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1、激光器輸出功率與能量,美國海軍成功試射海上激光炮擊毀目標(biāo)船只,美國諾斯洛普-格魯曼公司與美國海軍共同研發(fā)“海洋激光示范者”(MLD)海上激光炮。 2011年04月12日07:40來源：中國新聞網(wǎng), 視頻資料：美國激光武器試驗,據(jù)香港文匯報11日報道，美國海軍月初在海上試射激光炮，成功擊毀一艘目標(biāo)小船，專家稱這是美國海軍發(fā)展新一代海上激光武器的重要里程碑。預(yù)計激光炮最快2014年6月完成研發(fā)。激光炮名為“海洋激光示范者”(MLD)，由美國國防工業(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)，通過類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)。美國海軍本月6
2、日在圣尼古拉斯島附近的太平洋海域試射，自衛(wèi)試驗艦“福斯特”號利用一臺安裝在甲板上的激光炮，向移動中的無人駕駛目標(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人快艇,MLD開發(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，美國海軍便在同一試射地點首次試射艦載激光炮，在2英里外擊中4架時速300英里的無人機(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”百人隊長“激光器，但美國海軍激光武器計劃繁多，尚未清楚此次海上擊毀快艇試驗的激光器源于哪個項目。,每秒射穿6米鋼材料除了MLD等固體電子激
3、光器，美國軍方同時研發(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)生千瓦級能量。美軍2月曾測試FEL激光炮，成功利用50萬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 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，開始時，由于,, 腔內(nèi)光強(qiáng)Iq逐漸增加，同時由于
4、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，這一過程就將繼續(xù)下去，即Iq 繼續(xù)增加， g(q,Iq) 不斷減小，直到,,,增益和損耗達(dá)到平衡， Iq不再,增加。這時，激光器建立了穩(wěn)定工作狀態(tài)。,當(dāng)g0()gt時，dNl/dt0，腔內(nèi)光強(qiáng)不斷增加。無限增加?,當(dāng)外界激發(fā)作用增強(qiáng)時，小信號增益系數(shù)g0()增大，此時Iq必須增大到一個更大的值才能使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)工作時的大信號增益系數(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，激光器的輸出功率保持恒定；當(dāng)外界激發(fā)增強(qiáng)時，輸出功
5、率隨之上升，但在一個新的水平上保持恒定。,（二）連續(xù)或長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-，二者同時參與飽和作用 如果T<<1，穩(wěn)態(tài)工作時增益系數(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，,,求得腔內(nèi)平均光強(qiáng)為,,??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,,1）在T<<1時， ，a為往返指數(shù)凈損耗因子，通常a<<1。上式改寫為,,問題：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
6、閾值吸收泵浦功率，S為工作物質(zhì)橫截面面積,,s稱為斜率效率,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性增加。,,問題：輸出功率與泵浦功率、損耗、工作物質(zhì)長度有什么樣的關(guān)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，一方面提高了透射光的比例，有利于提高輸出功率，同時又使閾值增加，從而導(dǎo)致腔內(nèi)光強(qiáng)的下降。,在透射率T<<1時，令dP/dT=0，求出最佳透過率Tm,最佳輸出功率,（三）短脈沖激光器的輸出能量,,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稱為斜率效率,腔內(nèi)光能部分變?yōu)闊o用損耗，部分經(jīng)輸出反射鏡輸出到
7、腔外。設(shè)諧振腔由一面全反射鏡和一面透射率為T的輸出反射鏡組成，則輸出能量為,小結(jié)：,均勻加寬單模激光器輸出功率：,T<<1,輸出最佳透過率,光泵情況：,非均勻加寬單模激光器輸出功率：蘭姆凹陷,短脈沖激光器的輸出能量：,一般固體脈沖激光器所輸出的并不是一個平滑的光脈沖，而是寬度只有微秒數(shù)量級的短脈沖序列，即所謂的“尖峰”序列。激勵越強(qiáng)，短脈沖之間的時間間隔越小。這種現(xiàn)象稱作弛豫振蕩效應(yīng)或尖峰振蕩效應(yīng)。,四 弛豫振蕩(relaxation oscillation),,1、概念,,,腔內(nèi)光子數(shù)密度及反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度隨時間的變化,1 2 3 4,在脈沖泵浦源的作用下，反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度和腔內(nèi)光子數(shù)密度處于
8、劇烈的變化之中。當(dāng) ，開始產(chǎn)生激光，受激輻射將使腔內(nèi)光子數(shù)急劇增加并達(dá)到極值。與此同時又消耗了大量高能級粒子，致使 ，由于腔內(nèi)增益小于損耗，光子數(shù)減少而形成一個尖峰。這種過程在脈沖泵浦持續(xù)作用時間內(nèi)反復(fù)出現(xiàn)，構(gòu)成一個尖峰脈沖序列。泵浦功率越大，尖峰形成越快，尖峰的時間間隔越小。,2、定性物理解釋,激光二極管,一、概述 二、基本結(jié)構(gòu) 三、二極管線陣和陣列條 五、光譜特性,,,一、概述,光譜窄，與工作物質(zhì)吸收帶匹配可提高效率，減輕熱效應(yīng) 結(jié)構(gòu)緊湊 壽命長，連續(xù)10E4h，脈沖10E9次 波長 630680nm AlGaInP 770990nm GaAlAs 9001000nm InGaAs 模塊化 價格高,基本結(jié)構(gòu),三、二極管線陣和陣列條線陣,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bar條，每個bar條長10mm。bar條間距1.6mm。10個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,Thanks very much!,
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