微波泵浦與橫向高壓脈沖快放電泵浦S2發(fā)光特性研究.pdf

1、在很長的時間里,人們對S2進行了很多的理論及實驗研究。S2作為與O2分子同族的同核雙原子分子,觀測到源于B3∑-u(v')-X3∑-g(vn)的較強發(fā)射光譜,其光譜范圍在250到700nm的可見光到紫外光波段,此譜段的應(yīng)用主要在照明及激光輻射方面。微波泵浦產(chǎn)生S2[B3∑-u(v')-X3∑-g(vn)]的自發(fā)輻射具有大的發(fā)射截面(約10-16cm2),且由于其寬帶光譜與太陽光譜類似,可用于高亮度照明;采用激光泵浦或橫向高壓脈沖快放電泵

2、浦S2,可使其受激發(fā)射藍綠波段可調(diào)諧激光,由于其波長處于海水的傳輸窗口波長區(qū)域,可用于海底通信和海底地貌測繪。在本文中,針對S2的發(fā)光特性,我們從微波泵浦產(chǎn)生自發(fā)輻射和橫向高壓脈沖快放電泵浦產(chǎn)生受激輻射兩個方面對此進行了研究。
　　針對S2分子具有的發(fā)光潛能,對其發(fā)光特性從理論進行了研究。利用Gamess和Molpro量化計算程序,計算了S2的勢能曲線,得到了S2[X3∑-g(vn)]和B3∑-u(v')電子態(tài)的振動能級,并對其產(chǎn)

3、生輻射躍遷的自發(fā)輻射系數(shù)進行了研究,計算了S2的壽命。針對實驗中需要加入緩沖氣體,緩沖氣體與S2形成范德瓦爾斯分子,從理論上研究了緩沖氣體對S2發(fā)光光譜性質(zhì)的影響。計算了He對S2上能級的壽命的影響。本部分的理論研究工作為進一步的S2分子發(fā)光的實驗和理論研究奠定了基礎(chǔ)。
　　在S2分子發(fā)光特性的研究方面,由于微波泵浦硫燈寬的自發(fā)輻射光譜與太陽光譜類似,采用2450MHz的微波泵浦S2分子,其強烈的自發(fā)輻射光具有高亮度、光色好的優(yōu)點

4、,可作為優(yōu)質(zhì)的照明光源。我們對微波泵浦硫燈進行了理論和實驗研究。
　　針對微波硫燈寬的發(fā)光光譜接近于太陽光譜,通過理論研究對微波硫燈的光譜進行理論模擬,研究了微波硫燈發(fā)光光譜的來源。微波硫燈的光譜來源主要是S2(B3∑-u-X3∑-g)的自發(fā)輻射發(fā)光。同時,硫同位素構(gòu)成的S2的自發(fā)輻射發(fā)光、Sn(n>2)的自發(fā)輻射發(fā)光、硫雙原子分子離子的自發(fā)輻射發(fā)光、較大氣壓下的碰撞均勻譜線展寬等,所有的這些粒子的發(fā)光光譜組成了微波硫燈的接近太陽

5、光譜的準(zhǔn)連續(xù)光譜。對S2(B3∑-u-X3∑-g)各振動態(tài)躍遷的自發(fā)輻射發(fā)光強度進行了計算,并對硫燈中的S2和高階硫Sn(n>2)的吸收光譜進行了計算,得到的光譜輪廓與實驗光譜吻合。由此結(jié)果可以指導(dǎo)微波硫燈的實驗研究,通過調(diào)節(jié)各種參量使硫燈中的發(fā)光介質(zhì)主要為S2,降低Sn(n>2)的含量,使發(fā)光光譜與太陽光譜吻合地更好。
　　在實驗研究方面,針對提高微波硫燈的發(fā)光光通量和發(fā)光效率的研究,通過優(yōu)化相關(guān)的參量,提高了微波能量的利用效率

6、。主要包括以下幾個方面:對影響硫燈發(fā)光性能的因素進行了研究,包括燈泡的真空度、硫的添加量、硫的提純和氬氣的充入量,對硫燈在微波諧振腔中的位置進行了理論分析和實驗測試,得到了硫燈泡在諧振腔中可獲得最大的微波耦合效率的最佳位置。在以上的基礎(chǔ)上,對緩沖氣體為Ar的微波硫燈的發(fā)光光譜、光通量、色溫、顯色指數(shù)和發(fā)光效率進行了實驗研究;研究了緩沖氣體為Xe的微波硫燈各項發(fā)光參量,并與緩沖氣體為Ar的微波硫燈進行了比較分析。通過以上的理論與實驗研究,

7、大大地提高了微波硫燈的發(fā)光效率,使其發(fā)光效率達到了國際先進水平。
　　S2發(fā)光,不僅可使用其自發(fā)輻射用于照明,同樣可利用其受激輻射躍遷作為激光介質(zhì)。選用硫雙原子分子作為激光介質(zhì),是由于S2的基態(tài)X3∑-g態(tài)與激發(fā)態(tài)B3∑-u態(tài)勢能曲線所特有的形狀和相對位置決定著實現(xiàn)激光振蕩的潛在能力。針對采用橫向高壓脈沖快放電型S2激光器機理研究,通過對其動力學(xué)模型的分析,獲得了激光介質(zhì)粒子數(shù)密度隨時間的變化規(guī)律。采用橫向高壓脈沖快放電泵浦S2分

8、子的機理研究方面,建立了完善的脈沖快放電泵浦S2的動力學(xué)模型。研究了腔體中電子能量分布,據(jù)此可計算得到電子碰撞激發(fā)、電離S2及Ar的反應(yīng)速率常數(shù)。找到了在腔體中最可能發(fā)生的19個反應(yīng)過程以及相應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù),建立了反應(yīng)速率方程組。對反應(yīng)速率方程組求解,得到了基態(tài)S2和激光的上下能級的S2粒子數(shù)密度隨時間的變化情況。根據(jù)此結(jié)果,對脈沖快放電泵浦S2產(chǎn)生的小信號增益系數(shù)進行了計算,其結(jié)果與實驗值符合較好,說明這種模擬計算模型是成功的。其結(jié)