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毛细管放电等离子体状态研究及低气压X光激光输出

作　者: 栾伯晗
导　师: 王骐
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: X光激光毛细管放电 Z箍缩类氖氩激光特性测量
分类号: TN24
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

X光激光由于具有其他相干光源不可替代的优越特性,因而在许多领域都有着重要的应用。但是,因为X光激光需要很高的泵浦能量,使得泵浦源庞大,带来造价昂贵、能量转换效率低等问题限制了应用的推广。毛细管放电泵浦方案是实现低造价的小型化X光激光最成功的机制之一。自1994年国际上首次实现毛细管放电类氖氩46.9nm激光以来,许多国家都开展了这项研究,因为其激光产生条件的复杂性,到2000-2002年才又有三个研究小组获得了成功。本课题组在独立研制的毛细管放电装置上于2004年6月实现了激光输出,成为国际上第五家在这个领域获得成功的研究小组。本文介绍了在获得激光以后,我们在理论研究、装置改进和提高激光输出能量等方面取得的进展。毛细管放电X光激光的增益介质是放电等离子体,通过Z箍缩过程将泵浦能量转化为激光,因此研究等离子体的演变过程和产生激光时刻的状态对于深入理解激光产生的物理过程及光束质量的决定因素非常重要。本文在这两方面进行了研究,对于等离子体演变过程,基于对Z箍缩物理过程的合理分析,提出了对雪耙模型的改进,使其能够计算更完整的演变过程,并编制了数值模拟程序,特别是通过计算得到了等离子体的多次箍缩过程,这一理论结果是毛细管放电X光激光理论研究上的一个新的观点,并且与本装置上进行的实验观察有很好的吻合。对于产生激光时刻的等离子体状态,根据X光在等离子体中传播的理论模型编制了数值计算程序,突破了解析计算的局限性,使得可以对任意等离子体密度梯度和增益分布计算出激光的空间特性,再结合实验测量结果,就可以判断出产生激光时刻的等离子体状态。本文给出了几种典型密度梯度分布的计算结果,为进行等离子体状态的判断提供了依据。毛细管放电装置是一个很复杂的系统,包括放电脉冲产生系统、脉冲整形系统、预脉冲产生系统和毛细管放电与探测系统。为了克服装置本身对激光输出不利的因素,提高运行的稳定性,进行了大量的维修和改造工作。利用DQ128型汽车点火线圈重新设计制造了预脉冲触发装置,比原来的触发系统更简单可靠。自制了罗可夫斯基线圈,并对其进行了标定,代替原先使用的回流器测量放电电流,解决了无法准确测量流过毛细管电流的问题,为实验分析提供了更准确的依据。改造了Blumlein传输线的前置脉冲隔离开关,消除了长期困扰实验的前置脉冲对激光输出条件的破坏,使激光达到了稳定输出。最后对主开关和放电室进行了改进,提高了放电电流的幅值,抑制了放电室中的旁路放电,提高了装置的性能。首先在15厘米长毛细管上完成了大量的基础实验,包括通过一系列判别实验找到了X射线二极管(XRD)干扰信号的来源,并消除了干扰信号,保证了实验的顺利进行。深入研究了装置中各气体开关的性质,找到了系统联调的方法,保证了装置的稳定运行。完成了放电电流上升沿波形和预主脉冲延时对激光输出影响的实验,确定了最佳的电流波形和预主延时范围,获得了激光的稳定输出。其次,在20厘米毛细管上实现了激光输出,使激光输出能量进一步提高。通过改变放电电极形状和预脉冲电流幅值研究了放电参数对产生激光的影响,确定了最佳预脉冲电流幅值范围。实验验证了XRD探测的多个尖峰信号的来源,提出了XRD设计的改进方案。测量了激光的增益特性、方向性,测量增益系数为0.45cm-1,增益长度积为8.28。设计实验测量了激光的束轮廓,束散角为5.3mrad,并结合理论计算结果对等离子体状态进行了判别。最后,结合实验结果计算了激光输出能量,结果表明实验中获得的低气压(25Pa)下类氖氩46.9nm激光单脉冲能量达到了3.5μJ。本文的内容是理论研究与实验研究紧密结合的结果。这些结果加深了对毛细管放电泵浦产生激光机理的理解,提高了激光输出的能量,完成了激光增益特性和空间特性的测量,为进一步达到激光输出增益饱和指明了方向。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-33
  1.1 本论文的研究背景  15-18
  1.2 台式X 光激光的解决方案  18-31
    1.2.1 强光场电离X 光激光方案  18-19
    1.2.2 瞬态电子碰撞方案  19-20
    1.2.3 毛细管放电泵浦方案  20-30
