國防科技學術合作研究計畫成果報告

249  Download (0)

Full text

(1)

國防科技學術合作研究計畫成果報告

鐪雷射測距定位儀能量及光束測試調校及更換研究

(計 畫 名 稱)

計畫編號:NSC 94-2623-7-216-001

執行期間:94 年 1 月 1 日 至 94 年 12 月 31 日

計畫主持人:陳振文 助理教授

共同主持人:蘇重光 中校技術室主任 康慶順 上尉光電所代所長

執行單位:中華大學 機械系暨機械航太工程研究所

中華民國 九十五 年 一 月 一 日

(2)

國防科技學術合作計畫研發成果資料表

日期:95 年 3 月 1 日 計畫名稱:鐪雷射測距定位儀能量及光束測試調校及更換研究

計畫主持人:陳振文 助理教授 計畫編號:NSC 94-2623-7-216-001

期刊

Optics and Laser Technology,國際 SCI 期刊;

94 年 12 月 27 日投稿,審稿中。

論文

研討會

2005 年國防科技學術研討會論文刊登發表及講演研討。

技術報告

雷射測距追踪導引儀,雷射測距追踪導引儀技術,雷射測距追踪 導引儀維修技術。

申請

商用高精度中長距離雷射測距技術專利準備申請中。

專利 獲得

應用

可應用於土木、建築、裝潢、休閒等雷射測距使用。

與軍方研發機構 互動之具體研發

成果

1. 協助軍方維修單位,進行五級維修工作。

2. 協助軍方維修單位,獲得五級維修工作知識、技術及標準步驟。

3. 協助軍方維修單位,獲得五級維修工作額外自製儀器設備。

可推廣於民間產 業之技術或可開

發之產品

1. 協助民間產業,獲得雷射驅動儀器設計能力及開發產品。

2. 協助民間產業,獲得自製雷射量測儀器設計能力及開發產品。

3. 協助民間產業,建立自製雷射測距儀能力及開發產品。

可推廣之產業別

(如無限通訊、微 機電等)或可能技

轉之廠商

1. 可推廣的民間產業為電子、光電、雷射等產業界及廠商。

2. 可能技轉廠商有,雷射標示廠商,提昇技術生產雷射測距儀。

3. 可能技轉廠商有,光電機械廠商,提昇技術生產雷射測距儀。

本表若不敷使用,請自行影印使用。

(3)

中、英文摘要及關鍵詞:

本研究計畫是對一特殊的雷射做知識、技術及經驗的解析研究,使軍方需求 單位掌握此一特殊的雷射的五級維修能力。我們對計畫的緣起做了說明及並對需 求單位完全配合。在計畫的執行中做了最佳的每一元件及元件組的解析研究,並 對所有的介面做最完整詳細的說明,更對量測及調校和元件的更換做了標準程序 說明,還有設計了各類、各級雷射自主的驅動電源電路設計,使得使用者可以自 主的完全掌握基修能量。

關鍵詞:雷射、雷射共振腔、雷射量測、雷射調校、雷射驅動。

This research project is to analyze and research a specific laser configuration to obtain complete knowledge、technologies and experiences to transfer to the project initiator for the conducting of the fine detail maintenance work. We descript in detail of the project approval processes and all the subjects that project initiator demanded. In the execution of the project, we analyze and research all the components and modulars, link all the interfaces, establish the standard of processes for the measurement、alignment、replacement of all components, and even more we have designed all the different levels of the laser driving circuits, so the operators can obtain complete self-contented abilities to do the maintenance.

Keywords: Laser、laser resonator、laser measurements、laser alignments、laser driving circuits。

(4)

計畫成果自評:

本計畫完成之研究及報告,其研究內容與原計畫規劃完全相符。預期目標完 全達成,且更可在最近未來,軍方需求單位可額外穫得兩件研究執行單位自製並 且調整及校正過的雷射脈衝波形量測器,可量測雷射脈衝波形、雷射高脈衝率、

甚或雷射鎖碼脈衝波串;以及第二件研究執行單位自製並且調整及校正過的雷射 能量計。本計畫完成之研究成果,對軍方需求單位有非常重要的實際應用價值。

當然單純的雷射的基礎研究,如與本系統完全不同的雷射被動式Q 調制方式及 技術可以做純學術研究成果,適合在學術期刊發表。但是由於雷射的原始架構是 美軍系統裝備,故不適合申請專利。而且本研究計畫是對一特殊的雷射做知識、

技術及經驗的解析研究,使軍方需求單位掌握此一特殊的雷射的五級維修能力。

故建議本計畫完成之研究及報告,完全對軍方需求單位公開。但對非賡續研究 者,或其他非軍方需求單位同意者,不公開。

(5)

一、 計畫緣起...1

二、 需求單位現況...1

三、 計畫目標...1

四、 本計畫執行內容...1

五、 本計畫執行成果內容...2

5.1. 系統之解析及研究...2

(a) 雷射系統架構 Laser configuration ...10

(b) 雷射系統介面 Laser interfaces ...16

(c) 雷射激勵 Optical pumping...20

(d) 雷射共振腔 Porro resonator...54

(e) 雷射三面直角稜鏡 Corner cube...61

(f) 雷射轉折稜鏡 Folding prism...67

(g) 雷射腔內望遠鏡組 Telescope in the resonator...69

(h) 雷射Q調制組件 Q-switch modulars ...73

(i) 雷射鎖碼Q調制 Coded Q-switch modulation ...89

(j) 雷射輸出導引 Output coupling ...98

(k) 雷射共振腔內萊斯立稜鏡組Risley Prisms ...101

5.2. 雷射基修技術及調校步驟標準程序...107

(a) 雷射基修技術...107

(i) 雷射原理及技術...107

(ii) 雷射Q調制原理及技術...123

(iii) 雷射基修技術...127

(b) 雷射調校步驟標準程序...130

(i) 雷射共振腔...130

(ii) 雷射調校...132

(iii) 多元件雷射調校及步驟標準程序...133

5.3. 雷射驅動系統及介面解析及試製...147

(a) 雷射驅動系統...147

(i) 雷射電源供應器...147

(ii) 雷射激勵電源供應器...149

(iii) 雷射閃光燈脈衝成形電路...158

(iv) 閃光燈觸擊發電路...166

(v) 雷射Q調制電源供應器 ...171

(vi) 高脈衝率雷射驅動及技術...181

(b) 雷射驅動系統介面...183

(i) 雷射驅動系統時序技術...183

(ii) 雷射驅動系統時序控制電路...189

5.4. 雷射輸出量測...190

(6)

(a) 雷射輸出...190

(i) 雷射能量輸出...190

(ii) 雷射輸出光束點...192

(iii) 雷射脈衝輸出及功率...195

(iv) 雷射脈衝串輸出及鎖碼技術...199

(b) 雷射輸出量測...200

(i) 雷射能量輸出量測...200

(ii) 雷射脈衝輸出及功率量測...204

(iii) 雷射脈衝串輸出及鎖碼技術量測...217

5.5. 雷射系統優化調校...220

(a) 雷射發射及能量輸出優化調校...220

(b) 雷射脈衝波形優化調校...220

(c) 雷射功率優化調校...222

(d) 雷射脈衝串優化調校...222

(e) 雷射鎖碼脈衝串優化調校...223

5.6. 部分硬體設備提供軍方維修單位...224

(a) 雷射脈衝波形量測模組...224

(b) 雷射能量量測模組...227

(c) 閃光燈驅動初步電源供應器...229

六、 結語...231

七、 附件...232

7.1. 本計畫參考資料...232

7.2. 雷射基修工作室規劃...238

7.3. 發表的 2005 年國防科技學術研討會論文...239

(7)

一、 計畫緣起

91 年,連絡、技術討論

92 年,連絡、技術討論,希望建案合作研究

93 年,連絡、技術討論,建案申請提出,奉核定 94 年執行一年 94 年,執行委託合作研究一年

二、 需求單位現況

國內軍方,追踪導引測距高脈衝率雷射,無五級基修單位

國內軍方,追踪導引測距高脈衝率雷射,無五級基修技術及經驗 國內軍方,追踪導引測距高脈衝率雷射,無五級基修備料件

我陸軍有多架OH-58D 及 AH-1W 直昇機,在射控系統最重要的追踪 導引測距高脈衝率雷射,目前只能執行系統及電路板模組,三級模組件抽 換檢修。尤其對雷射模組,更無五級基修專責單位、五級基修技術及經驗、

