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1、 2 v3.1 惰 性 氣 體 放 電 燈v3.2 激 光 二 極 管v3.3 聚 光 腔v3.4 二 極 管 激 光 泵 浦 耦合 技 術(shù) 3 v3.1.1 惰 性 氣 體 燈 的 結(jié) 構(gòu) 與 分 類v3.1.2 惰 性 氣 體 燈 的 放 電 過(guò) 程v3.1.3 惰 性 氣 體 燈 的 輸 出 特 性 及 效 率v3.1.4 惰 性 氣 體 燈 的 技 術(shù) 參 數(shù) 及 壽 命v3.1.5 惰 性 氣 體 燈 的 觸 發(fā) 和 預(yù) 燃v3.1.6 氙 燈 的 充 放 電 系 統(tǒng) 4 （ 1） 分 類 脈 沖 燈 、 連 續(xù) 燈 脈 沖 氙 燈 ： 工 作 與 較 高 電 流 密 度 下 ， 以

2、 連 續(xù) 光譜 為 主 。 連 續(xù) 氪 燈 ： 電 流 密 度 較 低 ， 以 線 狀 光 譜 為 主 。 直 管 式 、 螺 旋 式 5 管 壁電 極接 頭氣 體 6 v管 壁石 英 管 優(yōu) 點(diǎn) ： 耐 高 溫 耐 沖 擊 耐 強(qiáng) 電 流 ： 電 流 密 度 104A/cm2 高 透 過(guò) 率 ： 白 光 的 吸 收 系 數(shù) 0.002 缺 點(diǎn) ： 紫 外 光 的 高 透 過(guò) 率 ， 破 壞 工 作 物 質(zhì) ， 出現(xiàn) 色 心 。 通 過(guò) 在 石 英 中 摻 鈰 （ Ce） ， 銪 （ Eu） 轉(zhuǎn)換 紫 外 光 為 可 見(jiàn) 光 。 7 v電 極 材 料 鎢 高 熔 點(diǎn) （ 3640 ） ， 逸

3、出 功 4.54eV 釷 鎢 （ 鎢 中 摻 入 0.52%的 氧 化 釷 ThO2） 逸 出 功 2.7eV 形 狀 頭 部 尖 銳 有 利 于 放 電 ， 單 電 流 大 時(shí) 易 損 壞 ， 用 于 連 續(xù) 燈 。 平 圓 頭 用 于 脈 沖 燈 。v密 封 接 頭 過(guò) 渡 玻 璃石 英 的 線 膨 脹 系 數(shù) 5 10 7 1釷 鎢 的 線 膨 脹 系 數(shù) 46 10 7 1 焊 封 8 v連 續(xù) 弧 光 燈 燈 管 內(nèi) 惰 性 氣 體 可 以工 作 在 比 較 穩(wěn) 定 的 弧 光 放 電 狀 態(tài)v脈 沖 燈 燈 管 內(nèi) 氣 體 工 作 在 一 個(gè) 隨時(shí) 間 急 劇 變 化 的 放 電

4、過(guò) 程 中 ， 發(fā) 光 猶如 閃 電 ， 又 稱 閃 光 燈 。v脈 沖 燈 的 伏 安 特 性 曲 線 9 10 觸 發(fā) 段負(fù) 阻 段類 穩(wěn) 放 電 段消 電 離 段 11 v等 離 子 體 電 阻 系 數(shù) Kv 電 阻 率v等 效 電 阻 12( )j Kj 1 1 12 2 202 24l l K lR Kj i K iS d d 燈 阻 系 數(shù) 12 1.3K 12 13 14 v一 、 惰 性 氣 體 燈 的 輸 出 光 譜v二 、 影 響 氣 體 燈 輸 出 的 主 要 因 素 1. 充 氣 種 類 2. 充 氣 氣 壓 3. 燈 電 流 密 度 4. 燈 管 內(nèi) 徑 5. 放 電

