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环柱型高能连续波HF化学激光器研究

作　者: 刘文广
导　师: 陆启生
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 激光技术高能激光化学激光环柱型激光器增益发生器环形增益介质环形高超音速低温喷管环孔形激光谐振腔束变换环孔腔多组分有反应流场计算流体力学小信号增益模式计算快速算法设计数值模拟
分类号: TN248.5
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

环柱型激光器是由环形增益介质和适于环形增益介质的谐振腔构成的一种紧凑型激光器。本文研究的环柱型高能连续波HF化学激光器由环形高超音速低温喷管阵列(HYLTE)和束变换环孔腔两大部分构成,主要目的是实现激光器高功率输出的同时,保持良好的光束质量,减轻镜面热负荷的不均匀性,实现高能化学激光器的紧凑化、小型化设计,同时,轴对称的排气方案使之更加适合于天基平台使用。束变换环孔腔结构复杂,设计难度非常大。文章给出了束变换环孔腔的设计方法,提出了使用等光程原理进行类锥形高次非球面镜设计的方法,这种方法具有快速、简洁,物理意义清晰的特点。给出了具有偏振混合效应的复杂结构环柱型激光器开腔模式的波动光学分析方法,建立了束变换环孔腔矢量形式的本征方程。通过对衍射积分方程的变换推导了实心光束传输的快速算法,使用坐标变换的方法以及合适的f参量的选取去掉了环形光场传输的偏微分方程初始条件的剧烈振荡,推导了腔内偏振混合效应的数学表达式,并给出了光场在复杂的光学元件间传输的近似处理方法。化学激光器的增益介质分布是非均匀的,并且由于工作过程中燃烧室总压的变化以及高温气体对喷管的烧蚀作用,使得增益分布发生变化。文章建立了四种增益介质模型,通过数值模拟的手段分析了增益介质变化对束变换环孔腔的影响,结果表明束变换环孔腔对于增益介质的变化具有很好的适应能力,角向模式鉴别能力高,输出光场的相位分布均匀,远场传输能力强,光束质量接近衍射极限;腔镜上光强分布均匀,从而可以最大限度降低因热应力不均而产生腔镜破裂的可能性。束变换环孔腔镜面众多,结构复杂,在实际装置中必然存在一定的失调。文章分析了束变换环孔腔的主要失调因素,建立了两种失调腔模型,即非共轴偏移模型和紧束段倾斜模型,数值分析的结果表明,束变换环孔腔对于非轴对称的失调较为敏感,而对轴对称的失调具有较好的抑制作用。非共轴偏移以及紧束段镜面倾斜都会使输出光场的相位分布发生跳变、剪切和扭曲,其中非共轴偏移对相位分布的影响最大;相位分布中倾斜量占主要成分,随着失调的增大,高阶像差的成分增大,使远场传输能力降低。但是这两种失调对于束变换环孔腔的能量抽取效率影响较小,这是束变换环孔腔的又一优点。同时也讨论了紧束段引入了90度光束旋转对提高谐振腔抗失调能力的作用。环形喷管阵列可以视为线性喷管阵列的变形,文章分析了环形喷管阵列与线性喷管阵列的联系,比较了两种构成环形喷管阵列的方法,即线性喷管叶片沿角向排列的方法和环