五級基修備料件等等。多年來,軍方在超過三級維修需求方面,只有精巧 的提高雷射輸入電壓,到不超過臨界極限最高電壓,來維持系統堪用;以 及後送美國廠商執行五級檢修。前者提高雷射輸入電壓,直到最高臨界極 限電壓,來維持系統堪用,是一種治標方法,有其範圍限制,且無法回覆 到正常工作電壓。後者送美國廠商執行五級檢修需耗時十八個月時間,且 費用貴並難預估經費。。

三、 計畫目標

建立高階追踪導引測距高脈衝率雷射知識、技術能量及經驗,掌握 五級基修技術,提高維修妥善率,增加戰力。

四、 本計畫執行內容

測試、瞭解及指導追踪導引測距高脈衝率雷射,故障情形及原因 測試、瞭解及指導追踪導引測距高脈衝率雷射,故障修護方法及步驟

研究雷射架構及系統之解析

雷射基修技術及調校步驟標準程序建立 雷射驅動系統及介面解析及試製

雷射輸出量測

雷射系統優化調校技術及步驟標準程序建立

雷射檢測及調校自製部分硬體設備提供軍方維修單位

(8)

提供相關參考資料 規劃雷射基修工作室 提供知識及技術教學 五、 本計畫執行成果內容

5.1. 系統之解析及研究

網路搜尋系統相關檔案:www.helicopterpage.com/ html/ahip.html

(9)

66777

These photos were provided by Cpt. John Creech,

Company C, 1-185th Aviation,

U.S. Army

(10)

與本計畫有關的銣離子亞格雷射發射器,可執行測距、追踪、導引等功能,

即裝置在此Mast-Mounted Sight (MMS)內。

Left: The most distinct external feature of the OH-58D is the Mast-Mounted

Sight (MMS). It has two windows for a TV sensor (small one) and a FLIR (large one). There is also a laser rangefinder/designator boresighted with the sensors. The MMS can rotate ±190° in azimuth and ±30° in elevation.

網路Mast-Mounted Sight (MMS)照片及說明

(11)

8

oh-58d-008-mms.jpg ...

464 x 650 pixels - 33k - jpg www.aeronautics.ru

OH-58D Mast Mounted Sight

MMS 289 x 410 pixels -

18k - jpg tri.army.mil

OH-58D Kiowa Warrior with MMS 764 x 546 pixels -

126k - jpg www.abacuspub.com

The AHIP Program OH-58D 250 x 300 pixels -

17k - gif

www.helicopterpage.com

8 8

OH-58D Kiowa Warrior with MMS 300 x 214 pixels -

27k - jpg www.abacuspub.com

OH-58D ATHS. The ubiquitous OH-58 ...

640 x 511 pixels - 54k - jpg www.ausairpower.net

... Floyd Werner's OH-58D Warrior 480 x 640 pixels -

73k - jpg www.making-history.ca

oh-58d-008-mms.jpg ...

51 x 72 pixels - 2k - jpg www.aeronautics.ru

Google 網路搜尋 Mast-Mounted Sight (MMS)結果,如上示。

(12)

1. Laser designator.

2. Stabilized platform.

3. TV camera.

4. Boresight assembly.

5. Thermal imaging sensor.

6. Multiplexer electronics.

7. Composite post.

8. Heat exchanger.

Thermally stable.

Reduces image vibration.

Magnifying video sensor.

30 seconds in flight.

120 element module.

TV/FLIR correlation.

Kevlar composite based.

Glycol cooled.

Mast-Mounted Sight (MMS)剖面圖照片及功能說明,銣離子亞格雷射發射器 即項1 橘黃色部分所示。

(13)

Mast-Mounted Sight (MMS)剖面圖放大照片。

(14)

Mast-Mounted Sight (MMS)熱像夜視照片、電視攝影照片、雷射發射照片等 功能。

Thermal IMAGE

TV Image Laser Tracking

(15)

雷射導引飛彈說明圖

(16)

(a) 雷射系統架構 Laser configuration

銣離子亞格雷射發射器即MMS 座內,項 1,橘黃色部分所示。

其中各部份的功能如下:

1. Laser designator.

2. Stabilized platform.

3. TV camera.

4. Boresight assembly.

5. Thermal imaging sensor.

6. Multiplexer electronics.

7. Composite post.

8. Heat exchanger.

(17)

從實體照片可清楚看到封簽,美軍及美國廠商將雷射模組完全封鎖。我陸軍 多架OH-58D 及 AH-1W 直昇機,在射控系統最重要的追踪導引測距高脈衝率雷 射,目前只能執行系統及電路板模組,三級模組件抽換檢修。尤其對雷射模組,

無軍售或商售,更無五級基修專責單位、五級基修技術及經驗、五級基修備料件 等等。多年來,軍方在超過三級維修需求方面,只有技巧的提高雷射輸入電壓,

到不超過臨界極限最高電壓,來維持系統堪用;以及後送美國廠商執行五級檢 修。前者提高雷射輸入電壓,直到最高臨界極限電壓,來維持系統堪用,是一種 治標方法,有其範圍限制,且無法回覆到正常工作電壓。後者送美國廠商執行五 級檢修需耗時十八個月時間,且費用貴並難預估經費。

本研究計畫的執行,不但要對完整複雜的雷射共振腔研究解析,更還對基本 的雷射共振腔結構,做由簡至完整複雜的雷射共振腔研究報告,祈使雷射檢測技 術建立於軍方最高階維修單位。

下列照片,是雷射模組的封殼照片:

(18)
(19)

銣離子亞格雷射發射器,其內部的元件組成、系統架構、功能特性等,是本 計畫的核心研究。我們在計畫中不但要了解每一元件的基本功能特性,更要了解 每一元件組的基本功能特性,以及最終為何一個銣離子亞格雷射發射器要用到總 計二十六個光學及光電元件才能組成,而非傳統的雷射發射器只需要五至八個光 學及光電元件即能組成雷射發射器。

下圖是本計畫系統中銣離子亞格雷射發射器,其內部的元件組成:

對一個雷射發射器而言,當然最重要的就是雷射光的形成,也就是雷射光的 光徑。下圖是本計畫系統中銣離子亞格雷射發射器其內部的元件組成及光徑標 示:

(20)

從上圖,雷射發射器其內部的元件組成及光徑標示,我們可以很清楚的看到 整個雷射發射的產生,及雷射的輸出指向和測距導引,基準光輸出。

但是基本的全功能測距導引雷射發射器(高脈衝率鎖碼巨脈衝雷射光:High repetition rates coded giant pulse Q-switched laser output)其內部的元件組成,也可 由下圖基本的元件圖可完成,其中的差異當然有技術及必需行存在,這更是我們 要解析的精要部份。

(21)

當然即使立用此雷射共振腔架構,下圖也就是最簡單的雷射共振腔。

本計畫報告,不但要對完整複雜的雷射共振腔研究解析,更還對基本的雷射 共振腔結構,做由簡至完整複雜的雷射共振腔研究報告,祈使雷射檢測技術建立 於軍方最高階維修單位。

(22)

(b) 雷射系統介面 Laser interfaces 閃光燈激勵:電源、PFN、

Q 調制:驅動電路(電壓)、同步及時序、

鎖碼:調頻、調幅、密碼

下圖是銣離子亞格雷射測距導引雷射發射器,功能方塊及介面圖。從以上的 示意圖,我們可以知道,一個完成全功能的銣離子亞格雷射測距導引器,應包含 有 電 源 、 閃 光 燈 激 勵 電 源 、 閃 光 燈 放 電 脈 衝 形 成 電 路(PFN pulse forming network)、巨脈衝 Q 調制驅動電路(電壓)、雷射脈衝輸出同步及時序、當然還要 有鎖碼功能的調頻、調幅、密碼等驅動電路及控制系統。

TM 9-1260-479-30 Figure 1-15. LTD System Block Diagram 1-16

TM 9-1260-479-30 Figure 1-15. LTD System Block Diagram 1-16

(23)

