎn)生532nm的倍頻激光。Nd3+的能譜721064pm0.75|4iii11;2Nd3+的有關(guān)能級(jí)圖如圖3所示，用具有連續(xù)光譜的氪燈照射Nd3+:YAG晶體，Nd3+離子就從基態(tài)E1躍遷至激發(fā)態(tài)E4的一系列能級(jí)。其中最低的兩個(gè)能級(jí)為4F5/2和4F7/2。相應(yīng)于中心波長(zhǎng)為0.81口m和0.75卩m的兩個(gè)光譜吸收帶。由于E4的壽命僅約為1ns，所以受激的Nd3+離子絕大部分都經(jīng)過(guò)無(wú)輻射躍遷轉(zhuǎn)移到了E3態(tài)。E3是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)，壽命長(zhǎng)達(dá)250-500us，很容易獲得粒子數(shù)積累。E2態(tài)的壽命為50

7、ns，即使有粒子處于E2，也會(huì)很快地弛豫到E1。因此，相對(duì)于E3而言，E2態(tài)上幾乎沒有粒子，這樣就在E3和E2之間造成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。正是E3-E2的感應(yīng)輻射在激光諧振腔中得到增益而形成了激光。其波長(zhǎng)為1064nm。只要泵浦光存在，Nd3+離子的能態(tài)就總是處在E1fE4E3fE2E1的循環(huán)之中。這是一個(gè)典型的四能級(jí)系統(tǒng)。Q開關(guān)原理泵浦光源是連續(xù)工作的氪燈時(shí)，可以不間斷地對(duì)Nd3+離子的E3和E2能級(jí)提供粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而得到連續(xù)的激光輸出。為了得到脈寬窄而峰值功率高的激光脈沖，可以采用“調(diào)Q”方法。在泵浦開始時(shí)使諧振腔的損耗增大。即提高振蕩閾值，使振蕩不能形成，上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度大量積累，當(dāng)積

8、累到最大值時(shí)，突然使諧振腔的損耗變小，值突然增大。激光振蕩迅速建立，腔內(nèi)就象雪崩一樣以極快的速度建立起極強(qiáng)的振蕩,在短時(shí)間內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量被消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量,同時(shí)在輸出鏡端耦合輸出一個(gè)極強(qiáng)的激光巨脈沖。聲光調(diào)Q技術(shù)是以聲光相互作用所形成的衍射損耗的突變得以實(shí)現(xiàn)的。它是一項(xiàng)重要的激光技術(shù)，與自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光輸出相比它可以大大壓縮光脈沖寬度，從而使輸出峰值功率提高二至四個(gè)量級(jí)。尤其是連續(xù)YAG激光器的聲光調(diào)Q技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，是獲得穩(wěn)定的高重復(fù)率、高峰值功率、短脈沖的重要手段。如圖4所示，當(dāng)射頻電源產(chǎn)生的高頻等幅振蕩信號(hào)加在聲光Q開關(guān)的換能器上時(shí)，換能器產(chǎn)生超聲振動(dòng)，在聲光介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力

9、波，引起介質(zhì)密度呈疏密交替變化，也就是使折射率發(fā)生周期變化，形成“相位光柵”。當(dāng)光束通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生衍射，造成損耗使激光諧振腔的Q值下降。若損耗大于激光工作物質(zhì)的增益，不能產(chǎn)生振蕩，或者說(shuō)聲光Q開關(guān)將激光關(guān)斷。當(dāng)高頻等幅振蕩在方波調(diào)制的作用下，突然有短暫的(數(shù)微秒)停歇時(shí)，聲光器件內(nèi)部的衍射也突然消失，使諧振腔Q值突然增大，從而產(chǎn)生調(diào)Q巨脈沖。當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被消耗減少到激光振蕩的閾值粒子數(shù)之下時(shí)，振蕩停止，緊接著高頻等幅振蕩再次形成，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。圖5表示連續(xù)泵浦聲光調(diào)Q激光器的光脈沖形成與諧振腔Q值、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)之間的關(guān)系。聲光介質(zhì)oiSAM沖77開產(chǎn)生布拉格衍射的再光器件諧掘腔Q值圖5連陵

