可用于高速摄影脉冲氙灯的研究

为了研究储能电容初始电压、电极间距、充气压及灯管内径等条件对脉冲氙灯电流脉冲和发光脉冲的影响,在电极间距100~300mm、充气压13.33~53.32kPa、灯管内径6~12mm、储能电容初始电压1.75~4.25kV的条件下,分别测量了脉冲氙灯的电流脉冲和发光脉冲的变化状况。测量得到脉冲氙灯的电流脉冲宽度和发光脉冲宽度均在15~45μs之间。对比发现:储能电容初始电压较高有助于获得高峰值、窄脉宽且滞后时间短的电流脉冲;具有较高充气压或较长电极间距的脉冲氙灯其电流脉冲与发光脉冲的峰值较小、脉冲宽度较大,且发光脉冲滞后时间较长;较粗灯管内径虽然可以增加电流脉冲的峰值,但电流脉冲的宽度被增宽,发光脉冲峰值减小,发光脉冲宽度展宽,且延长了发光脉冲的滞后时间.     

高功率氙灯脉冲放电过程中石英管壁热损伤机理

基于高功率激光装置对脉冲氙灯工程运行可靠性的要求,利用现有的能源模块开展了氙灯放电考核实验。实验结果表明:虽然氙灯运行在安全的能量负载水平,当能源模块单个放电回路的峰值功率超过300MW时,氙灯石英玻璃管壁存在热损伤风险。肉眼观察到管壁损伤后在反射器对侧的灯管内壁出现乳白色沉积层。经扫描电镜和X射线光电子能谱测试分析,证实热损伤形成的乳白色沉积物为二氧化硅。为探究管壁热损伤机制,采用高速摄影观测了氙灯放电等离子体沟道发展过程。图像显示放大器内金属反射器的几何形状对放电沟道的分布产生了显著影响,尤其是在侧灯箱,灯内电弧沟道会靠近反射器一侧集中分布,因此,导致等离子体对灯管的偏烧。当放电峰值功率超过石英热负载极限时,管壁表面二氧化硅材料会被烧蚀至蒸发、气化,并随后沉积在灯管较冷部位。研究结果表明放电回路的放电峰值功率过高、放大器内金属反射器均会对氙灯造成热损伤。     

高负载脉冲氙灯管壁特性实验

利用“神光”-Ⅲ原型装置所用氙灯（内径为Ф31mm，弧长为1430mm，壁厚为3．5mm，管材为掺铈石英玻璃）进行高负载（爆炸系数fx=0.6）实验。图1给出了氙灯放电时的电流电压波形。实验发现，氙灯运行不到10发时，氙灯灯管内壁出现白色花纹，而且白色花纹的出现是随机的，并且不是一直都会存在。随着运行发次的增加，氙灯内壁出现乳状积淀物，发白区域从两端向氙灯中间延伸，但并不是均匀分布，而是成块状遍及整支灯管。运行到约20发时，在灯管内壁会出现短的亮线（即极限负载条纹），随着运行发次的增加，亮线的长度会沿圆周发展成弧形或圆环形，亮线的数量也会由两端离电极30mm处向氙灯中间增加，呈一系列的圆环分布，但圆环的间距并不相同，而且当氙灯冷却到室温时，可以观察到灯管内壁和氙灯下端（竖直）附有白色颗粒物。     

脉冲氙灯放电过程分析与实验测定

脉冲氙灯是一种新型光源,利用量子理论以及气体放电理论分析了脉冲氙灯放电过程,设计了放电测试系统,实验测定了放电过程中的电压、电流和光脉冲信号。结果表明：在预电离阶段自由电子浓度较低,能量较低;气体放电阶段灯内形成电子崩,使得自由电子浓度的增大,放电电流迅速上升,电压下降;离子复合时释放出光子形成光脉冲,氙灯脉冲的光能量输出和光谱特性与复合电子能量、氙气复合能级相关,而当输入能量与氙灯的能耗不一致的时候,将导致充电电容反复充放电,而使电路产生振荡。对于分析脉冲氙灯放电过程,优化放电回路参数设计和脉冲氙灯的生产具有重要意义。     

高功率脉冲氙灯中的等离子体放电通道

研究了高功率脉冲氙灯放电过程中等离子体通道的演化规律。分析了充电电压、主脉冲脉宽及主预脉冲时间间隔等对等离子体通道的影响规律。实验过程中在脉冲氙灯接地端子附近观察到了明显的等离子体通道分叉现象。研究发现,脉冲氙灯工作环境中的电场分布对氙灯内等离子体通道的形成与演化特性将产生十分重要的影响,其决定了等离子体通道的形态。其他影响因素则通过改变放电通道的亮度、均匀度与充盈度等特征施加其影响。     