我軍方所有銣離子亞格雷射發射器全觀照片,從上圖照片中我們也可以知 道,雷射發射器是要相關的系統介面來驅動運作的。

下圖是銣離子亞格雷射發射器雷射激勵光源閃光燈儲能電容、閃光燈激勵電 源電路板及元件等、及接線和軟板式控制線和接頭座。

(24)

下圖是銣離子亞格雷射發射器閃光燈激勵電源電路板及元件、閃光燈高壓擊 發觸擊電源電路板及元件、閃光燈放電脈衝形成電路(PFN pulse forming network) 元件及接線和軟板式控制線和接頭座。

(25)

下圖是銣離子亞格雷射發射器雷射巨脈衝Q 調制驅動電路(電壓)、雷射脈衝 輸出同步及時序等驅動電路及控制系統。

下圖是銣離子亞格雷射發射器雷射,雷射脈衝輸出同步及時序、以及鎖碼功 能的調頻、調幅、密碼等驅動電路及系統邏輯控制電路。

(26)

(c) 雷射激勵 Optical pumping

本章節對脈衝式固態雷射所用閃光燈從基礎的理論研析和推導,到計畫主持 人二十多年實際研究製作固態雷射的經驗,做完整的特性、選擇、操作情況的優 化及使用生命期等各方面研究結果,做了一個通盤的報告。

Ⅰ、簡介

閃光燈是一種填充氙氣(Xenon)或氪氣(Krypton)的氣體放電管,設計來產生 脈衝式的輻射光源。雖然有頗多的更高亮度的光源可用,例如渦動燈(Vortex Lamp),電漿捏擠元件(Plasma Pinch Device)等;但閃光燈具有高亮度,高效率,

長生命期及操作方便的優點,使得它廣泛的被使用在脈衝式固態雷射的光激發 (Optical Pumping)上。

閃光燈有許多不同的大小及形狀,包括直線型,螺旋狀型及 U 型。雖然第 一具晶體雷射是利用螺旋狀閃光燈當激發光源的,但現在的雷射系統已很少使用 螺旋狀式的閃光燈對圓柱型的雷射晶棒提供較均勻的光照射,其螺旋內徑長在 0.7 到 6 公分之間,其圈數通常少於 6 圈,且其圈與圈間的間隙通常是要求越小 越好。其他螺旋狀式閃光燈的要求如內外徑的大小,弧光距,閃光燈推動電路設 計及使用期長等都和直線形閃光燈相似。

近代的固態雷射大部份是使用弧長2.5 公分到 15 公分,徑寬 1 厘米到 10 厘 米左右的線型式閃光燈。而其最有效的電子,機械及光的設計參數和推動閃光燈 的電源供應器都機乎仔細的研究過了,而簡化成商用上規格的例行參數了。

Ⅱ、閃光燈之選擇

選擇激發固態雷射的閃光燈最重要的是(1)閃光燈的發射光譜與雷射晶棒的 吸收光譜的重疊性,(2)閃光燈冷卻的問題,(3)光反射腔的要求,(4)效率的測量。

通常閃光燈的大小是受雷射棒的限制而不是由於閃光燈製造技術所限制 的;其要求是閃光燈的內徑與雷射棒的直徑相等。

利用閃光燈激發產生雷射的效益大約是 3%,接近 4%的效益亦可得到,不 過通常其效益大約是2%~3%左右。

(27)

1. 光譜的重疊

激發光源最重要的要求是其發射光譜與晶體的吸收光譜的重疊,圖一顯示典 型的銣離子亞格雷射的吸收光譜。

圖一、銣離子亞格晶體的吸收光譜

在較低的功率範圍內(約每個輸入 10 焦耳以下),不論是連續式或脈沖式,

氪氣所發出的線幅射(line radiation)其發射光與雷射的吸收光譜較相符。但在較高 的功率範圍內(每個輸入能量 10 焦耳以上),從弧光光源所發出的光大部份是連 續 輻 射(Continuum Radiation) , 而 線 幅 射 光 譜 反 而 被 其 假 黑 體 光 譜 (Pseudo-blackbody Spectrum)所掩沒了。在這功率範圍內通常是選用氙氣閃光 燈,因為雖然其線狀光譜的結構與銣離子亞格雷射的吸收光譜不完全重合,但其 由電的能量轉變成黑體輻射的效率卻更高。

圖二顯示典型氙氣閃光燈發射光譜。閃光燈的發射光譜不但與其所充的氣體 種類有關,而且與氣體的壓力和放電時的電流密度亦有密切的關連。圖二(a)中 可見在較低的電流密度下線輻射較明顯;在較高的電流密度下則大致為連續輻 射,且整個發射光譜的尖峰會偏移到較紫外的範圍。圖中兩條曲線分別為兩個不 同電流密度下的發射光譜,且分別對應於7000o

K

及9400o

K

的黑體輻射溫度。

(28)

圖二、利用OMA-Ⅱ(Optical multi-channel Analyzer)所測得的典型的閃光燈 輸出光譜

圖二(a)、不同電流密度下氙氣閃光燈的發射光譜 2. 冷卻

閃 光 燈 的 冷 卻 要 求 有 很 明 確 的 區 分 , 通 常 有 單 位 面 積 平 均 功 率 小 於 15Watts/cm2 時,普通的空氣散熱即已足夠;單位面積平均功率介於 15 到 30 Watts/cm2 時,則需風扇鼓風式的散熱;單位面積平均功率大於 30 Watts/cm2 , 但小於200 Watts/cm2 則一定要用水冷的方式散熱。而此單位面積平均功率的定 義是全部的輸入功率(能量乘上脈沖重複率)除以全部的閃光燈管內部面積。

以上所有功率的標準是假設在激發光腔下操作,而且有大部份的輻射經激發 光腔反射回燈管上。對管壁厚度小於1 厘米的閃光燈,由於散熱性較佳,以上所 提及的單位面積平均功率可稍為提高。但如用吸收此外波長的石英做管壁則冷水

(29)

方式單位面積平均功率要降至160 Watts/cm2 ,而如用可穿透紫外波長光的石英 做管壁則單位面積平均功率可放寬至200 Watts/cm2

至冷卻溶液的選擇,經過許多嘗試實驗最後證實去離子水(De-ionized Water) 是最適當的。去離子程序是非常必要的,因為水的導電性會使閃光燈觸發脈沖短 路,造成不可靠的觸發。此外使用去離子水可減低電極接頭的腐蝕。通常冷卻液 要求電阻係數大於200 KΩ 以上,並且所有冷卻的元件都要用塑膠,不繡銅或鍍 鎳的金屬。

另外較具可用的溶液是乙二醇乙烯(ethylene Glycol)與水或二氯二氟代甲烷 (Freon) E-3 的混合液。通常選擇此種溶液的原因是考慮雷射系統要使用在 0℃以 下的環境中。在使用此種冷水液時如果閃光燈所發出的短波長幅射不完全過濾 掉,將會使溶液漸漸退化。

(三)光反射的要求

固態雷射系統光反射腔通常設計成圓柱狀,而把與雷射棒同直徑的閃光燈與 雷射棒放在橢圓光反射腔的兩個焦點上。如圖三,可看出小離心率的橢圓 (e ~ 0.1;

a

e

= ,

c

e → 0,圓;e → 1,線)且閃光燈的內徑與雷射棒的直徑幾 乎完全相等的情況下,其效益最高。越大的閃光燈內徑其效益越差;小的閃光燈 內徑雖然可使用橢圓反射腔的離心率要求稍為放鬆,但也嚴格限制了閃光燈的功 率與雷射輸出功率。太小的閃光燈內徑較不合算,因為絕對的效益隨內管壁面積 與全部放電容積的比例之增加而漸減。

圖三、橢圓光反射腔的效率與雷射棒直徑和閃光燈內竟比值與離心率的函數 關係

(30)

另外一種高效益的光反射腔是”緊”的光反射面板。雷射棒與閃光燈儘量是貼 近,外面用卵形的圓柱緊密的包圍著。其效益與精密設計的橢圓光反射腔堪比 擬,但有下列的缺點:

1. 雷射棒的激發不均勻(要用 Diffuser 改進)。

2. 閃光燈與雷射棒很少能足夠的散熱。

3. 閃光燈的負載(Loading)增加時,其輻射光的特性會變得很差,且燈中電 漿的不透明性會增得很大。

如果使用橢圓是光反射腔為了避免直接照射所引起的雷射棒不均勻激發,則 要考慮把雷射棒與閃光燈皆偏移開其兩個焦點,尤其是在高重複率使用情況下,

此點非常重要。

由於閃光燈在使用時會受到由光反射腔所反射回來的輻射影響,使閃光燈的 弧光電漿產生變化,所以閃光燈的優化應該放在光反射腔中來設計。尤其在閃光 燈有很強的反射光的流量情況下,通常會使用閃光燈的幅射光譜偏移到較紫外的 波長。

管 狀 弧 光 放 電 的 輻 射 其 遠 場 空 間 的 分 怖 並 不 完 全 是 一 種 蘭 伯 分 怖 (Lambertion Source)在正側45 角會多出 30%左右。但由於大部份的雷射腔設計是o 先把閃光燈及雷射棒分置於適當的距離下,再設計有關的橢圓,然後再橢圓的兩 端加上反射面,所以通常遠場輻射的分怖圖形則可以不考慮了。

(四)效率測量

如圖四,一種測量固態雷射晶體在光腔中之螢光現象的系統,通常拿來量閃 光燈的相對特性,並做為閃光燈優化的標準。如圖被測的閃光燈同時激發對稱光 腔中的兩片晶體,其中ㄧ片是沒有其他異種離子的主材料,另一片是加入所需已 知特定離子濃度的材料。由於只看雷射輸出波長左右的小波頻範圍內的螢光倍數 值輸出即可得知閃光燈激發的效益。此方法可避色閃光燈及雷射鏡子調整的差異 及閃光燈線路的耦合效應等問題。由此方式所得的結果與真正雷射輸出效益的比 較頗相符的。

(31)

圖四、優化激發燈特性的螢光測量儀器

Ⅲ、閃光燈的優化

最佳效益的閃光燈要求其發射之光譜與雷射棒的吸收光譜最好完全重疊。因 此我們設計閃光燈時首要看其發射光譜的優化:其中包括了光譜範圍,輻射強 度,充氣種類,壓力大小,有效黑體輻射與電流的密度等。此外放電電路的優化,

保證最佳電能與光能間之轉移及最佳激發雷射的是當時間;閃光燈材料的優化,

包括材料的選擇,封管方法及技術,電極大小,形狀及材料;以及閃光燈處發方 式的考慮等等。以上的幾點都與閃光燈的發射光譜,及雷射的輸出效益有很重要 的因果關連。

優化的第一步驟是考慮所需雷射的輸出能量和系統的效率,再決定每一脈沖 需要閃光燈多少能量;雖然銣離子亞格雷射系統其效益曾達4%,但通常大約在 2~3%左右。如果利用其他固態雷射材料,其效率通常是比銣離子亞格雷射較小。

下面圖五,顯示固態雷射系統的能量消耗,通常其損失大部份是固定的。波 長在 250nm 到 1000nm 之間閃光燈的輻射效益約佔有全部輻射能量的 45%到 65%,而光反射腔的效益大約是 70%到 90%。共振腔的繞射損失及非輻射能階轉 移的損失都是固定的。而其中最主要的損失現象是光譜重疊的程度,這也是雷射 設計者所應控制的。

(32)

圖五、固態雷射典型的損失分布

(一) 光譜優化

閃光燈的輻射光譜包含了很寬的波長,從石英的紫外截止波長(通常是 160nm 至 270nm)到紅外的截止波長(通常是 2.5 至 5

μ m

)。這些輻射是由連 續輻射及原子的線輻射子組成的。線幅射是中性的原子及離子的束縛電子對 的能階轉移產生的;而連續輻射是由電子與離子的碰撞而產生的剎止輻射 (Bremsstrahlung Radiation)及自由電子與束縛電子的能階轉移而產生的。

幾乎所有的固態雷射都是使用充氙氣或氪氣的閃光燈當激發光源的。其 中氙氣閃光燈可以提供在可見光頻及近紅外線光頻範圍上全面較高的電能 與光能的轉換效益;但是仍然氪氣閃光燈的線幅射與固態雷射晶體的吸收光 譜較符合。所以氪氣閃光燈通常是使用在較低的功率範圍內,因為其線幅射

(33)

發射光譜與雷射材料的吸收較符合。但在3 厘米及 4 厘米內徑寬的閃光燈,

當電流密度大於4000 到 5000 Amperes/cm2 時,氙氣閃光燈的效率卻較好,

這是因為此時電漿的幅射較像一個黑體幅射體,而線幅射取幾乎是全部隱藏 在黑體連續輻射內。圖六,七,顯示4 厘米內徑的氙氣閃光燈及 3 厘米內徑 的氪氣閃光燈在不同的電流密度下其發射光譜的比較。

圖六、4 厘米內徑氙氣閃光燈在不同電流密度下的發射光譜

(34)

圖七、3 厘米內徑氪氣閃光燈在不同電流密度下的發射光譜,能量 100 Joules,壓力 1500 torrs。

稀有氣體電漿的有效黑體溫度T 主要是閃光燈的電流密度 J,及閃光燈內徑 D 兩個參數的函數。其方程式是

( ) ( )

[

9450

D

0.03

J

0.01 6 93

D

0.27

J

0.34 6

]

16

T

= + ……….(1)

其中黑體溫度的單位是克氏溫度,閃光燈內徑的單位是米,電流密度的單位是每 平方釐米安培(Aeperes/cm2)。

值得特別注意的是產生固定電漿溫度(即穩定的光譜輸出)的電流密度對閃 光燈內徑的增加反而減小。

(35)

實際上如方程式(2)所指出,對小內徑的閃光燈其有效內徑是一個減縮的內 徑DR

) 2 ...(

...

0008 . 1 0 DR D

+

D

=

此外除了閃光燈電槳的有效黑體溫度外,閃光燈電漿的發射率(emissivity)在雷射 系統的設計上也是很重要的。閃光燈電槳的發射率是閃光燈內徑,電流密度及波 長的函數,而且是依照

E

λ =1−exp−

α

λ

T

) 此方程式,其中以

α

λ是吸收-發射係 數,T 是電漿的溫度。

在閃光燈及光反射腔設計中通常為了得到幅射的最大效益要求在雷射吸收 光譜帶閃光燈有最大的發射率。譬如對銣離子亞格雷射晶體,使用 3 厘米或 4 厘米閃光燈,最佳的電流密度要求是每平方厘米4000 到 5000 安培之間。因為在 此種情況下在700 到 900 奈米範圍內其發射率趨近於 1,而此範圍也是雷射最主 要的激發吸收光譜。

對一個固定內徑的閃光燈而言,如果電流密度低於最佳值,雖然比例上來講 黑體幅射曲線較偏向近紅外波長,也與銣離子亞格雷射棒的吸收光譜相符,但是 因為發射率低,其總合的雷射效益並不大。同樣的,如果電流密度大於最佳值,

由於黑體雷射的尖峯值偏到紫外波長,雖然其發射率大大的增加了,但因為發射 光譜與雷射晶體的吸收光譜並不吻合,其總合的雷射效益反而大大的減低了。此 外,電流密度高,紫外波長幅射較多,也造成了許多不需要的浪費及困擾。不過 通常如果是設計高功率的雷射脈衝,這種效益的降低必需考慮其他因素而容忍。

到此的討論皆忽略了電漿溫度的徑向變化及輸出光譜的時間變化。閃光燈在 穩定管壁情況下操作好像是一個均勻的幅射體。但是如果輸入能量偏低,其所產 生之電漿並不會均勻的充滿閃光燈的內部,而是一種跳躍不穩定的幅射體。當電 流脈沖在閃光燈內產生時,原子的線幅射先產生(11,12),當電漿溫度較高後,則紫 外波長較明顯了。同理當電漿冷卻下來時,黑體幅射較晚才會消失。圖六及圖七 是整個閃光燈沖的全部積成光燈,實際上隨閃光燈放電時間的變化,其瞬時幅射 的光譜分佈與積成光譜梢有差異。