10、泵油激光器調(diào)Q光肚沖的形成換聒器%吸豈材料聲光互作用產(chǎn)生的衍射可分為喇曼-奈斯衍射與布拉格衍射兩種。它們是根據(jù)超聲波波長(zhǎng)九，光波波長(zhǎng)九以及聲光相互作用長(zhǎng)度L的不同而區(qū)分的。當(dāng)L九九2,且光束以Bragg角入射時(shí)，產(chǎn)生布拉格衍射，這時(shí)只產(chǎn)生零級(jí)s和位于零級(jí)光一側(cè)的一級(jí)衍射。實(shí)際的聲光調(diào)Q器件都使用布拉格衍射，因?yàn)樗哂休^高的衍射效率。sin6=(1-1)2嘰9和29是聲光介質(zhì)內(nèi)的角度。1級(jí)衍射光與0級(jí)衍射光在介質(zhì)外的夾角為20，可近似地表示為：20=2n6-(1-2)布拉格衍射效率為：其中為相位光柵振幅：m4)光倍頻原理激光倍頻技術(shù)是將頻率為3的光，通過(guò)晶體中非線性作用產(chǎn)生頻率為23光的技術(shù)，有

11、時(shí)也叫作二次諧波產(chǎn)生技術(shù)。光在介質(zhì)中的傳播時(shí)，光波電場(chǎng)引起介質(zhì)極化，極化強(qiáng)度與光場(chǎng)的關(guān)系可表示為：P=80(ZU)E+xC2)E2+嚴(yán)1?+.)(1-5)(2)(3式中的上上-分別為線性極化率、二次非線性極化率、三次非線性極化率。在一般情況下，高一階非線性極化率的大小比相鄰的低一階極化率低7、8個(gè)數(shù)量級(jí)。由(1-5)式可見，當(dāng)入射光的頻率為3時(shí)，在介質(zhì)內(nèi)將引起2333等高次諧波極化強(qiáng)度，從而相應(yīng)地產(chǎn)生2333等高次諧波的輻射光。根據(jù)量子力學(xué)理論分析得知，(1-5)式中的非線性項(xiàng)與線性項(xiàng)的比值可表示為：嚴(yán)E2E/陀血子式中E原的為原子內(nèi)部的平均場(chǎng)強(qiáng)，約為1011V/m。對(duì)于普通光源發(fā)出的光來(lái)說(shuō)，

12、其光電場(chǎng)E子匕E低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此利用普通光，很難觀察到非線性光學(xué)現(xiàn)象；而激原子光器的誕生則給非線性光學(xué)帶來(lái)了生機(jī)。由于激光具有極高的亮度，很容易達(dá)到1010V/m數(shù)量級(jí)。所以，伴隨激光器的問世，陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了諸如倍頻、三次諧波、四波混頻等非線性光學(xué)現(xiàn)象，并逐漸形成了非線性光學(xué)這門新學(xué)科。倍頻轉(zhuǎn)換效率表示為：ML)而sinikL11(0)x(1-6)由上式可以看出，倍頻效率與如下諸因素有關(guān)：2圖6-10基頻光光強(qiáng)I(0)1位相匹配因子sin(AkL/2)/(AkL/2)故欲提高轉(zhuǎn)換效率除了選用非線性系數(shù)大的晶體，提高基頻光強(qiáng)外，位相匹配是很重要的。位相匹配因子是sine函數(shù)，(sincx)2與Ak

