电光调QCO_2激光器的六温度模型理论与速率方程理论比较分析

分别利用速率方程理论和六温度模型理论对Q开关CO2 激光器动力学过程进行了理论分析比较 ,实验上测得电光调Q射频波导CO2 激光器脉冲激光建立时间及峰值功率与速率方程理论和六温度模型理论计算结果一致 .但速率方程理论计算的激光脉冲宽度较“窄” ,并且几乎没有拖尾 ,而六温度模型理论计算的脉冲激光波形有明显的拖尾 ,符合实际测量的波形 .另外 ,六温度模型理论可以全面反映激光器工作气体中不同分子能级的能量转移过程 。

脉冲TEA CO_2激光器温度特性的理论分析

利用六温度模型速率方程计算了当激光工作气体温度从-30℃^+60℃变化时TEACO2激光器输出脉冲能量的变化规律。结果表明,激光器输出脉冲能量随着工作温度的升高而近似线性下降;线性下降的快慢和激光工作气体组成、气压、输出耦合镜反射率、注入能量、工作气体组成等均有关系;工作气体气压越高、输出耦合镜反射率越大或注入能量越高,激光输出脉冲能量随温度升高而下降的速度越快。

小型TEA CO_2激光器的温度特性

对小型TEACO2 激光器的输出脉冲能量与温度的关系进行了实验测试和理论分析 ,结果表明 ,在一定温度范围内激光输出脉冲能量随温度的升高而近似线性下降。

直流电纵向激励机械调Q CO_2激光器的动力学分析

用一种快速斩波器实现简单直流电纵向激励CO2激光的机械Q调制．产生了峰值功率为1～2kW、重复频率为740Hz、单脉冲宽度为200～300ns的激光脉冲．用六温度模型模拟该机械调QCO2激光器Q调制的动力学过程，分析了CO2分子分解为CO分子比率、腔内放电电子密度（放电电流）对输出脉冲强度的影响，并计算了Q转换输出脉冲线形、脉冲峰值功率及脉冲宽度，理论计算分析与实验结果相符．

可调谐TE(A)CO_2激光器速率方程

给出了描述可调谐TE（A）CO_2激光器动力学过程的六温度模型速率方程组,可以用于计算可调谐TE（A）CO_2激光器的各种输出特性,并给出了计算例子.

脉冲TEA CO_2激光器输出模拟

为了研究气体配比、抽运电子密度、腔长对脉冲横向激励大气压CO2激光器输出功率的影响,采用了六温度模型的方法,对工作气体中不同分子振动模式间的能量转移和激光输出功率进行了理论分析和模拟。当CO2,N2,He的体积比由4∶30∶65上升到6∶30∶65时,脉冲功率增加,输出延迟时间变短;当CO2,N2,He的体积比由5∶15∶65上升到5∶35∶65时,脉冲功率按先增加后减小的趋势变化,在N2比例约为25时达到最大;当CO2,N2,He的体积比为5∶30∶65、最大抽运电子密度由4×1012/cm3增加到6×1012/cm3、腔长由2m增加到4m时,脉冲功率都会逐渐增加;脉冲功率越大时,输出延迟时间越短,但有更长的拖尾现象。结果表明,气体配比、抽运电子密度、腔长对脉冲输出功率有影响,该研究为设计和优化激光器提供了参考。

声光调QCO_2激光器的动力学模型

利用六温度模型理论对声光调QCO2激光器的动力学过程进行了理论分析,并与速率方程理论计算的结果进行了比较,证明这两种理论在激光输出性能方面的计算结果基本一致。六温度模型理论模拟的脉冲激光波形有明显的拖尾,与实验结果更相符,且更全面地解释了激光器工作气体中不同分子能级间的能量转移过程。利用六温度模型模拟了输出功率作为输出镜透射率的函数曲线,得到了最佳输出镜透射率参数,其结果与实验相符。实验表明,输出窗口的透射率对激光输出性能影响明显,可通过优化输出镜透射率来改善激光器的输出性能。实验中获得的激光脉冲宽度为160 ns,峰值功率为4750 W。

脉冲CO_2激光器的多频动力学模型

建立了适用于各种气压下(20×133—20×105Pa)的脉冲CO_2激光器的六温度多频动力学模型,该模型考虑了增益谱线重叠效应,序列带、热带的影响,以及非洛伦兹线型效应.对模型进行数值求解可以预言和解释不同气压下的脉冲CO_2激光器的输出特性,有助于评价不同的抽运设计和研究可调谐特性,为设计脉冲CO2激光系统提供理论支持.