小型球形脉冲氙灯光谱分析与实验测定

作为分析仪器和医疗仪器光源,脉冲氙灯的光谱特性直接影响着仪器的整体性能。为了研究脉冲氙灯放电回路参数及几何参数对其光谱特性的影响,利用气体放电理论分析了脉冲氙灯发光过程,设计了光谱检测系统,实验测定了脉冲氙灯在不同放电参数下的光谱特性。结果表明：脉冲氙灯光谱由连续谱和线状谱组成,连续谱有离子复合和韧致辐射产生,线状谱由电子能级跃迁产生。相对光谱辐射能量随着放电电压升高呈近似线性增长、并随着储能电容的变大而变大。在放电电压较低时,弧长较短时相对光谱辐射能量较大;在放电电压较大时,弧长越长相对光谱辐射能量越大。对于脉冲氙灯工作参数选取以及应用生产具有重要的意义。     

单次飞秒激光脉冲在玻璃内部产生多次微爆的研究

在入射能量不同的情况下，用近红外飞秒激光脉冲在重钡火石玻璃（ZBaF15）内部产生了色心和微爆，在熔融石英的内部产生了多次微爆现象.实验表明：入射能量较高时，色心的中间会产生微爆；在松聚焦条件下，一个飞秒激光脉冲在透明介质内会激发多次微爆.基于飞秒激光脉冲在透明介质内的自聚焦效应和自由电子等离子体的自散焦效应，理论分析了多次微爆产生的原因；也讨论了飞秒激光脉冲诱导玻璃折射率改变的机理.     

三倍频熔石英激光损伤的吸收前驱体

 在三倍频熔石英激光损伤研究中,吸收前驱体的存在是造成熔石英材料表面损伤阈值远低于体损伤阈值的主要原因。以吸收作为主线,建立吸收前驱体引起的熔石英表面损伤模型,并讨论吸收前驱体与熔石英表面损伤的联系。针对金属元素微粒残留理论模拟了激光辐照过程中微粒周围温度场的变化,结果表明在脉冲时间内微粒周围温度很快到达损伤判据所给出的临界温度,通过激光损伤实验,证实吸收性微粒含量与损伤密度有密切联系。针对亚表面裂纹,建立一维模型计算受激后裂纹表面附近自由电子密度分布。计算结果和实验结果均表明：金属元素微粒和亚表面裂纹是熔石英激光损伤中重要的吸收前驱体,金属元素微粒对激光能量的吸收致使周围材料温度在脉冲时间内达到损伤判据温度2 000 K;受激后裂纹表面的自由电子密度达到1021 cm-3的水平,可导致对后续激光的强烈吸收;两种吸收前驱体极大降低了熔石英材料的表面抗损伤性能。     

环形截面氙灯的放电特性与泵浦效率实验研究

针对脉冲氙灯的结构,探索了一种新型的环形截面氙灯以获得更高的泵浦效率。环形截面氙灯内嵌空气玻璃管,拥有中空的新结构,对脉冲氙灯放电特性产生了新的影响,进一步影响了泵浦效率。实验对比了传统氙灯和环形截面氙灯的放电特性、辐射以及钕玻璃的荧光输出。实验结果表明:新型的环形截面氙灯拥有较高的电阻,较低的放电电流与进灯能量,辐射效率和钕玻璃荧光输出分别提高了3%~4%和2%~3%。     

光学元件亚表面缺陷的损伤性检测方法

在磨削、研磨和抛光加工过程中产生的微裂纹、划痕、残余应力等亚表面缺陷会导致熔石英元件抗激光损伤能力下降,如何快速、准确地检测亚表面损伤成为光学领域亟待解决的关键问题。采用HF酸蚀刻法、角度抛光法和磁流变斜面抛光法对熔石英元件在研磨加工中产生的亚表面缺陷形貌特征及损伤深度进行了检测和对比分析,结果表明,不同检测方法得到的亚表层损伤深度的检测结果存在一定差异,HF酸蚀刻法检测得到的亚表面损伤深度要比角度抛光法和磁流变斜面抛光法检测结果大一些。且采用的磨粒粒径越大,试件表面及亚表面的脆性断裂现象越严重,亚表面缺陷层深度越大。     

闪光灯泵浦钛宝石可调谐激光器

为了提高灯泵钛宝石激光器的输出能量和效率，对灯泵钛宝石激光器进行了大量的试验研究工作。对国产氙灯进行了快速放电和寿命试验；测得了在不同放电电流密度情况下的氙灯发光光谱分布；试验采用双灯串接泵浦，双棱镜色散光学谐振腔，平平腔型，调谐范围为７５０～９５０ｎｍ，在中心波长８００ｎｍ处得到激光输出能量为８９３ｍＪ，电光转换效率为０．８９％。该激光器的阈值约为１５Ｊ。     

结构参数对环形氙灯光效影响的实验研究

脉冲氙灯作为放大器的泵浦源,其泵浦效率直接影响放大器效率。环形氙灯被证明是一种有望提高泵浦效率, 并代替目前直管氙灯工作的新型氙灯。针对不同气压、不同结构的环形氙灯,通过实验研究了气压和内径对环形氙灯放电特性、光效特性以及爆炸特性的影响。结果表明,增加环形氙灯气压和内径可提高其光学效率,被泵浦钕玻璃的荧光最大可提高峰值22.3%,积分值15.7%。但是,增加气压和内径会降低环形氙灯的热负载能力。实验发现气压为26 664 Pa,内径为30 mm的环形氙灯拥有最佳光效并能通过寿命测试。     