13、的關(guān)系如圖6所示。1若設(shè)x=-AkL，由圖中可見如果L為不等于零的某確定值，只有當(dāng)Ak=0時(shí)，n才最2大，當(dāng)Ak豐0時(shí)，隨2AkL逐漸增加，n將按sinc(AkL/2)2規(guī)律減小。Ak=0時(shí),2位相匹配因子有極大值，n最大；Akh0位相匹配因子皆比1小，甚至為零。通常把Ak=0滿足的條件為位相匹配條件；而Ak主0，則稱為位相失配。根據(jù)式其中所以由(1-7)式知，只有時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)位相匹配。由于，則有=，其中是基頻光波在非線性介質(zhì)中的速度，同時(shí)也是倍頻極化波在非線性介質(zhì)中的速度，而L-是倍頻光波在非線性介質(zhì)中的速度。要求即意味著要求倍頻極化波同倍頻光波同步前進(jìn)，這樣基頻光波沿途激起的非線性振子發(fā)射

14、的倍頻光波彼此之間都有相同位相，因此滿足干涉增強(qiáng)的條件，從而輸出倍頻光最強(qiáng)。根據(jù)光的色散理論，介質(zhì)在正常色散范圍內(nèi)，光波頻率越高，其折射率越大。因此在各向同性介質(zhì)中無(wú)法用簡(jiǎn)單方法實(shí)現(xiàn)位相匹配。在各向異性介質(zhì)中，介質(zhì)除具有色散的性質(zhì)外，同時(shí)還具有雙折射的特性，即對(duì)于同一頻率的尋常光和非常光除沿光軸方向傳播有相同的折射率外，在其它任何方向上傳播折射率都不相同，且折射率之差隨傳播方向和晶體溫度而改變，這樣就有可能利用雙折射來(lái)抵消由于色散引起的不同頻率光波的折射率的變化。在工程上常用如下兩種方法實(shí)現(xiàn)上述目的。角度位相匹配是使光波在晶體中某一特定方向上傳播，該方向上應(yīng)滿足-=1-，為了尋找該特定的方向，

15、使用折射橢球是很方便的。除了角度相位匹配方法外，在改變晶體溫度時(shí)，由于其I5和匚都發(fā)生變化，可能在某一溫度下，實(shí)現(xiàn)0此時(shí)，入射基頻光沿著垂直光軸的方向傳播，也可實(shí)現(xiàn)相位匹配。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、調(diào)整光路，使連續(xù)YAG激光器工作；2、在倍頻情況下，分別觀察調(diào)Q與不調(diào)Q狀態(tài)下，倍頻光的強(qiáng)度；3、觀察YAG激光器激光定標(biāo)的基本操作流程.四、調(diào)研激光器的最新應(yīng)用1.激光聚變系統(tǒng)激光問世后不久，世界各國(guó)科學(xué)家即考慮利用高功率激光壓縮和點(diǎn)燃少量氘氚燃料的可能性。經(jīng)過(guò)多年研究，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到激光聚變可獲得巨大的能源及其具有的重大軍事應(yīng)用價(jià)值1。利用激光點(diǎn)燃核聚變的系統(tǒng)，就稱之為激光聚變系統(tǒng)，最具代表性的就是美國(guó)

16、的國(guó)家點(diǎn)火裝置。在激光聚變研究中，釹玻璃激光器是迄今技術(shù)最成熟、發(fā)展水平最高、使用最廣、貢獻(xiàn)最大的激光器，是現(xiàn)代點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)器的最佳候選者。美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）（即激光聚變裝置），由位于美國(guó)加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制。該計(jì)劃自1994年開工以來(lái)延期了很多次，它最終的目標(biāo)是2010年實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，并達(dá)到平衡點(diǎn)，即激光在聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的能量大于它們所消耗的能量。該計(jì)劃建造和運(yùn)行花費(fèi)超過(guò)35億美元，容納NIF裝置的建筑物長(zhǎng)215米，寬120米，相當(dāng)于三個(gè)足球場(chǎng)?！皣?guó)家點(diǎn)火裝置”為釹玻璃激光器，共有192路光束，輸出能量達(dá)1.8MJ，功率為500TW（3w）的紫外激光光束，可能接近或獲