5、 寬 度v三 、 氙 燈 輻 射 光 譜 的 擬 合 15 v氣 體 燈 的 光 輻 射 由 強(qiáng) 烈 加 寬 的 線 狀 光譜 和 連 續(xù) 譜 疊 加 而 成 。v線 狀 光 譜 對(duì) 應(yīng) 于 受 激 原 子 或 離 子 從 激發(fā) 態(tài) 向 基 態(tài) 的 輻 射 躍 遷 。 高 溫 下 的 碰撞 ， 使 特 征 譜 線 強(qiáng) 烈 加 寬 。v連 續(xù) 譜 對(duì) 應(yīng) 于 自 由 電 子 和 正 離 子 的 空間 復(fù) 合 及 電 子 、 離 子 碰 撞 而 產(chǎn) 生 的 韌致 輻 射 。 16 v1. 充 氣 種 類 的 影 響 原 子 量 大 每 次 碰 撞 的 平 均 能 量 轉(zhuǎn) 移 多 。 原 子 電 離

6、 電 位 低 ， 電 離 度 大 。 相 同 氣 壓 和 放 電 條 件 下 ， 連 續(xù) 譜 的 成 分 和 總 輻 射 量高 例 如 ： Xe的 原 子 序 數(shù) 54， Kr的 原 子 序 數(shù) 36 氙 燈 的 連 續(xù) 譜 和 總 能 量 高 于 氪 燈 。 對(duì) 于 Vc 1200V， C 250uF， P 600mmhg， d5mm， l 70mm。氙 燈 與 氪 燈 效 率 之 比 為 ： 100/55。 17 v充 氣 壓 增 高 ， 效 率 提 高v高 充 氣 壓 不 易 觸 發(fā)v高 充 氣 壓 燈 ， 在 觸 發(fā) 時(shí) 對(duì) 燈 管 的沖 擊 大 。 18 v燈 電 流 密 度 增高

7、線 狀 譜 和 連續(xù) 譜 都 增 加 。 連 續(xù) 譜 增 長(zhǎng)比 線 狀 譜 快 短 波 部 分 增長(zhǎng) 比 長(zhǎng) 波 快 19 20 21 v最 佳 管 徑 （ 最 大 電 光 轉(zhuǎn) 換 率 ） 總 是 對(duì) 應(yīng)幾 乎 恒 定 的 峰 值 電 流 密 度 2500A/cm2。 直 徑 大 ， 電 弧 無(wú) 法 充 滿 管 徑 ， 熱 中 心氣 體 密 度 低 。 直 徑 大 ， 放 電 充 滿 橫 截 面 時(shí) 間 長(zhǎng) ， 對(duì)于 短 脈 沖 泵 浦 ， 未 完 全 電 離 ， 輸 入 功率 已 經(jīng) 下 降 ， 造 成 效 率 低 。 直 徑 小 ， 管 壁 損 失 ， 效 率 降 低 。 22 v脈 沖

8、寬 度 過(guò) 短 ， 大 部 分 能 量 用 于 電 離 ， 效 率 低 。v脈 沖 時(shí) 間 過(guò) 長(zhǎng) ， 電 流 密 度 下 降 ， 效 率 降 低 。v最 佳 脈 寬 選 擇 原 則 脈 寬 短 ， 可 以 減 少 自 發(fā) 輻 射 的 影 響 ， 一 般 脈 寬小 于 激 光 介 質(zhì) 的 熒 光 壽 命 。 脈 寬 過(guò) 長(zhǎng) ， 電 流 密 度 下 降 ， 發(fā) 光 效 率 低 ， 自 發(fā)輻 射 嚴(yán) 重 。 能 量 越 大 ， 脈 寬 越 長(zhǎng) ， 保 證 接 近 最 佳 電 流 密 度 。 23 ( ) ( ) ( , )( )( , ) 1 ( , )BB l BBI T I T I T e I

9、 T 基 爾 霍 夫 定 律 ：, 252 1( , ) 1BB hc kThcI T e 待 求 240.18 0.092 0.0179300T j d p 電 流 密 度（ KAcm 2） 氙 燈直 徑（ cm）絕 對(duì) 溫 度 充 氣 壓 強(qiáng)（ 千 分 之 一 大 氣壓1.33E2Pa） 25 ( ) ( ) ( ) ( , , )c l M j d p 2( , , ) exp(1.57ln 0.071ln 0.19ln 0.46ln )M j d p j j d p 寬 帶 連 續(xù) 譜 分 立 譜 26 2 21 21 21 2exp ( ) exp ( ) c 2.37E-2cm-1