电容损耗对脉冲氙灯放电特性的影响

研究了储能电容自身损耗对氙灯放电特性的影响,对脉冲氙灯放电回路进行了分析与改进。在实际电容自身损耗不为零的情况下,将电容等效为理想电容与损耗阻抗的串联,给出了计算氙灯放电特性的改进公式,并详细计算和分析了电容自身损耗增大情况下的氙灯放电电流和放电功率变化情况,计算结果表明:损耗增大会导致氙灯放电电流、功率峰值下降,闪光时间缩短,显著影响激光泵浦效率;电容损耗增大还会导致LC放电回路出现电容反充电现象,影响氙灯正常工作并缩短灯的寿命。实际的储能电容充放电实验证明,电容损耗增大会导致氙灯闪光的波形峰值下降、闪光时间缩短和电极溅射加剧,验证了理论分析的合理性。另外,实验证明环境因素对储能电容自身损耗的增大具有非常显著的影响。     

反射器对氙灯工作性能影响的实验研究

针对灯箱中反射器的设计和运行情况,设计实验量化了反射器对氙灯辐射和钕玻璃荧光效率的影响。氙灯辐射由强流管测量的氙灯辐射波形和能量计测量的辐射能量获得;钕玻璃荧光由自主设计的荧光测量系统获得;同时,使用高速摄影仪对放电通道进行观测。实验发现,反射器在此次实验条件下可以提高氙灯辐射效率89%,提高钕玻璃荧光效率78%。而且,实验发现工程运行中氙灯“发白”,是反射器引导氙灯放电通道在靠近反射器一侧形成,导致该处过度烧蚀的结果。     

Measurement of the radiative energy output of flash lamps by means of thermal thin probes

Flash lamps are widely used excitation sources in the field of non-destructive testing with active thermography. Though the realized energy density in front of the investigated object is a significant factor with regard to detection sensitivity, only few data concerning this issue have been published so far. It is shown here that local energy densities can be estimated by means of a simple metal plate, which exhibits a certain temperature increase after flash excitation. After discussing the underlying calorimetric principle the sensor concept is reviewed using constant blackbody radiation and short laser pulses, since both kinds of sources generate known energy densities. The relative uncertainty of measurements of the energy density is found to be in the range of 10%. The last part of the present paper describes an application for characterizing the radiation of a usual 6 kJ flash lamp. The energy conversion efficiency was found to be only about 11%.     

基于反激拓扑与RC隔离触发网络的短弧脉冲氙灯电源设计

针对现有的短弧脉冲氙灯电源存在明显的阻尼振荡等现象,提出了一种基于反激拓扑方法与RC隔离触发网络的短弧脉冲氙灯驱动电源设计。驱动电源采用24 V输入,主电压通过反激拓扑结构产生700～1000 V连续可调输出,脉冲触发电压电路采用二级级联升压电路产生5～7 kV脉冲输出,主电压和脉冲触发电压经过RC隔离触发网络后对脉冲氙灯进行驱动点亮。对驱动电源各个模块进行了设计与实现,将RC隔离触发网络仿真与实际触发波形对比,并比较分析了主电压在不同电压下的充放电波形。实验结果表明,所设计的驱动电源点亮短弧脉冲氙灯的成功率达100%,验证了所设计驱动电源的可行性;所设计的驱动电源充放电总时间最大值为5.63 ms,为短弧脉冲氙灯提供了较高的闪烁频率;所设计的驱动电源与文献对比将阻尼振荡范围从32.24%降低到4.7%,有效抑制了放电产生的阻尼振荡,避免对储能电容造成二次充电,有效提高了储能电容及短弧脉冲氙灯的放电次数及寿命。     

Characteristics of Ne and Xe tubular flash lamps

The distribution of the energy between the circuit elements and the proportion of the energy converted to radiation is discussed. The light output of an Ne lamp in the red region may substantially exceed that of an Xe lamp under certain conditions.We are indebted to S.I. Levikov for making the lamps.     

Cooling-down of thermal thick probes after flash excitation – A measure for the real energy density?

Though flash lamps are one of the most applied heat sources in the field of Thermographic Testing (TT) using active thermography, only little is known about the actually achieved energy input into test objects. In this paper, an easy to realize sensor concept is proposed and experimentally evaluated. The concept is based on the measurement of the surface temperature of a thermal thick probe after flash excitation. After considering the sensor concept with FEM simulations the experimental investigation of four materials (two polymer and two building materials) is described. It will be shown that a suited coating is essential for the realization of the sensor concept. The experimental results prove the suitability of black rigid PVC as the most promising material. Using a coated PVC sample the energy density of short laser pulses, similar to flashes of flash lamps, could be determined exactly with an estimated relative uncertainty of only a few percent.