17、得“點(diǎn)火”及適度增益。除了用于聚變點(diǎn)火試驗(yàn)外，“國(guó)家點(diǎn)火裝置”也可以用于研究溫度接近108K、壓強(qiáng)達(dá)到1010MPa條件下（相當(dāng)于恒星內(nèi)部的自然環(huán)境和核武器爆炸的情況）的物理過(guò)程。2001年9月放置激光系統(tǒng)的大樓建造完成，2003年9月，全部192路超凈和精密列式光路閉合安裝完成。2002年“國(guó)家點(diǎn)火裝置”192路激光中的四束起動(dòng)運(yùn)行。2003年7月，“國(guó)家點(diǎn)火裝置”創(chuàng)造了單束激光能量記錄。國(guó)際上已投入運(yùn)行的激光點(diǎn)火裝置激光裝置國(guó)家及實(shí)驗(yàn)室輸出能量束數(shù)建成時(shí)間GEKKO-XII日本大阪大學(xué)ILE15KJ/3W121983PHEBUS法國(guó)里梅爾實(shí)驗(yàn)室10KJ/3W2VULCAN英國(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室2

18、KJ/3W8HELEN英國(guó)原子武器中心1KJ/1W1NOVA美國(guó)里弗莫爾實(shí)驗(yàn)室40KJ/3W101984OMEGA美國(guó)羅徹斯特大學(xué)LLE30KJ/3W601995Beamlet美國(guó)里弗莫爾實(shí)驗(yàn)室6.4KJ/3311994激光聚變主要物理過(guò)程中心點(diǎn)火：當(dāng)激光直接輻照靶丸時(shí)（稱為直接驅(qū)動(dòng)，見圖1）,在靶丸的外表面產(chǎn)生等離子體，激光在等離子體中傳播并發(fā)生多種相互作用。激光的大部分能量在臨界面（激光能夠到達(dá)的最深位置）附近轉(zhuǎn)換為電子能量，通過(guò)電子熱傳導(dǎo)把能量向高密度區(qū)輸運(yùn)，被加熱的物質(zhì)向外噴射，同時(shí)它的反沖壓（即燒蝕壓）產(chǎn)生一個(gè)沖擊波,向內(nèi)壓縮靶丸未加熱的部分（也叫推進(jìn)層），這一過(guò)程稱為燒蝕當(dāng)沖擊波從

19、主燃料層（氘氚冰）進(jìn)入氘氚（DT）氣體時(shí)，推進(jìn)層開始向內(nèi)加速飛行，主燃料與氘氚氣體均被壓縮當(dāng)氣體被壓縮到一定程度后,推進(jìn)層進(jìn)入減速階段，主燃料層被進(jìn)一步壓縮到每立方厘米幾百克的密度，同時(shí)將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能,芯部燃料的密度和溫度也不斷增加，在中心形成熱斑，達(dá)到點(diǎn)火條件,點(diǎn)燃聚變反應(yīng)氘氚聚變反應(yīng)發(fā)生，產(chǎn)生中子與毬粒子,毬粒子輸運(yùn)使熱核燃燒從中心向主燃料層中傳播，獲得能量增益.圖1慣性約束聚變中心點(diǎn)火示意圖（其屮主燃料層是氟氟冰，芯部為fttSiii（DT）氣體）間接驅(qū)動(dòng)：如圖2所示,激光首先要轉(zhuǎn)換為軟X射線，再利用軟X射線去輻照靶球、驅(qū)動(dòng)內(nèi)爆.首先，激光通過(guò)激光入射孔進(jìn)入由高原子序數(shù)（簡(jiǎn)稱高Z）材料