    1.2.4 国内X 光激光研究概况  30-31
  1.3 本论文研究内容  31-33
第2章毛细管放电等离子体状态的理论研究  33-67
  2.1 引言  33-34
  2.2 毛细管放电多次箍缩理论模拟与分析  34-46
    2.2.1 Z箍缩的基本原理  34-35
    2.2.2 雪耙模型简介  35-36
    2.2.3 毛细管放电等离子体多次箍缩与数值模拟  36-46
  2.3 X 光在等离子体中的传播  46-53
    2.3.1 连续折射介质中的光线方程  46-48
    2.3.2 电子密度线性分布的近似计算  48-51
    2.3.3 电子密度抛物线分布的近似计算  51-53
  2.4 光束方向特性的数值计算  53-65
    2.4.1 数值计算程序的编制  54-55
    2.4.2 电子密度抛物线形的计算  55-58
    2.4.3 电子密度分布其他线形的计算  58-64
    2.4.4 激光输出能量的计算  64-65
  2.5 本章小结  65-67
第3章毛细管放电装置的优化运行研究  67-89
  3.1 引言  67
  3.2 毛细管放电软X 光激光装置介绍  67-75
    3.2.1 脉冲发生单元  69-71
    3.2.2 脉冲整形单元  71-73
    3.2.3 毛细管放电单元  73-74
    3.2.4 探测单元  74-75
    3.2.5 预脉冲单元  75
  3.3 毛细管放电装置的维修与改造  75-88
    3.3.1 对预脉冲电源的改造  76-77
    3.3.2 对主脉冲电流测量装置的改造  77-82
    3.3.3 对前置脉冲开关的改造  82-85
    3.3.4 对Marx 发生器、主开关及放电室的改造与维修  85-86
    3.3.5 对气压表的标定实验  86-88
  3.4 本章小结  88-89
第4章 15 厘米长毛细管的激光输出及稳定运行  89-110
  4.1 引言  89
  4.2 激光输出的获得  89-90
  4.3 探测系统干扰信号的验证和消除  90-93
  4.4 主开关和前置脉冲开关的实验研究  93-100
    4.4.1 改变主开关结构的实验研究  93-96
    4.4.2 固有前置脉冲的隔离  96-98
    4.4.3 主开关和前置脉冲开关的调试实验  98-100
  4.5 电流波形前沿对激光产生的影响  100-106
    4.5.1 改变电流波形的实验结果  100-102
    4.5.2 不同电流波形的激光实验对比  102-106
  4.6 预、主脉冲延时对激光产生的影响  106-109
  4.7 本章小结  109-110
第5章 20 厘米长毛细管的激光输出及其特性研究  110-144
  5.1 引言  110-111
  5.2 20 厘米毛细管激光输出实验  111-112
  5.3 放电条件对激光输出的影响  112-117
    5.3.1 毛细管放电电极的影响  112-116
    5.3.2 外加预脉冲电流幅值的影响  116-117
  5.4 XRD 多个尖峰信号的验证和新放电方案  117-123
    5.4.1 XRD 多个尖峰信号的实验研究  117-120
    5.4.2 固有预脉冲耦合电流和新放电方案  120-123
  5.5 毛细管放电激光特性的实验研究  123-135
    5.5.1 激光增益特性的测量  123-129
    5.5.2 激光方向性的验证实验  129-132
    5.5.3 激光空间分布的测量实验  132-135
  5.6 寻找最佳激光输出条件的实验研究  135-143
    5.6.1 改变Ar 气气压的实验  135-137
    5.6.2 改变放电电流幅值的实验  137
    5.6.3 改变电流上升沿波形的实验  137-140
    5.6.4 激光脉冲最高幅值结果及能量计算  140-142
    5.6.5 进一步提高激光能量的建议  142-143
  5.7 本章小结  143-144
结论  144-146
参考文献  146-158
附录1  158-162
附录2  162-165
攻读博士学位期间发表的学术论文  165-167
致谢  167-168
个人简历  168

毛细管放电等离子体状态研究及低气压X光激光输出

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