最新激光原理及应用4课件PPT.ppt 31页

'激光原理及应用4 激光的基本技术直接对激光谐振腔的输出特性产生作用如：选模技术、稳频技术、调Q技术和锁模技术等；独立应用于谐振腔外如光束变换技术、调制技术和偏转技术等 4.1激光器输出的选模激光的优点在于它具有良好的单色性、方向性和相干性。理想的激光器输出光束应该只有一个模式，但是对于实际的激光器，如果不采取模式选择，它们的工作状态往往是多模的。含有高阶模式横模的激光束光强分布不均匀，光束发散角大。含有多纵模及多横模的激光器单色性及相干性差。在激光准直、激光加工、非线性光学、激光远程测距等领域都需要基横模激光束。在精密干涉测量，光通讯及大面积全息照相等应用中更要求激光是单横模和单纵模光束。因此，设计和改进激光器的谐振腔以获得单模输出是一个重要课题。 通常是利用腔镜反射膜的光谱特性(只对某个波段反射率大)或在腔内插入棱镜或光栅等色散元件，将工作物质发出的不同波长的光束在空间分离，然后设法，仅使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡。(注:n0=1)(5.3-1)’图5.3-1所示的是腔内插入色散棱镜的粗选装置图。谐振腔所能选择振荡的最小波长范围由棱镜的角色散和腔内振荡光束的发散角决定。 AccTBCDO图5.3-1棱镜色散粗选装置法线法线α1=α2=αφ因2c+T=1800,又β+T=1800所以c=β/2由四边形ABCD知T+2α+(180-Φ)=360由四边形ABCO知β+T=1800上两式联立得:α=(Φ+β)/2,所以(由折射定律，见上面公式）(5.3-1)设光线进入棱镜的入射角α1与光线离开棱镜的出射角α2相等，即α1=α2=α。根据物理光学折射定理，有(设折射角为c):(注:n0=1) 式中,α为入射角,n为析射率；β为棱镜的顶角；Φ为偏向角。定义棱镜的角色散率为，即波长每变化0.1nm时偏向角的变化量。将(5.3-1)式求导后代入，得(5.3-3)式中，dn/dλ表示不同材料的析射率对波长变化的导数。设腔内之光束所允许的发散角为θ，则由于色散棱镜的分光作用，腔内激光波长所能允许的最小波长分离范围为(5.3-2)色散率的倒数为单位偏向角波长的变化量 例如：用玻璃材料制成的棱镜和可见光波段来说，在θ≈1mrad时，能达到的Δλ≈1nm。这种棱镜色散法对一些激光器进行选择振荡是十分有效的。如氩离子激光器两条强工作谱线488nm和514.5nm就可采用此种色散进行选择。另一种色散腔是用一个反射光栅代替谐振腔的一个反射镜，如图5.3-2所示。 式中，m＝1,2……为衍射级次。设d为光栅栅距(光栅常数)，α1为光线在光栅上的入射角，α2为光线在光栅上的反射角，则形成光栅衍射主极大值的条件是(5.3-4) (5.3-6)由(5.3-4)式可见，当入射角相同时，不同波长的的0级谱线(m=0)相互重合而没有色散分光作用。对其他各级谱线而言，光栅的角色散率可由(5.3-4)式确定，即在入射角一定的前提下，单位波长的反射角的变化。通常光栅工作在自准直状态下，即α1=α2=α(α为光栅的闪耀角，即光栅平面的法线Ｎ0与每条缝的平面的法线N2之间的夹角，对小斜面而言是正入射），则光栅的角色散率为式求出：(5.3-5) 设腔内允许的光束发散角为θ，则因光栅色散所能允许的最小分离波长范围为（仿5.3-5式）对可见光谱区来说，设α0=300,θ=1mrad,则Δλ不到1nm量级。由此可见，其色散选择能力比棱镜更高。由于光栅法不存在光束的透过损耗，因此可适用于较宽广的光谱区域的激光器。色散腔法虽然能从较宽范围的谱线中选出较窄的振荡谱线，实现了单条荧光谱线的振荡；但这还只是较粗略的选择，在该条谱线的荧光线宽范围内，还存在着频率间隔为　　的一系列分立的振荡频率，即多个纵模，如何进一步从单条谱线中选出单一的纵模，就要采取如下的一些方法。(5.3-7) ２.短腔法激光振荡的可能纵模数主要由工作物质的增益线宽Δν0和谐振腔的纵模间隔Δνq决定。