10、 1.5E-3cm-10.330um 0.700um 0.140um 0.300um 20 01 ( , )l n n nn g 見(jiàn) P62 27 ( , ) ( , ) ( ), BBI T I T F d9 131 , 5.0( ) 11 ( ) , 5.0nnn nnn a x xF x c xx 見(jiàn) P62對(duì) 角 度 平 均 的 輻射 函 數(shù)Trenholme-Emmett 擴(kuò) 展 多 項(xiàng) 式 28 d=15mmp=4.05E4PaPin=20.1KWcm-29200K 29 20.958exp(1.11ln 0.094ln 0.60ln 0.080ln )irP j j d p ou

11、t uv vis irP P P P 2.07 1.31 0.20.174uvP j d p 0 ( , )visP I T Sd 30 v著 火 電 壓v自 閃 電 壓v觸 發(fā) 電 壓v極 限 負(fù) 載 能 力v工 作 壽 命 31 32 v充 氣 電 壓v電 極 形 狀 和 材 料 形 狀 電 極 尖 ， 電 壓 低 。 材 料 電 極 材 料 電 荷 發(fā) 射 性 好 ， 電 壓 低 。v氣 體 純 度 少 量 雜 質(zhì) 氣 體 可 使 電 壓 顯 著 增 加 。 電 極 和 管 壁 濺 射 ， 降 低 氣 體 純 度 。v觸 發(fā) 強(qiáng) 度 觸 發(fā) 電 壓 ， 觸 發(fā) 頻 率 ， 觸 發(fā) 方 式

12、 （ 內(nèi) ， 外 ）0 V V kl p火 極 間 距 充 氣 壓 33 v燈 的 失 效 破 壞 性 爆 炸 ， 破 損 非 破 壞 性 輸 出 能 量 ， 平 均 功 率 逐 步減 小v失 效 原 因 高 溫 作 用 內(nèi) 壁 熔 化 ， 蒸 發(fā) ， 重 新 凝 聚 在 管 壁 上 ， 形 成白 色 沉 淀 。 電 極 濺 射 ， 在 管 壁 形 成 黑 色 沉 淀 接 頭 裂 縫 ， 漏 氣 沖 擊 波 等 離 子 體 的 雪 崩 擴(kuò) 張 ， 產(chǎn) 生 沖 擊 波 ， 沖 擊 波 強(qiáng) 度 正 比 于 輸 入 功 率 ， 且 隨 燈 壓 增 高 而 增 大 ，當(dāng) 沖 擊 波 超 出 管 壁 極

13、 限 時(shí) 引 起 燈 管 爆 炸 。 34 41.2 10ex pE ld t 8.5( )exinEE壽 命 單 位 s單 位 cm 35 v液 冷 下 石 英 管 散 熱 功 率最 大 300 400Wcm 2保 守 值 使 用 值 50 100Wcm 2 36 內(nèi) 徑 d 極 間距 l 燈 阻 系 數(shù)K0 最 大平 均功 率 最 大峰 值電 流 工 作 電 壓 最 小 觸 發(fā)電 壓7mm 150mm 28.5A1/2 6597W 1400A 9003150V 18KV,1.2us某 廠 家 脈 沖 氙 燈 參 數(shù) 如 下 ：試 計(jì) 算 ， 當(dāng) 閃 光 時(shí) 間 tp 1.6ms， 輸 入

14、能 量 Ein 1KJ時(shí) ， 燈 壽命 和 最 高 重 復(fù) 頻 率 ？ 37 內(nèi) 觸 發(fā) 38 39 40 41 42 43 v一 、 充 電 電 路 電 阻 限 流 諧 振 充 電 開(kāi) 關(guān) 電 源v二 、 放 電 電 路 純 電 容 放 電 單 網(wǎng) 孔 脈 沖 成 形 網(wǎng) 絡(luò) 仿 真 線 脈 沖 成 形 網(wǎng) 絡(luò) 斬 波 電 路 44 0 0(1 ),tc tV V e RCVi eR 2 20 0 12RW i Rdt CV 45 00tdiL Ri idt Vdt 22 0d i di iL Rdt dt C 2 1 0L R C 2 2 21 2 02 12 4R R L L LC ，特

