通过实验和理论相结合的方式,从热透镜效应角度研究了Er ³⁺,Yb ³⁺∶glass在激光二极管(LD)端面抽运条件下的激光输出能量,建立起LD抽运重复频率、Er ³⁺,Yb ³⁺∶glass热光系数与空腔运转斜率效率、调Q输出脉冲能量之间的关系。采用平凹腔结构,并以Co ²⁺∶MgAl₂O₄作为调Q开关,设计了LD端面抽运被动调Q激光器,实验结果发现,当热焦距大于前腔面光斑半径最小值对应的热焦距时,空腔运转斜率效率与材料的热光系数呈负相关,调Q输出脉冲能量与热光系数及抽运重复频率均呈负相关。基于理论研究,通过热焦距公式、稳定谐振腔的矩阵计算法以及被动调Q的速率方程进行数值模拟,解释并验证上述实验现象。结果显示,可通过降低抽运重复频率和选择低热光系数的Er ³⁺,Yb ³⁺∶glass等方式降低热透镜效应实现高脉冲能量的输出。

大功率LED照明的需求越来越大,但随着蓝光 LED 芯片功率的不断上升,散热和光衰减等问题也愈发显现出来。为探索大功率LED特种照明,基于阵列蓝光LED激发Ce∶YAG荧光晶体,采用创新的结构装置,在小面积端面输出高流明密度的光。研究影响LED出光的因素、不同掺杂浓度(物质的量浓度)晶棒对于蓝光的吸收、大功率LED激发不同Ce离子掺杂浓度晶棒的出光效果、晶棒端面处理情况对于出光的影响等。结果表明,利用氮化铝制成的基板满足大功率LED的散热需求,掺杂浓度为0.8%的晶棒出光光通量更高,对晶棒端面进行处理可大幅提升出光光通量。实验装置可输出6000 lm以上的光通量,流明密度高达1640 lm/mm 2,可应用于中高亮度照明设备中。

高速摄影的同步照明光源是利用脉冲氙灯作为输出负载的一种高亮度闪光光源。它的驱动电路采用脉冲形成网络PFN电路, 利用Orcad Pspice软件对PFN放电电流仿真, 其仿真结果具有一定的指导意义。电源具有手动触发和同步触发功能, 同时输出脉冲的前沿和后沿具有良好的时间响应, 氙灯充电电压0~3.5 kV可调, 触发信号与光波形延时时间125 μs; 实验结果验证了电源设计原理和技术方案的可行性。

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。

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。

制备了不同Ce3+掺杂浓度(摩尔分数)的钇铝石榴石(YAG)单晶和陶瓷, 并对激光激发Ce∶YAG单晶和陶瓷的光通量、光电转换效率、显色指数及色温进行了研究。在电流为2.6 A的激光激发下, Ce3+掺杂浓度为0.3%的陶瓷的光通量最高, 为617.2 lm; Ce3+掺杂浓度为0.5%的单晶的显色指数较高, 为62, 色温为5841 K。在功率为2.61 W、材料中心功率密度达10.8 W·mm-2的激光激发下, Ce∶YAG单晶和陶瓷的光转换均未达到饱和, 对应的光-光转换效率均约为240 lm·W-1。实验结果表明, 在高功率密度激光激发下, 陶瓷和单晶均适用于产生高亮度白光。

高功率激光装置中的片状放大器普遍采用高功率脉冲氙灯作为抽运源, 氙灯的辐射光谱与片状放大器的增益性能密切相关。基于暗室中搭建的时间分辨率为2 μs的氙灯光谱测试系统, 测试氙灯在不同放电时刻的辐射光谱。结果表明: 相同电流密度对应的上升沿、下降沿时刻的氙灯辐射光谱存在显著差别, 上升沿光谱的分立谱明显; 当电流密度为0.866 kA·cm-2时, 如果不施加预电离, 上升沿的辐射光谱能量比下降沿低48%, 施加预电离后这种差距缩小至24%; 预电离可以有效提高上升沿时刻的光谱强度, 是提高氙灯辐射效率的有效途径之一; 对氙灯辐射光谱的原模型进行修正, 可使其与测试光谱数据更吻合。

研究了惯性约束聚变高功率激光驱动器使用的脉冲氙灯灯管(复合石英灯管和掺铈石英灯管)的光谱性能和抗冲击性能。分别对新复合石英灯管、新掺铈石英灯管、放电14 000发次的复合石英灯管、放电14 000发次的掺铈石英灯管进行了光谱透过率测试和实验对比。结果显示: 复合石英灯管和掺铈石英灯管光谱性能都达到了高功率脉冲氙灯灯管的光谱指标, 但掺铈石英灯管光谱透过率比复合石英灯管高约1%。对复合石英灯管和掺铈石英灯管进行了成分测试以验证其光谱性能。结果表明: 除铈以外, 掺铈石英灯管的其他金属杂质含量均低于复合石英灯管, 认为其是掺铈石英灯管光谱性能优于复合石英灯管的一个原因。模拟了氙灯的放电运行, 分别对复合石英灯管和掺铈石英灯管进行了动态抗冲击性能测试。结果表明, 复合石英灯管的抗冲击性能较掺铈石英灯管高约6%。

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100~300 mm、充气压13.33~53.32 kPa、灯管内径6~12 mm、储能电容初始电压1.75~4.25 kV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15~45 μs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.

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%。