短時脈波(10μsec 或更小)的閃光燈發射光譜其黑體幅射的尾巴效應非常明 顯,而且在此種情況下,閃光燈的電能有一大部份只是加熱閃光燈的管壁,而使 整個閃光燈的效益大大的減少。通常這種短脈沖式的應用很少使用在固態雷射 上,因為固態雷射晶體的儲存激發時間是頗長的。

(36)

要由閃光燈不同的功率密度所發出的光譜與雷射晶體的吸收光譜配合來遇 測閃光燈的效益是頗困難的,通常的最佳值優化大都要利用如圖四所示的儀具做 實際的模擬較能相近。

(二)放電電路的優化

固態雷射閃光燈的推動電路通常是由如圖八所顯示的單迴路,低阻抗的 RLC 電路組成的,其中充電電容的電壓約在 500 至 2000 伏特,而整個放電脈沖 寬約數十個微秒到數個毫秒。

圖八 典型的閃光燈放電及觸發電路

在設計時,我們首先考慮損失因子不明顯的狀況,然後再推廣到考慮損失因 子,最後把閃光燈的管壁效應也考慮進去。

Markiewicz 及 Emmett(13)兩位作者在所發表的文章中對低損失因子的閃光燈 電路分析有標準的處理方法。首先由閃光燈的電壓一電流特性開始︰

) 3 ( ...

...

2 1 0

i K V

此方程式對小內徑的閃光燈,且電流密度大於500Amperes/cm2的情況下大致 頗確實的。而其中K0是一個由閃光燈的幾何形狀及所充氣體種類決定的一個常

(37)

數︰

d

K p

1

450) ( 28 .

1 0.2

0 = × × 對氙氣閃光燈………(4)

d

p

1

850) ( 28 .

1 × 0.2×

= 對氪氣閃光燈

其中 P=充氣氣壓,單位 torr。

l=閃光燈兩電極間長度 d=閃光燈內徑

K 值通常是在

0 10 到 100 歐姆--安培2

1

(Ω-Amp2

1

)。

而整放電電路最簡化的近似方程式是︰

=

⎥⎦ +

⎢⎣ ⎤

⎡ +

±

I I

T

Id d

dI

0 2 1 2

1

τ

1

β

τ α

………(5)

其中

V0

LC

I = i ,中化電流

t LC

τ

= ,中化時間

2 1 0 0

0

) ( ZV

= K

α ,阻滯參數

Z

0 =

L C

,阻抗

β

=

γ C L

,中化電阻

i = 放電電流,單位安培。

V

0=儲存電容的電壓,單位伏特。

C = 儲存電容值,單位法拉(Farad)。

L = 總電感值,單位亨利(Henry)。

r = 除閃光燈電漿阻外的總電阻值。

(38)

圖九 不同阻滯參數 α 下之中化電流與時間關係

圖九顯示 β 趨近於 0,即無電阻損失情況下放電電路的解。由於瞬時閃光 燈的光功率(Optical Power) 是與閃光燈放電電流的三分之二成正比,所以圖九顯 示閃光燈發出之光在不同的阻滯參數下與時間之關係。

欲得到最大的光輸出,即最大的閃光燈及雷射效益,則閃光燈放電電流脈波 要在臨界阻滯振盪的情況下,即α 值約等於 0.8 左右。如果 α 值過低,而使放電 電流反向倒流則很可能會損壞到閃光燈及其他電路元件。通常設計時要取在所需 最高充電電壓值下產生臨界阻滯振盪的現象為最佳。

在一個適當設計的脈波形成線路(PFN,Pulse Forming Nekwork)中放電電路 的電阻值應很低,則方程式(5)中的解可歸納成三個相互關連的方程式(14)

4 0

2 4 0

3 2

K T C E α

= ………..(6)

C L T

= 2 ………(7)

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

= E C

V0 2 0 ………..(8) 其中 E0= PFN 中儲存的電能,單位焦耳

T = 放電脈波寬的 3

1值,單位秒。

這個方程式是設計閃光燈放電電路最常用的,其設計步驟如下︰

(1)先知所需輸入的能量,幫併激發的脈沖寬,查出所用閃光燈之

K 值,則

0

(39)

可由(b)式得放電電容值。

(2)由(7)式中求得放電電路的電感值 L。

(3)由(8)式中求得放電電路中電容所需補充的電壓。

方程式(5)中,如果 β≠0,很難簡單的歸納出其解。雖然如此,在有限小線路 電阻值的情況下,還是可以預估其解的(15)。當 β 值是一個小值時,閃光燈放電 電路的效率有一個趨近線性的跌止(hold off)。如果 β=0.15 時,其放電電路的效 益約降至 90%。同時在 β≠0 時,臨界阻滯振盪的現象同樣可以由減少 α 值而得 到,其關係也是線性的。譬如β=0 時,α=0.8;在 β=0.4 時,α=0.6。

β 值不等於零的其他效應有︰

(a)減少閃光燈放電電流的尖峯值。

(b)電流的尖峯值偏移到較早的時間。

(c)放電脈波有過份阻滯振盪現象。

(d)增加放電脈波波寬。

在β≠0 的情況下,閃光燈線路的方程式(16)

( )

2 / /

1

2 / /

1 1

1 1

1 1

1 1

β τ

β α τ

τ

+ Δ

− Δ +

Δ

=

n n

n n n n

I I I I

I ………(9)

其中

I

0 =0, 1 .

=0

Δτ ,代表值

可化減成符合數理邏輯的方程式,並可放入袖珍計算器或計算機中很快的求得其 解。

這方程式可很方便的計算隨時間不同的放電電流變化,由此可決定改變一 個線路參數所產生的影響。(譬如改變

V ,而讓 α,β,C 及 L 不變)。

0

到目前為止,我們都假設閃光燈電漿是依照

V

K

0

i

12這關係來設計閃光燈 的推動電路的。然而,閃光燈的電壓與電流特性是否緊密的被閃光燈管壁所拘限 而影響的。以前的討論是假設很穩的放電,即在放電電流的起始時弧光的流量即 已完全充滿閃光燈的管壁了。但是這是要一種很高的燈管壁負載效應(即每公分 弧距約要100Joules 以上的能量)下才會有的。而在普通固態雷射所用的閃光燈使 用情況下,這是很難得到的。

Dishington(17)在其發表的文章解出了低及中等程度管壁效應的影響,方程式 (3)要變成

(40)

2 1

0

i

da K d

V

⎜ ⎞

± ⎛

= ………(10)

其中da 是弧光的直徑。

而da 是依照經驗公式

[ ]

1 0.6

5 . 1 E da

Vdt i

E =

0t ………(11)

da 依照此公式成長一直到接觸到管壁為止,其中

d δ

c

δ

=0.7 0.15 ≡ ,

d

da

δ

………(12)

在此情況下,PFN 電路的微分方程式必須同時與下面兩式並解。

32 53

5 . 1 2 1

.

1 I

d E d

d

⎜ ⎞

• ⎛

= α δ

τ

δ ,

δ

δ

c

32

77 13

. 0 2 1

.