20、構(gòu)成的柱形黑腔，照射和加熱黑腔內(nèi)壁，產(chǎn)生高溫等離子體，并很快充滿黑腔.后續(xù)激光在這些等離子體中傳播，通過(guò)逆韌致吸收（即電子-離子碰撞）過(guò)程沉積能量，加熱等離子體,同時(shí)與等離子體相互作用激發(fā)各種微觀不穩(wěn)定性激光的大部分能量在臨界面附近轉(zhuǎn)換為電子能量，通過(guò)電子熱傳導(dǎo)進(jìn)一步加熱和燒蝕高密度等離子體,同時(shí)高溫等離子體將大部分沉積的激光能量轉(zhuǎn)換成X射線輻射,除部分X射線直接從激光入射孔逃逸或被靶丸吸收,大部分X射線加熱黑腔壁（包括激光輻照和未輻照的壁）,通過(guò)與腔壁多次吸收和再發(fā)射,X射線輻射很快被熱化，在腔內(nèi)形成幾乎均勻的X射線輻射場(chǎng).熱化的、均勻的X射線輻射場(chǎng)是燒蝕靶丸驅(qū)動(dòng)內(nèi)爆。厳光入射口圖2間接驅(qū)動(dòng)

21、激光聚變示意圖2激光加速器近年來(lái)，激光電子加速已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，諸如上述文獻(xiàn)中提到的4GeV準(zhǔn)單色加速，或者是伽馬射線加速。大都需求低重復(fù)頻率(小于10Hz)、高能量(幾個(gè)J)，獲得的結(jié)果。目前最成功的激光電子加速方案，是LWFA(laserwakefieldacceleration)激光尾場(chǎng)加速器。3-6在一場(chǎng)展示激光尾場(chǎng)加速器(Laser-WakefieldAccelerator)潛力的演示會(huì)上，美國(guó)能源部(DepartmentofEnergy)下屬的伯克利勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LawreneeBerkeleyNationalLaboratory)的科學(xué)家們以及牛津大學(xué)(OxfordUniv

22、ersity)的合作者們成功地在3.3厘米的距離上將電子束加速到1GeV以上。2012年，實(shí)現(xiàn)了0.5kHz重復(fù)頻率下產(chǎn)生100keV,10fC的電子束42016年，實(shí)現(xiàn)了以小于10mJ的1kHz(重復(fù)頻率)激光脈沖，聚焦在近臨界密度的氦和氫氣的氣體噴流，驅(qū)動(dòng)加速電子到MeV規(guī)模5激光加速器的基本原理67有質(zhì)動(dòng)力是指帶電粒子在非均勻場(chǎng)中感受到的、起源于媒質(zhì)或者場(chǎng)的非均勻分布的一種力。對(duì)于一個(gè)平面波的光脈沖，電子在有質(zhì)動(dòng)力的作用下，在脈沖前沿將經(jīng)歷一個(gè)加速階段，在下降沿經(jīng)歷一個(gè)減速階段，由于上升沿和下降沿的完全對(duì)稱，最終加速和減速相互抵消，當(dāng)光脈沖和電子分離后，電子無(wú)法獲得凈能量增益。對(duì)于一個(gè)聚

23、焦的激光脈沖來(lái)說(shuō)，光場(chǎng)分布是不均勻的，加速和減速就不能抵消，表現(xiàn)為一種力(即有質(zhì)動(dòng)力)作用下的加速運(yùn)動(dòng)。3.激光點(diǎn)火于汽車內(nèi)燃機(jī)目前所采用的電火花塞自身有諸多缺陷，造成了燃料燃燒不充分。在稀薄燃燒的條件下發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)壓力低、溫度低，燃料不易發(fā)生爆燃，通常要采用增壓技術(shù)提高缸內(nèi)燃料的壓縮比從而提高熱效率，點(diǎn)火器很可能將面臨高達(dá)50MPa的高壓與4000K的高溫。在高壓縮比的情況下必須采用高能點(diǎn)火，因?yàn)楦吣茳c(diǎn)火燃燒速度快，稀燃界限大，有利于火花核形成，但高能點(diǎn)火又會(huì)導(dǎo)致所需點(diǎn)火的電壓增高，造成電極燒蝕，大幅度降低火花塞使用壽命。激光點(diǎn)火作為一種更清潔、更高效、更經(jīng)濟(jì)的新型點(diǎn)火技術(shù)越來(lái)越受到各國(guó)研究