基于遗传算法的快轴流CO_(2)激光放大器的参数优化

获得13.5 nm极紫外光刻光源的主流方案为激光激发等离子体,即利用高功率、高重复频率、高光束质量的短脉冲CO_(2)激光与液滴锡靶作用产生极紫外光。高功率CO_(2)激光由振荡器产生的高重复频率CO_(2)种子经多级放大产生,所以功率放大器是驱动光源系统的核心器件之一。建立了射频激励快轴流CO_(2)激光放大器的六温度模型,可以模拟计算放大过程中稳态与瞬态的能量分布情况、光强变化情况、增益系数等。以此模型为适应度函数,采用遗传算法对自研射频激励快轴流CO_(2)激光放大器的腔压和CO_(2)、N_(2)、He气体体积比进行全局优化,优化结果为80 mbar(1 bar=100 kPa)和V(CO_(2))∶V(N_(2))∶V(He)=12.2%∶15.3%∶72.5%。在波长10.6μm种子光注入功率110 W的情况下,放大器的激光输出功率从2504 W提高到3422 W,验证了该方法的可行性和有效性。

光栅调谐TEA CO_2激光器理论计算模型

基于六温度模型速率方程理论 ,建立了系统计算光栅调谐TEACO2 激光器动力学特性的理论模型。利用该模型举例计算了光栅调谐TEACO2 激光器的各种输出特性。计算中 ,激光器的增益体积为 0 .9L ,闪耀光栅的光栅常数为 12 0line/mm ,闪耀角为 30°,激光混合气体气压为 6 1 3kPa ,温度为 30 0K ,采用光栅零级作为耦合输出。计算给出了如下结果 :1)光栅分别调谐于 9R(2 0 ) ,9P(2 0 ) ,10R(2 0 )或 10P(2 0 )线时 ,激光器的输出脉冲能量 ;2 )光栅调谐于 10P(2 0 )线时 ,激光输出谱线的精细纵模结构和输出激光脉冲波形 ;3)激光输出脉冲能量和输出波长随光栅入射角的变化 ;4 )光栅输入失调时 ,激光输出波长的精细纵模结构。

脉冲TEA CO2激光器输出波长的温度漂移

当工作气体温度变化时,脉冲TEA CO_2激光器的输出波长也可能发生变化,此现象称为输出波长的温度漂移。通过建立六温度理论模型,用数值计算的方法揭示了平凹稳定腔脉冲TEA CO_2激光器输出波长的温度漂移规律。计算结果表明,这种激光器输出光谱为多谱线结构,工作气体温度升高,激光输出波长向长波长方向移动;工作气体温度降低,激光输出波长向短波长的方向移动。计算结果还表明,激光输出波长随温度的漂移局限在10P支内,没有9μm带与10μm带之间的跨带移动,因此,采用光栅谐振腔,可抑制脉冲TEA CO_2激光器输出波长的温度漂移,稳定激光输出波长。

低锐度F-P干涉具调谐TEA CO_2激光器理论分析

从理论上计算了低锐度F-P干涉具直接输出耦合调谐TEACO2激光器的输出特性。结果表明,通过改变干涉具的间距,激光器的输出波长可在9μm带和10μm带之间切换;而且,输出一般为多波长,每个波长包含精细纵模结构,纵模的数目和谱线展宽有关。理论计算还给出了输出脉冲波形和脉冲能量随波长的分布。

调Q CO_2激光功率放大器的输出特性

利用描述CO_2激光器动力学过程的六温度模型理论,建立了计算调Q CO_2激光功率放大器输出特性的数学模型,进行了理论分析和数值计算,并讨论了分光比等参数对输出脉冲特性、输出光谱的影响。结果表明:该调Q CO_2激光功率放大器存在临界增益长度和临界光强分束比,低于临界值时无法获得激光输出;该调Q CO_2激光功率放大器的输出激光脉冲波形、峰值功率、脉冲宽度、输出光谱与光强分束比、抽运电子数密度等参数有关,光强分束比越小,输出的调Q激光脉冲宽度越大,峰值功率越低;该调Q CO_2激光功率放大器利用Q调制的高增益特性,通过控制调Q元件所在的低功率支路可以实现高平均功率的调Q脉冲CO_2激光输出,很好地解决了调Q CO_2激光功率放大器难以高功率运转的问题。