15、 征 根 : 0 1 LC2R L1 21 2( ) t ti t C e C e 通 解 ： 46 0(1) 2 L R C 0(2) 2 L R C 0(3) 2 L R C 過(guò) 阻 尼臨 界 阻 尼衰 減 振 蕩 47 衰 減 振 蕩 臨 界過(guò) 阻 尼 電 容 電 壓衰 減 振 蕩 臨 界 過(guò) 阻 尼充 電 電 流 48 02 201,2 ,d d C j L當(dāng) R 50us 57 v峰 值 電 流 ：v純 電 容 放 電 的 特 點(diǎn) ： 放 電 電 流 和 功 率 上 升 快 ， 峰 值 高 ， 對(duì) 燈沖 擊 大 放 電 脈 沖 窄 ， 放 電 時(shí) 間 正 比 于 電 容 衰 減 曲

16、線 尾 部 時(shí) 間 長(zhǎng) ， 光 能 利 用 率 低2 200( 0) , (0) CCm eq CV KVi i t RK i V忽 略 放 電 上 升 時(shí) 間 58 120 01 t CdiL K i i idt Vdt C 歸 一 化歸 一 化 方 程 0 0 0 0N C CLz T LCC iz Kt I T V V z 12 0 1N N NdI I I dd 120R K i 59 2 0( )N CP tP V z 60 一 般 給 定 輸 入 能 量 ， 閃 光 時(shí) 間 ， 燈 參 數(shù) ，取 =0.8 求 ： L， C， Vc14 2 3402( )inE TC K 212in

17、 CE CVT LC 0 2.2T T閃 光 時(shí) 間 61 給 定 ： 輸 入 能 量 Ein=100j， 閃 光 時(shí) 間 T0=100us，=0.8， 氙 燈 5 60mm2， K=1.3A1/2求 ： 充 電 電 壓 Vc， 電 感 L， 電 容 C。解 ： C=140uF Vc=1200V L=15uh對(duì) 于 Vc=1600V， 0.7， 可 以 接 受 62 63 0 iiLz C 11 4 320 0( )L i inR K i K T E 320 in iP K iE PT 燈 阻 特 征 阻 抗 64 0( ) 2i L i iT z R C n LC 匹 配 條 件 下 ： 0

18、 2.12i i ii iT n LCT n LC 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 論 ： 212in i cE nCV輸 入 能 量 與 電 壓 關(guān) 系 ： 65 給 定 輸 入 能 量 ， 閃 光 時(shí) 間 ， 氙 燈 參 數(shù) ， 仿 真 線 節(jié) 數(shù) n，求 ： Li， Ci和 Vc 140 3 00 120( )224( )iL ini Li Lin LC K TR EL R T nTC nRE RV T 66 多 層 纏 法 單 層 纏 法2 20.083 9 10D NL D b c 2 20.010.44D NL l D D， b， c： 厘 米N： 匝 數(shù) ， L： uh 67 68 69 一 脈 沖

19、 氙 燈 7.5 80mm2， 峰 值 放 電 電 流 2000A， 等 離 子 體電 阻 系 數(shù) K 1.13A1/2。求 ： 氙 燈 的 等 效 電 阻 Req和 燈 阻 系 數(shù) K0？電 容 ， 電 感 氙 燈 放 電 電 路 中 ， 氙 燈 8 80mm2， K 1.13A1/2， 閃 光 時(shí) 間 T0 0.23ms， 電 容 儲(chǔ) 能Ein=144j， 阻 尼 系 數(shù) =0.8求 ： 電 感 L， 電 容 C和 充 電 電 壓 Vc？ 70 v一 、 概 述v二 、 基 本 結(jié) 構(gòu)v三 、 二 極 管 線 陣 和 陣 列 條v四 、 二 維 面 陣v五 、 光 譜 特 性 71 v光

20、譜 窄 ， 與 工 作 物 質(zhì) 吸 收 帶 匹 配 可 提 高 效 率 ， 減輕 熱 效 應(yīng)v結(jié) 構(gòu) 緊 湊v壽 命 長(zhǎng) ， 連 續(xù) 10E4h， 脈 沖 10E9次v波 長(zhǎng) 630 680nm AlGaInP 770 990nm GaAlAs 900 1000nm InGaAsv模 塊 化v價(jià) 格 高 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 v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v二 、 耦 合 光 學(xué) 系 統(tǒng) 82 83 84 85 86 87 88 89 90 v一 、 聚 光 腔 類 型v二 、