而纵模间隔　　　与腔长成反比，因此选择单纵模的方法之一是缩短谐振腔的长度Ｌ,以增大Δνq，使得在Δν0范围内只存在一个纵模，而其余的纵模都位于Δν0之外，如图5.3-3所示,此即所谓短腔法选纵模。图5.3.3短腔法选模原理 短腔法缺点：短腔法只适用于增益线宽较窄的激光器。由于腔长缩短，激光输出功率必然受到限制。因此在大功率单纵模输出的场合，此法不适用。如He-Ne激光器，当L=1m时，其纵模间隔=150MHz(设n=1)。因若要求Δν0=1500MHz,单纵模振荡就要求L=0.1m以下。 3.法布里-珀罗标准具法：如图4-2所示，在外腔激光器的谐振腔内，沿几乎垂直于腔轴方向插入一个法布里－珀罗标准具由于多光束干涉的结果，对于满足下列条件的光具有极高的透射率获得最大透射率的两相邻频率间隔图(4-2)法布里-珀罗标准具法示意图适当的调整角，就可以达到选频的目的 对于多纵模激光器，在谐振腔中插入一标准具后，我们适当地选择标准具的厚度d和反射率ρ，使得标准具的峰值频率间隔Δv与激光器的荧光线宽相当，从而使得在有效增益线宽内，只能通过一个纵模，而其余的纵模因透过率小均被标准具所“滤掉”，从而达到选纵模的目的。法－珀标准具选纵模的优点在于标准具平行平面板的厚度d可以调整到很薄，因此对增益线宽很宽的工作物质和氩离子、红宝石、YAG等也能够获得单纵模振荡，可适用于大功率激光器。 激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当透射率的部分透射部分反射镜这相当于两个谐振腔的耦合，一个是由M1、M3组成，其腔长为L1+L2；另一个由M3、M4组成，其腔长为L2+L3，两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3)只有同时满足两个谐振条件的光才能形成振荡，故只要L2+L3足够小就可以获得单纵模输出图4-3三反射镜法4.三反射镜法选纵模 5.复合腔法如果用一个反射干涉仪系统取代谐振腔中的一个反射镜，则其组合反射率是光波长(频率)的函数。图5.3-8所示的是两种组合干涉复合腔的原理图。图5.3-8复合腔选模 图5.3-8(a)是一个迈克耳孙干涉仪式复合腔，它由一个迈克耳孙干涉仪取代谐振腔的一个反射镜构成。该腔可以看成由两个子腔组合而成，全反射镜M和M1组成一子腔，腔长为L+l1，谐振频率υ1i={c/[2(L+l1)]}qi(设n=1)。另一个子腔由全反镜M和M2组成，其腔长为L+l2，谐振频率为υ2j={c/[2(L+l2)]}qj。激光器的谐振频率必须同时满足上面两个条件,即{c/[2(L+l1)]}qi={c/[2(L+l2)]}qj,而且第一个子腔的光束经过N个频率间隔后的频率正好和第二个子腔的光束经过N+1个频率间隔后的频率再次相等。由此可以得到复合腔的频率间隔: 适当选择l1及l2，可以使复合腔的频率间隔足够大，即两相邻纵模间隔足够大，与增益线宽相比拟时，即可实现单纵模运转。Δν=c/[2(l1-l2)](5.3-9)Δν=c/[2(l1-l2)] 图5.3-8(b)所示的为一个福克斯—史密斯(Fox-Smith)干涉仪式复合腔。可以证明，复合腔的两相邻的频率间隔为图5.3-8复合腔选模(5.3-11) 在均匀加宽激光器中，可以采用环形行波腔获得单纵模振荡，其装置结构如图5.3-10所示。因为在一般的直式谐振腔中，振荡的光场是驻波场，在波腹处光最强，在波节处光最弱，形成所谓驻波效应，因此造成腔内光强分布的空间纵向不均匀性，从而导致粒子数反转空间不均匀。采用环形腔结构，并在腔中放置由起偏器、法拉第旋转器(相当于光二极管)和石英晶体片组成的光学隔离器，使激光束只能以行波方式单向传播。6.其它选纵模方法环形行波腔选纵模、利用Q开关选单纵模等（电子态有一定的寿命属于均匀加宽，多普勒则是非均匀。) 