1

E I

d

d

⎜ ⎞

= ⎛

α δ τ

δ

δ

〉 ………(13)

δ

c

要解此組方程式,唯有利用計算機才能計算,其解顯示了:

(a) 電流脈沖的尖峰值永遠比單由 PFN 電路的微分方程解的值小。(例如內徑 4 厘米的閃光燈,在每厘米1 焦耳的管壁效應下,α=0.8 時尖峰電流少了 73%)。

(b) 電流脈沖寬比單由 PFN 電路的微分方程解得的值大。(例如同(a)的情況,波 寬大了10%)。

(c) 低阻滯振盪電路反向電流的發生值比 0.8 小,即考慮管壁效應時,臨界阻滯 的α 值小於 0.8。

在利用雷射做切割及銲接的使用上,通常要求雷射的脈寬較長,在此情況 下,則要使用多圈迴路的PFN 線路,通常三個迴路的 PFN 線路 (三個相同電容 一一電感如輸送線接連 )已能供給頗方的方波了(18)。其設計的通用方程式如下:

2 1

) ( 2

N LC

T

= ,

N

〉2

(41)

N=圈數

13 2 0

0 2(K ET)

V =

3 1 4 0

2 )

2( 1

ET K C

=

3 4 1 0

4 )

2( 1

K E

L

=

T

………(14)

(二) 閃光燈材料的優化

圖十及圖十一顯示典型的脈沖式固態雷射所使用的閃光燈。閃光燈本身的優 化包含了許多選擇,譽如管壁材料,充氣種類,壓力大小,電極形狀及大小,內 徑大小,弧距長及封管的形式等。

圖十 典型的固態雷射所使用的液冷式閃光燈,內徑 5mm,弧長 5cm,450torr 氙氣

圖十一 典型的固態雷射所使用的氣冷式閃光燈,內徑 5mm,弧長 5cm,450torr 氙氣

閃光燈管壁的材料通常是用石英(quartz),雖然用玻離做管壁的閃光燈也常 被用來做照像或頻率測量儀器中使用,但玻離的管壁所能容忍的管壁負載能量較 石英為小。在平均能量較高的應用上,石墨製的管壁也市頗熱門的。

圖十二顯示一些製做閃光燈管壁材料的穿透曲線,其中最通常使用的是中性 (透明)熔合成的石英(natural L clear fused quar-tz)。整個石英管在製做時要注意看 是否有小缺陷,以免引起突然的崩裂;這些缺陷包括了括痕,凹洞,裂縫及氣線 (air lines),有時後管壁上的長條氣泡也被常常誤認為是括痕。此外閃光燈的製造

(42)

商應說明製造時管壁不純體(impurity)水平的控製程度,以防止使用時產生過度 曝光(solorization)的現象是由於管壁不純體連續吸收多量紫外輻射而造成管壁的 內部陰暗,不透光,即造成閃光燈管子的一種色心現象(colour centres),如此會 逐漸降低閃光燈的有用光譜輸出,另一個惡果是由於連續吸收光能,造成管壁熱 負載的效應。

(A) 合成熔合矽石。

(B) 中性熔合矽石。

(C) 滲鈦的中性熔合矽石。

(D) 滲的中性熔合矽石。

(E) “Pyrex”玻璃。

(F) “Nonex”玻璃。

圖十二 閃光燈管壁材料的光穿透性,厚 1mm

在使用空氣當冷卻的系統中,透明熔合的石英管壁所穿透出來的紫外線會產 生臭氧(Ozone),而對 O 形環或塑膠零件造成破壞。在液冷的系統中,紫外輻射 會使雷射棒產生過度曝光現象,使光反射片的材料產生暗化現象,使冷卻液酸化 或產生化學的衰變,尤其是對乙二醇乙烯影響最大。由於這些原因,閃光燈的管 壁通常是用吸紫外光的透效矽製成的,並含鈦原子當供給體。也因為如此,用吸 收紫外線的透明矽當管壁,閃光燈的最大可容忍的內管壁負載則要減少20%了。

此外如果用吸收不可見光能及紫外光能而放出有用的紅外光能的材料包圍 在閃光燈或雷射棒上,則可增大雷射的效益。例如用滲有鈽原子的透明熔合的石 英當管壁則可吸收波長在 350nm 以下的輻射;雖然滲鈽原子透明熔合的石英主 要的功能是濾掉衰變冷卻液,光反射腔,及雷射棒晶體的無用且有害的輻射,它 也可以在可見光譜範圍內發射有用的螢光增加雷射的效益。同樣的,可發螢光的 染料亦頗有用的,如 Rhodamine 6 G 當冷卻液時,可以提高有用的光明益約 15%,可惜就只在普通的能量水平下,即約每個脈沖 10 焦耳左右,這種染料打

(43)

了將近近百下就會很快的衰減壞了。

除了滲有不純體及沒有滲不純體的透明熔合石英外,高純度的合成熔成石英 亦是做成閃光燈管壁很有用的材料,通常做成“Suprasil”及“Spectrosil”。這種材料 有很低的不純度,所以過度曝光的阻抗性很好,而且這種材料可以做到很好的光 學品質,且對紫外光譜的穿透性也很好。有些閃光燈製造商對要求高效益及長生 命期者特別推介這種合成熔合石英的閃光燈。但是用這種閃光燈時要特別注意紫 外線輻射的隔離,並且其價格也遠比其他透明熔合石英材料的閃光燈還貴。

圖十三 焊接式封竚閃光燈

雷射用的閃光燈其封管的形式可歸納成三種形式:焊接封管,帶狀封管及圓 柱(漸近)式封管。

焊接式封管通常用於製造大型的閃光燈,如圖十三是焊接式封管閃光燈,其 好處是結構的組合可減少一些複雜性,且較便宜;其缺點是(1)使用時溫度不可 太高,因為會影響到電極與石英的焊接。(2)使用生命期會因其只能忍受較低處 理的溫度而受到限制。

帶狀封管的閃光燈,如圖十四可用於普通程度的電流應用。它們的主要好處 是由於使用很厚的石英圈包圍在電極的鉬 (molybdenum)帶上,其堅硬性較強,

而且此種封管較少無用容量(dead volume);其缺點是從被封困的鉬帶上只能提供 較低的脈沖式尖峰電流。

圖十四 帶狀式封管閃光燈

圓柱(漸近)式封管閃光燈最常被用在固態雷射系統上,因為它的可靠性,高

(44)

的尖峰及均方根電流及較可高的平均功率容量。如圖十及十一顯式一個通常小於 4mm 直徑的鎢絲圓柱以銅鋅合金焊接成整個電極組合,而電極與石英體的封管 是利用一兩種中間膨脹係數的材料幫忙焊接而成的。這種封法可容許較高的操作 溫度及較高真空度的處理,使得閃光燈之可靠性及再製性大大的提高了,並且操 作生命期也較長。

另一種較優異且頗有用的漸近式封管是再進入式封管(re-entrant seal)。如圖 十五所示,鎢絲棒及石英再進入封固方式的典型漸近式封管。其電極頭是由銅鋅 合金在封端的凸面焊接到鎢絲柱上的,而再進入式封管的石英體才熔到閃光燈的 石英壁上。用此種再進入式封管的閃光燈使用到理論上會爆炸的範圍內最有可能 逃脫惡運,這是因為管中放電時的壓力波有壓縮漸近式封管的趨向;如果是非再 進入式封管的閃光燈,這壓力會有伸張漸近式封管的趨向。另外再進入式封管的 最大好處是在管徑大於 10mm 次上的閃光燈此種封管方式是封閉電極的最方便 方法。

圖十五 再進入式封管閃光燈端頭

閃光燈中最敏感的元件可以說是電極了。陽極通常是純鎢或含釷的鎢 (thorianited Tungsten),尤其是含釷的鎢由於易加工性,更常代用。陰極通常是施 與陰極(dispenser cathode),對較平常的用途也常用含釷鎢絲或其他鎢絲合金。施 與陰極包含了在表面注入了能降低工作函數的發射性材料的鎢絲母體,如此可使 鎢絲在較低的溫度下較易放出電子。每家製造廠商都有其特有的發射材料來處理 施與陰極的。

陽極及陰極的形狀也是很重要的,通常陽極是用圓凸形的,因為可以較易在 其中心引發與陰極間的弧光。在功率低於30watts/cm2的普通或壓縮空氣冷卻的 閃光燈,電極的尖點溫度通常不會比最高臨介溫度為高。這些電極的頭可以用以 鎢絲支柱的形式而且不必靠近管壁以求散熱。功率高於30watts/cm2時,閃光燈 通常要液冷,而石英管壁通常在電極處縮窄下來,而電極也較厚大,約有1 至 5 公分左右。如圖十一,如此則可使冷卻液流經閃光燈時可從電極帶走較多一點得 熱。閃光燈的生命期會因為電極的得不到良好散熱而大大的減低。

(45)

通常而言,在普通的電流下,較高的充氣壓力有較高的激發固態雷射的效 益。使用中最高的壓力達到3000torr。一般而言,450torr 的氙氣閃光燈及 700torr 的氪氣閃光燈較普遍。因為較高的充氣壓下,其觸發的不易程度也跟著增加了。