21、聚 光 腔 材 料 選 擇v三 、 聚 光 腔 反 射 表 面 選擇v四 、 聚 光 效 率v五 、 泵 浦 光 在 激 光 棒 內(nèi)分 布 91 v保 證 泵 浦 光 最 大 限 度 地 為 工 作 物質(zhì) 吸 收v冷 卻 液 通 道v燈 棒 等 的 固 定 場(chǎng) 所 92 93 94 95 96 97 v金 屬 鋁 輕 型 系 統(tǒng) 銅 熱 膨 脹 系 數(shù) 小 ， 導(dǎo) 熱 率 高 不 銹 鋼 不 生 銹 ， 光 潔 度 高 ， 熱 導(dǎo) 率低v玻 璃 易 碎 ， 導(dǎo) 熱 性 差 ， 不 生 銹 ， 耐 腐 蝕v陶 瓷 易 碎 ， 導(dǎo) 熱 性 差 ， 不 生 銹 ， 耐 腐 蝕 98 v金 屬v多 層

22、 介 質(zhì) 膜v陶 瓷v漫 反 射 粉 末 99 100 v單 橢 圓 柱 腔 的 聚 光 效 率c op ge (1 )(1 )(1 ) op w r c r r f 聚 光 效 率 ：光 學(xué) 效 率 幾 何 傳輸 效 率光 譜 帶 上的 反 射 率 棒 和 冷 卻 管上 的 反 射 率 非 反 射 面積 比 例濾 光 玻 璃 ， 冷卻 液 的 吸 收 101 v幾 點(diǎn) 假 設(shè)1.燈 在 圓 截 面 上 對(duì) 稱 均 勻 發(fā) 光2.不 考 慮 軸 向 傾 斜 光 線3.只 考 慮 一 次 反 射 光 線 ， 焦 點(diǎn) 上 泵 浦4.不 考 慮 直 接 照 射 ， 遮 擋 ， 忽 略 反 射損 耗5

23、.燈 作 為 黑 體 對(duì) 待 102 Rr Rl Lr Ll 2a 2b2c 103Lr Lr ( )RL L Llr r l RlLl 104 P0L Rr r 0 0 105 L Rr r 1p P200 106 L Rr r 1R R Lp L L Rr r l r r l P10 107 0 0 0 200 0 1 ( 2 )1 1 ge p p p R LL R E dE d d r l d r l 待 求 108 B Ad dlL lR( )R Ld l l d 000 01 1 R Lg e L RRL r l d r lr r 待 求 109 0 0 RlLl P0F F 2

24、2 20 2 4cos 4L RR RL L L RLl l ar lr l l c l l cce a 20 0 01 1cos 1 (1 )2sin ( )sin RLLR re e rr r 110 111 P0 1 0 0 11 ( )Rg e Lr r 112 113 雙 橢 圓 柱 腔 ， 焦 上 泵 浦 ， 求 證 ：0 1 01 21( ) 2cos 1 Rge Lr re e P0 1 114 單 橢 圓 柱 腔 ， 焦 上 泵 浦 ： ge32, 140.44, 5, 4R La ce r r 求 ： 115 1 11 1 2 2 3 3 4S A S A S A S A

25、S 漫 反 射 壁 的表 面 積 吸收率 燈 的 表面 積 吸收率 腔 壁 上 的開(kāi) 孔 面 積激 光 棒 的 吸 收 率（ 俘 獲 系 數(shù) ）激 光 棒 的 表面 積 116 117 v增 益 和 溫 度 分 布 不 均 起 振 不 均 光 斑 強(qiáng) 度 不 均 光 學(xué) 畸 變 激 光 效 率 和 發(fā) 散 角 變 壞v影 響 泵 浦 光 分 布 的 因 素 聚 光 器 的 聚 光 特 性 聚 焦 或 漫 反 射 激 光 棒 表 面 情 況 拋 光 或 磨 毛 激 光 棒 吸 收 系 數(shù) 與 棒 半 徑 之 積 直 照 情 況 R r 118 119 abc def燈P1 P2P3P4 2 22 (1 )/(1 )2 (1 )/(1 )2 (1 )/(1 )LLLab r e ecd r e eef r e e 120 121