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第一章概述  12-20
  1．1 环柱型激光器的提出  12-13
  1．2 环柱型高能激光器的发展和研究现状  13-15
  1．3 本文的研究内容和方法  15-20
第二章适于环柱型高能化学激光器要求的激光谐振腔  20-32
  2．1 高能激光武器系统对激光器的基本要求  20-23
    2．1．1 影响输出相位均匀性的因素  21-22
    2．1．2 影响能量抽取效率的因素  22-23
    2．1．3 高能化学激光器的器件损伤  23
  2．2 适于环形增益介质的激光谐振腔分析  23-29
    2．2．1 多光程折叠型激光谐振腔  24-26
    2．2．2 环形孔径激光谐振腔  26-29
  小结  29-32
第三章光束变换环孔激光谐振腔的设计原理与分析方法  32-53
  3．1 光束变换环孔激光谐振腔的设计原理  32-37
    3．1．1 光束变换环孔激光谐振腔的特点  32-34
    3．1．2 环束段设计原理  34-37
    3．1．3 紧束段的设计  37
  3．2 光束变换环孔激光谐振腔类锥形镜面的加工与装配技术  37-41
    3．2．1 无冷却镜面技术和腔镜基质材料  38
    3．2．2 类锥形非球面镜的加工技术  38-40
    3．2．3 类锥形非球面镜的装配方法  40-41
  3．3 光束变换环孔激光谐振腔的数值分析方法  41-51
    3．3．1 紧束段光场传输的计算方法  42-43
    3．3．2 环束段光场传输的计算方法  43-47
    3．3．3 Waxicon,RearCone,Reflaxicon段光场传输的计算方法  47
    3．3．4 束变换环孔腔内的偏振混合效应  47-50
    3．3．5 束变换环孔腔矢量场传输方程  50-51
  小结  51-53
第四章光束变换环孔激光谐振腔性能分析  53-73
  4．1 光束变换环孔有源腔模式的数值分析  53-61
    4．1．1 增益模型  53-55
    4．1．2 束变换环孔腔模式特征分析  55-58
    4．1．3 不同增益介质分布对谐振腔性能的影响  58-61
  4．2 光束变换环孔激光谐振腔失调特性分析  61-68
    4．2．1 失调腔的数学模型  61-63
    4．2．2 失调腔的输出特性分析  63-68
  4．3 光束旋转对谐振腔输出性能的改善  68-71
    4．3．1 紧束段引入光束旋转的方法  68-69
    4．3．2 计算结果与分析  69-71
  小结  71-73
第五章环形超高音速低温喷管的设计  73-93
  5．1 化学激光器喷管设计概念的发展  73-81
    5．1．1 高能化学激光器对喷管设计的基本要求  73-75
    5．1．2 化学激光器超音速喷管设计概念的发展  75-81
  5．2 环形HYLTE喷管设计方法  81-89
    5．2．1 主喷管设计  82-87
    5．2．2 副喷管的设计  87-88
    5．2．3 喷管叶片的燃烧室注入气体／自冷却通道  88-89
  5．3 环形HYLTE喷管阵列的加工和装配方法  89-90
    5．3．1 环形HYLTE叶片的加工方法  89-90
    5．3．2 环形HYLTE阵列的装配技术  90
  小结  90-93
第六章环形高超音速低温喷管流场的数值模拟研究  93-119
  6．1 三维有反应流场数值模拟的理论基础  93-98
    6．1．1 三维有反应流场的控制方程  93-95
    6．1．2 化学反应动力学模型  95-96
    6．1．3 混合气体的输运特性  96-98
  6．2 HYLTE喷管阵列及光腔区流场的模拟区域和边界条件  98-103
    6．2．1 模拟区域的选择  98
    6．2．2 组合单元的求解步骤  98-99
    6．2．3 网格划分  99-101
    6．2．4 边界条件  101-103
  6．3 耦合区域流场的气动特性分析  103-110
    6．3．1 速度场分布  104-105
    6．3．2 压力／温度场分布  105-106
    6．3．3 组分分布  106-110
  6．4 耦合区域流场的光学性能分析  110-117
    6．4．1 不同振—转跃迁的小信号增益分布  111-115
    6．4．2 耦合区域多组分混合气体的折射率分布  115-116
    6．4．3 流场非均匀增益分布下束变换环孔腔的输出性能  116-117
  小结  117-119
全文总结  119-122
附录化学反应动力学方程和速率系数列表  122-125
致谢  125-126
博士期间发表的主要论文  126

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