如用氙氣閃光燈,對銣離子亞格雷射,壓力從 1000torr 增加到 3000torr,(管徑 4mm,弧距 5cm 輸入能量約 7.5 焦耳,

放電脈寬100μsec 以下效率約有 20%的增加,而如用氪氣閃光燈,效率則 約只有10%的增加。

重要的要注意的是決定閃光燈的阻抗及效益的是閃光燈放電時的氣體壓力 而不是充氣時的氣體壓力。這個操作時的壓力是由充氣壓力,閃光燈的幾何形 狀,及無用容積,如圖十六所示,而決定的。無用容積愈小,放電時的阻抗愈高,

效益也愈大。另一點值得注意的是無用容積的影響在閃光燈放電脈寬達幾個毫秒 或極高的平均功率下其影響是非常大的。

圖十六閃光燈中的無用容積 IV、觸擊方式的考慮

閃光燈儲存電容所充電壓 V0通常遠比使閃光燈管內所充氣體產生崩潰而開 始放電的電壓為小。幾乎所有固態雷射所使用的閃光燈都是以如圖八所示的串聯 式或並聯式等兩種方法來觸發的。兩種方法都是首先在電極間產生一個小的導 流,再使主放電能產生。這個導流是由一足夠高的電壓梯度使管中氣體游離而產 生的。其中穩定的參考電壓或接地面使電壓梯度能很可靠的發生。通中接地面或 參考電壓是一個數圈的導電絲纏繞在閃光燈管外,而約每圈間隔一吋左右。

並聯式與串聯式觸發各有其優劣點:並聯式觸發在設計上有較大的可變性,

因為其次極線圈只產生高壓脈沖並不當做 PFN 中的放電電感,價格較便宜,鐵 心也較小;串聯式觸發卻有較高的穩定度,且因為高壓並不暴露在空氣中和觸發 的電壓較低,所以產生的電磁干擾也較小。串聯式觸發雖可減少一個電感元件,

但鐵心的選擇及大小卻也限制了設計的變化。實驗顯示,串聯式觸發其效益比並

(46)

聯式觸發大約大了10%,其主要原因可能是較平均的游離流光所致的。

閃光燈的觸發程序如下:首先起始崩潰產生在一端或兩端電極上,由電壓的 梯度產生,游離放電開始後,導流沿接地面傳導向另一電極。當小導流形成後,

整個弧光再由中心向管壁擴張。並聯式觸發導流由兩電極向電極中央部分進行,

在那導流將要形成一單一流光時停止了;因為兩個導流的電位相同,而沒有力量 推使它們合一。這種不游離的小距離間隙也許正是並聯觸發比串聯式觸發較不穩 定的主要原因。

很難能精確的定義觸發脈沖的需求;每一閃光燈都有如圖十七所示的觸發特 性曲線。然而即使是最嚴密的製做程序控制下,不同的閃光燈也是會有不同的觸 發曲線。一個簡單的通則如下:(1)穩定觸發所要的電壓因所充氣體壓力之增加 而增加。(2)穩定的串聯式觸發電壓並聯式觸發電壓為低。(3)隨閃光燈使用時 間的增加穩定的觸發電壓要稍大,這是因為管壁材料的剝落所產生的氧及水氣所 產生的污染所至。在設計時觸發線路時要非常保守的,通常要設計在閃光燈觸發 電壓的兩倍以上,以確保有種定的觸發。

除了觸發電壓及儲存電容電壓(即閃光燈的端電壓)外,其他不同極性的組 合也頗重要的。如圖十七所示,不同的線路極性及閃光燈和觸發脈波極性的組合。

閃光燈觸發另一個要考慮的因素是要穩定產生導流的觸發脈波波寬。這值通 常是每一吋弧長要100ηs,如果觸發脈波寬不夠,則雖然放電電路的能量很高,

其觸發也會是不規則的,甚至不能觸發。

觸發線或接地平面的安排對弧光的穩定度和弧光最亮部份射到雷射棒的影 像有很大的影響。接地平面應環繞管壁且愈平均愈好,實驗顯示較平均的接地平 面下閃光燈的生命期也較長。

(47)

圖十七閃光燈觸發極性的安排及觸發電壓與閃光燈端電壓的關係 V、效益優化後閃光燈生命期的考慮

如圖十八所示,閃光燈的生命期與閃光燈輸入能量有很密切的關係。每一根 閃光燈都有其爆炸能量,雖然文獻裹有許多不同的經驗方程式19,其中最普遍 的是:

θ =f(d)·l·d =閃光燈爆炸能量常數

f(d)=爆炸限制常數………(15)

□24600,對d<8mm

□17000,對d□19mm l=弧距,單位公分 d=徑寬,單位公分

對臨界振盪,小損失閃光燈推動電路:

Ex=Kθ(T)½,=單脈仲爆炸能量……(16)

LC T

=

單脈沖爆炸能量的大小隨所充氣壓之增大而增加,以上公式中皆假設氣壓力 為300 到 500torr。

(48)

圖十八 閃光燈脈沖爆炸能量的分比與閃光燈生命期的關係

閃光燈有兩個不同的失效模限。在較高的輸入能量範圍(0.2Ex到1Ex)閃光 燈的生命期受張伸張應力,封管強度,管壁材料剝除及崩裂而限制。此時閃光燈 生命期依照如下公式:

生命期=(E/Ex-β………(17)

β□8.5 對 d>6mm β□14 對 d≧15mm

然而實驗的差異值頗大的,甚至有超過 Ex兩倍或更多的爆炸能量。以上的 生命期方程式最適合脈寬超過200μsec 的情況,有跡象顯示當脈寬小於 10μsec 時以上的估計可以說是過份樂觀的清其值應大大的減低。同樣的,如果尖畢功率 超過某些界限同時管壁剝落的現象發生時,以上的估計則也要降低。並且如果電 流上升大於100A/3μ 時,管壁的損害會很快的發生了。

在 低 輸 入 能 量 時 ,( 即 <0.2Ex) 閃 光 燈 的 生 命 期 是 受 到 電 極 的 潑 濺

(Sputtering),施與陰極的衰損,及石英管壁的長期污染所影影。在此情況下,

有幾個方缺可以增加閃光燈的生命期:(1)把閃光燈以微小長時導通小電流方式 操作,(2)增加充氣壓力以減少電極的潑濺,(3)使電極及管壁有較好的冷卻。

管壁的剝落是由於內管壁在放電時其溫度超過了界限溫度,這是因為每一脈 沖發生時管壁內有瞬間的高尖峰功率發生之故。

充氪氣的閃光燈較充氙氣的閃光燈產生管壁剝落現象所需的尖峰功率較 低;並且氪氣閃光燈的從電能轉換成光能的效率較氙氣閃光燈來得低。所以使用 氪氣閃光燈時為了要達到相同的效益,通常管壁內會產生較高的管壁溫度,管壁

(49)

剝落現象也無可避免的會較厲命了。

對 450torr,的氪氣閃光燈,下表是一個減少管壁剝落增大閃光燈生命期的 最大尖峰電流:

管徑(mm) 尖舉電流(Amperes)

2 100 3 220 4 450 5 600 6 750 7 900

管內壓力大時尖峰電流可悄大,但管內壓力降低時則尖舉電流要降低。如充 氣由氙氣換成氪氣則尖峰電流值要減少20%左右。

此外如果閃光燈放電脈寬大於 2ms 時陰極會很決的衰壞掉,尤其又是高功 率的狀況下,唯有改變陰極材料或電極形狀才可改進。

VI、閃光燈的其他考慮因素

在高連續工作率及高操作功率狀祝下,小常通電流的操作情況呵以有如下的 好處20

(1)較高的雷射效益。

(2)較大的閃光燈生命期。

(3)脈沖有較穩定的重複性及弧光形成較穩。

(4)可工作在更大的連續工作率。

圖十九顯示典型的小常通電流及假小常電流(Pseudo-simmer mode)操作方 式電路。小常通電流脈沖的操作是隨時維持一個小功率直流政電,電流從20mA 到 5A 左右,而真正的脈沖能量是由 SCR 控制放到閃光燈中。實驗得知,以小 常通電流方式操作其效益會增大20%或更多。其現象在小輸入能量時最明顯,而 到高尖峰電流狀況下其效應漸減,這是因為小常通電流弧光所產生的紫外輻射的 影響。