图5.3-10环形行波腔激光器示意图 水泵机械密封常见渗漏现象及对策一、常见的渗漏现象机械密封渗漏的比例占全部维修泵的50%以上，机械密封的运行好坏直接影响到水泵的正常运行，现总结分析如下。 1.周期性渗漏泵转子轴向窜动量大，辅助密封与轴的过盈量大，动环不能在轴上灵活移动。在泵翻转，动、静环磨损后，得不到补偿位移。对策：在装配机械密封时，轴的轴向窜动量应小于0.1mm，辅助密封与轴的过盈量应适中，在保证径向密封的同时，动环装配后保证能在轴上灵活移动(把动环压向弹簧能自由弹回来)。(2)密封面润滑油量不足引起干摩擦或拉毛密封端面。对策：油室腔内润滑油面高度应加到高于动、静环密封面。(3)转子周期性振动。原因是定子与上、下端盖未对中或叶轮和主轴不平衡，汽蚀或轴承损坏(磨损)，这种情况会缩短密封寿命和产生渗漏。对策：可根据维修标准来纠正上述问题。 2.小型潜污泵机封渗漏引起的磨轴现象(1)715kW以下小泵机封失效常常产生磨轴，磨轴位置主要有以下几个：动环辅助密封圈处、静环位置、少数弹簧有磨轴现象。(2)磨轴的主要原因：①BIA型双端面机械密封，反压状态是不良的工作状态，介质中的颗粒、杂质很容易进入密封面，使密封失效。②磨轴的主要件为橡胶波纹管，且是由于上端密封面处于不良润滑状态，动静环之间的摩擦力矩大于橡胶波纹管与轴之间的传递转矩，发生相对转动。③动、静环辅助密封由于受到污水中的弱酸、弱碱的腐蚀，橡胶件已无弹性。有的已腐烂，失去了应有的功能，产生了磨轴的现象。3)为解决以上问题，现采取如下措施：①保证下端盖、油室的清洁度，对不清洁的润滑油禁止装配。②机封油室腔内油面线应高于动静环密封面。③根据不同的使用介质选用不同结构的机封。对高扬程泵应重新设计机封结构，对腐蚀性介质橡胶应选用耐弱酸、弱碱的氟橡胶。机封静环应加防转销。 二、由于压力产生的渗漏高压和压力波造成的机械密封渗漏由于弹簧比压力及总比压设计过大和密封腔内压力超过3MPa时，会使密封端面比压过大，液膜难以形成，密封端面磨损严重，发热量增多，造成密封面热变形。对策：在装配机封时，弹簧压缩量一定要按规定进行，不允许有过大或过小的现象，高压条件下的机械密封应采取措施。为使端面受力合理，尽量减小变形，可采用硬质合金、陶瓷等耐压强度高的材料，并加强冷却的润滑措施，选用可*的传动方式，如键、销等。(2)真空状态运行造成的机械密封渗漏泵在起动、停机过程中，由于泵进口堵塞，抽送介质中含有气体等原因，有可能使密封腔出现负压，密封腔内若是负压，会引起密封端面干摩擦，内装式机械密封会产生漏气(水)现象，真空密封与正压密封的不同点在于密封对象的方向性差异，而且机械密封也有其某一方向的适应性。对策：采用双端面机械密封，这样有助于改善润滑条件，提高密封性能。 三、由于介质引起的渗漏(1)大多数潜污泵机械密封拆解后，静环和动环的辅助密封件无弹性，有的已经腐烂，造成了机封的大量渗漏甚至有磨轴的现象。由于高温、污水中的弱酸、弱碱对静环和动环辅助橡胶密封件的腐蚀作用，造成了机械渗漏过大，动、静环橡胶密封圈材料为丁腈—40，不耐高温，不耐酸碱，当污水为酸性碱性时易腐蚀。对策：对腐蚀性介质，橡胶件应选用耐高温、耐弱酸、弱碱的氟橡胶。(2)固体颗粒杂质引起的机械密封渗漏如果固体颗粒进入密封端面，将会划伤或加快密封端面的磨损，水垢和油污在轴(套)表面的堆积速度超过摩擦副的磨损速度，致使动环不能补偿磨耗位移，硬对硬摩擦副的运转寿命要比硬对石墨摩擦副的长，因为固体颗粒会嵌入石墨密封环的密封面内。对策：在固体颗粒容易进入的位置应选用碳化钨对碳化钨摩擦副的机械密封。 四、因其他问题引起的机械密封渗漏机械密封中还存在设计、选择、安装等不够合理的地方。(1)弹簧压缩量一定要按规定进行，不允许有过大或过小的现象，误差±2mm，压缩量过大增加端面比压，摩擦热量过多，造成密封面热变形和加速端面磨损，压缩量过小动静环端面比压不足，则不能密封。(2)安装动环密封圈的轴(或轴套)端面及安装静环密封圈的密封压盖(或壳体)的端面应倒角并修光，以免装配时碰伤动静环密封圈。 谢谢！'