24、者的重視。與傳統(tǒng)的電火花點(diǎn)火技術(shù)相比，激光點(diǎn)火技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）在氣缸內(nèi)可實(shí)現(xiàn)任意位置的點(diǎn)火等離子體，這有利于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火位置的優(yōu)化；2）由于沒有電極，在形成火焰中心時(shí)不會(huì)有淬滅效應(yīng)；3）在低的燃燒溫度下可以點(diǎn)燃各種混合燃料，降低了有害氣體的排放，提高了效率；4）容易維護(hù)；5）可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)點(diǎn)火；6）短的點(diǎn)火延時(shí)和燃燒時(shí)間等。要實(shí)現(xiàn)汽車引擎的激光點(diǎn)火，在正常的空氣壓力下，需要的激光強(qiáng)度為100GW/cm2，這就需要脈沖能量至少為0.1町、脈沖寬度低于10ns的激光。這些可以通過(guò)激光二極管抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào)Q固體激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且被動(dòng)調(diào)Q固體激光器還具有小型化、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格便宜、容易維護(hù)和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)

25、點(diǎn)，因此激光二極管抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào)Q固體激光器就成為汽車引擎激光點(diǎn)火的首選。最近日本、德國(guó)、英國(guó)等研究機(jī)構(gòu)報(bào)道了用Cr4:YAG被動(dòng)調(diào)Q激光器替代內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞點(diǎn)火的研究工作7,為小型化、集成化被動(dòng)調(diào)Q微片激光器的研究注入了一股新的活力。特別是被動(dòng)調(diào)Q微型固體激光器的迅速發(fā)展很可能使激光點(diǎn)火取代傳統(tǒng)的點(diǎn)火方式應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。激光點(diǎn)火的原理激光點(diǎn)火系統(tǒng)由激光器、傳導(dǎo)光纖、聚焦透鏡、耦合系統(tǒng)等組成。高峰值功率且可靠的激光光源是激光點(diǎn)火系統(tǒng)最重要的組成部分。激光點(diǎn)火對(duì)激光峰值功率要求較高，兆瓦級(jí)峰值功率的激光脈沖才能穩(wěn)定產(chǎn)生等離子體或者“激光火花”。在眾多種類的激光器中，采用激光二極管（LD）端

26、面抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào)Q小型化固體激光器由于具備諸多優(yōu)點(diǎn)，最適合作為激光點(diǎn)火系統(tǒng)的激光源研究發(fā)現(xiàn)，激光功率密度高于100W/cm2就能滿足點(diǎn)火的可靠性23。經(jīng)過(guò)幾十年的理論與實(shí)驗(yàn)研究，被動(dòng)調(diào)Q固體激光器的峰值功率已可以達(dá)到兆瓦量級(jí)，脈沖寬度可壓縮到亞納秒量級(jí)，完全能夠滿足激光點(diǎn)火的功率要求。激光光束到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的傳輸，目前有兩個(gè)最具可行性的方案：一是將激光器直接安裝在氣缸上，二是將激光器放置在與氣缸分離的位置，借助光纖來(lái)傳輸激光。激光器產(chǎn)生的高功率密度激光通過(guò)光纖傳輸?shù)綒飧最^，然后使用光學(xué)透鏡來(lái)聚焦激光并耦合投射到燃燒室中。耦合系統(tǒng)即光學(xué)窗口也是保證激光點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火成功至關(guān)重要的組成部分，在成本控制中也起著重要作用調(diào)研參考文