小常通電流操作閃光燈會增大雷射效益的原因可歸納是因為小常通電流使 弧光通路阻抗小且拘限在燈管的中央,這使主放電脈沖有較大的電流密度及較大 的效益。這點也可由小常通電流方式其連續輻射遠大於線性輻射證明。

(50)

在較低的連續工作率的狀況下,小常通電流頗浪費的。通常用一假常通電流 操作方式取代,如圖十九閃光燈如平常狀況觸發,但其放電電流先由一電阻R 控 制在50mA 之小值,約

圖十九 典型小常通電流及假常通電流電路

100μsec 到 200μsec 左右,然後電阻 R 為 SCR 短路再由真正主放電產生,

在此狀況下,效率曾達15~20%的增加。

小常通電流方式操作時,在固定電流下,電壓是電極工作函數的一個變數,

所以選擇閃光燈時要注意閃光燈是否要用在小常通電流方式下,否則閃光燈會過 熱。最好是如圖十中的電極,且電極材料要特別處理,這才會增加閃光燈的生命 期及穩定性。

第三種增加閃光燈輪出功率的方法是先小脈沖式的使閃光燈放電21

(Pre-pulsing),實驗證明其效果與小常通電流方式差不多,不過還要經過先放 電小脈沖高度,脈寬及延遲時間的優化。

閃光燈在高連續工作率下使營時要特別注意其恢復時間。如圖二十,當閃光 燈脈沖放電接由於放電時的不穩態離子的緩慢變化,閃光燈的內阻有一段延遲的

(51)

時間內會很小。此時如果 PFN 繼續充電,則閃光燈會有一大直流電流導通,這 可用振盪充電電路來防止,使充電電路在這段時間內不充電,或是在 PFN 線路 中設計自動停止放電的裝置以避免受閃光燈內阻減少而繼續導電的情況發生

22

。在放電頻率大於500Hz 以上,閃光燈的恢復時間是最大的困難因素。

圓二十 典型的閃光燈恢復時問曲線

另一限制閃光燈連續脈沖放電率的因素是閃光燈內部的聲頻振盪。高頻率放 電時的聲頻壓力波會使閃光燈的弧光中斷或打壞燈管23。改進的方法就是增加 閃光燈的內徑24或改變充氣壓力或增加小常通電流量。

在使用高頻率放電閃光燈時以石墨做管壁有較多的好處,尤其在小能量,液 冷式的雷射系統更有效。與石英來比其尖峰功率甚可大於兩倍以上,而閃光燈的 生命期尚不會受到影響。

參考資料

1. W. koechner,“Solid-Stat Laser Enginering”, Berlin, Heidelberg, New York:

Springer-Verlag, 1976.

2. Yu A. Kalinin and A. A. Mak, Sov.J. of Opt. Tech., Vol. 37, page 129, 1970.

3. Appl. Opt. Vol. 20, No. 6. P.968, 1980.

4. L. Noble, et al, ILC Technology Tech. Rpt. ECOM-O239-F, October, 1973.

5. Bulletin 1524, Sunnyvale, CA:ILC Technology.

6. S. Yoshi Kawa, et al, Appl. Opt. Vol. 10, page 1620, 1971.

7. D. C. Brown, “High Peak Power Nd:Glass laser Systems”, Berlin, Heidelberg, New York:Springer-Verlay, 1981.

(52)

8. J. H. Goncz and P. B. Newell, J. Opt. Soc, Am. Vol. 56, page 87, 1966.

9. J. H. Trenholme and J. L. Emmett,“Prcc, 9th Intern. Conference on High Speed Photography”, SMPIE, page 299, 1970.

10. J. L. Emmett, et al, J. Appl. Phys. Vol, 35, page 2601, 1964.

11. J. H. Kelly, et al, Appl. Opt. Vol. 19, page 3817, 1980.

12. P. A. Lovoi, “Advance in Laser Technology”, SPIE, Vol. 138, page 2, 1978.

13. J. P. Markiewicz and J. L. Emmett, IEEE J. Q. E. Vol. 2, page 707,1966.

14. ILC Technology, An Introduction to Flashlamps, Sunny Vol, CA.

15. J. F. Holzrichter and J. L. Emmett, Appl. Opt. Vol. 8, page 1459, 1969.

16. J.L. Tuner, Engineering Note #111,Sunnyvale CA. ILC Technology.

17. R. H. Dishington, et al, Appl. Opt. Vol. 13, page 2300, 1974.

18. D. E. Perlman, Rev. Sci. Instr. Vol. 37, page 340,1966.

19. V. M. Podgaetskii and B. V. Skvortsov. Sov. J. of Q. E. Vol. 2, page 359, 1973.

20. ILC Technology, Liquid Cooled. Flashlamp Bulletin, Sunny vale CA.

21. ILC Technology, Prepulse Engineering Note, Sunnycale CA.

22. H. E. Edgerton and D. A. Cahlander, J. of SMPTE, Vol. 70, page 7, 1961.

23. N. L. Yeamans and J. E. Creedon, Tech. Rpt. ECOM-3043, Nokember 1968.

24. C. F. Gallo and J. E. Courtney, Appl, Opt. Vol. 6, page939, 1967.

(53)

兩種雷射測距儀使用的激勵雷射閃光燈,其電極型狀的不同,與使用時之起 始放電弧徑、最大電流大小及發射光譜皆有相關連。而且更應注意的是閃光燈管 壁上所纏繞的觸擊發電位線,更有應用的奧妙,其間距大小、正負高壓驅動等更 是閃光燈發射光譜匹配與雷射輸出效益最重要因素。

.

典型雷射測距儀使用的激勵雷射閃光燈,與雷射棒所組成的雷射腔照片。

(54)

閃光燈管壁上所纏繞的觸擊發電位線,其間距大小、正負高壓驅動等是閃光 燈發射光譜偏短波長(1)及偏長波長(2),如下圖所示,使其匹配雷射棒吸收光譜 帶而影響到雷射輸出效益最重要因素。

閃光燈其電極型狀的不同,與使用時之起始放電弧徑、最大電流大小及發射 光譜皆有相關連。下圖示各類閃光燈其不同的電極型狀。

(55)

下圖示各類閃光燈其不同的電極型狀,所引起的起始放電電漿弧徑形成的結 果。

此外,閃光燈其外壁玻璃材料的不同,與使用時之閃光燈發射光譜穿透率、

雷射棒激勵光吸收及雷射效率皆有相關連。下圖示各類閃光燈其不同的外壁玻璃 材料的光譜穿透率。

(56)

另外閃光燈其內外徑壁的不同粗細,與使用時之閃光燈放電電流大小、閃光 燈待發細微電流大小、及閃光燈暴裂最大電流、雷射激勵效率等等皆有相關連。

下圖示各類閃光燈其不同的外徑壁玻璃的粗細,與使用時之閃光燈放電電流大 小、閃光燈待發細微電流大小、及閃光燈暴裂最大電流等之相關連表。

當然,閃光燈的應用最重要是激勵雷射。所以如何去驅動它放電發光,非常 重要。而且由於它是高壓氣體管,要用多少電壓才可以觸擊擊發動,它電漿形成 及放電電流大小、閃光燈發射光譜對雷射激勵效率等等皆有相關連。下圖是各類 閃光燈我們曾使用過之閃光燈驅動電路。

(57)

下圖是閃光燈放電的時序圖,我們不但可以看到單一閃光燈放電的脈衝,也 可以看到閃光燈放電的脈衝串,閃光燈待發細微電流大小等等,更重要的它的脈 衝率(PRF pulse repetition frequencies)更是鎖碼雷射的要素。

最後,我們擷錄重要測距導引雷射所用的閃光燈規格,以供參考應用。

(58)
(59)
(60)

(d) 雷射共振腔 Porro resonator

下圖是我們計畫中,雷射共振腔中所用到最重要雷射元件組,Porro prism pair,Porro 稜鏡組雷射共振腔。下圖,是 Porro 稜鏡元件的結構及功能示意圖。

我們也可以看到,當Porro 稜鏡元件是對稱的一對時,它的結構及功能示 意圖如下:

下三張照片是我們在實驗室所拍攝的雷射腔用Porro 稜鏡元件,它的實際照

(61)

片及功能結果照片。

Figure

Updating...

References

Related subjects :