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电激励连续波红外多波段化学激光器的研究

作　者: 王红岩
导　师: 姜宗福；袁圣付
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 电激励化学激光器中红外红外多波段高压直流放电泵浦反应体系链反应卤化氢(氘) 二氧化碳选线激光器转移型化学激光器
分类号: TN248.5
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

为了充分挖掘化学激光在中红外波段具有宽广覆盖的特色,拓宽电激励连续波化学激光器的应用范围,本文提出电激励红外多波段化学激光器的概念。电激励红外多波段化学激光器指利用高压直流放电作为激励方式,在同一台激光器上通过气路更换,在增益区生成一种或多种激活分子;再通过多波段光腔技术(更换腔镜或是采用全波段腔镜),实现各波段的分立激射或是多种波段的复合激射。最初的考虑包含泛频HF、HF、DF、HCl、DCl、HBr、CO2波段。本文提出基于F原子产生技术的泵浦反应体系,即利用F原子与H2、Cl2、Br2的快速置换反应获取H原子和自由卤素原子,解决了在电激励连续波HF/DF激光器平台上实现多种卤化氢(氘)激光的困难。研制了单放电管驱动的电激励HF/DF激光器和多放电管驱动的电激励红外多波段激光器实验平台。实现了具有代表性的HF/DF激光、HCl激光、CO2激光。在单放电管激光器上,HF激光多横模输出达到20W,DF激光多横模输出达到12W。实验研究了放电管末端注入稀释剂He对HF/DF激光器输出的影响,讨论了这种方法对激光器性能改善的机制。实验研究了HF/DF激光器的光腔参量选择,发现不能单纯利用基横模体积最大化的原则来指导腔镜曲率半径和腔长的选取。实验研究发现激光器的窄矩形气流通道对腔内光束存在明显的衍射损耗,给出了定量化的评估方法,并将结果用于电激励红外多波段激光器实验平台的设计。选用一级振荡、一级输出的选线方案,在单放电管激光器上DF激光获得了11支单谱线,HF激光获得了8支单谱线,且部分谱线的功率接近1W;通过移动光轴,HF激光单谱线振荡的数目增加到11支。实验研究了HF/DF选线激光器光轴选取对选线结果的影响,发现即使对增益长度沿流场方向仅mm量级的电激励化学激光器,不同振动带的谱线沿流场方向的增益分布也有明显的差异,为了获得更多的单谱线振荡,并提高各支谱线的输出功率,应该针对每支谱线调节光轴相对于H2(D2)喷注孔的距离,以使光轴与每支谱线的增益最大位置相匹配。在多放电管驱动的红外多波段激光器实验平台上,对应20cm、40cm、60cm的增益宽度,分别获得了60W、100W、120W的HF激光输出,且拥有比较好的光束质量。DF激光在20cm、60cm的增益宽度下,分别获得了50W、100W的功率输出。实验研究发现,对于采用球面稳定腔的电激励连续波卤化氢(氘)化学激光器,增加增益宽度以提高增益介质的饱和属性不仅能提高功率输出,同时也能改善光束质量。以廉价的Cl2为燃料,在不改造电激励HF/DF激光器结构的基础上,分别利用H+Cl2泵浦反应和H+ClF泵浦反应实现了近10W的中心波长3.8μm HCl激光,并利用F-ClF-H2链反应泵浦体系获得了12W的HF-HCl双波段激光。通过实验研究,澄清了单独采用两种泵浦反应的限制性。提出了综合利用两种泵浦反应体系的新工作模式,并预计在现有的器件规模下,可获得数10W的HCl激光。研究了转移型CO2化学激光器和横向流动混合型电激励CO2激光器。在功率水平受腔镜热承载能力限制的条件下,横向流动混合型电激励CO2激光器初步获得了40W的功率输出,实验发现其增益水平比较高,且沿流场方向的增益长度在20mm以上,因此有望获得102W量级的10.6μm CO2激射。通过HCl波段的研究,论证了DCl、HBr波段的可行性,并初步确定了适宜于HBr激光的泵浦反应体系和实现方式。本文对HF/DF、HCl、CO2三个代表性波段的研究证实,泛频HF、HBr、DCl激光都能在同一高压直流放电激励的激光器上实现。这为电激励红外多波段化学激光器由概念向实用化器件的转变奠定了第一步,在此基础上,本文展望了应进一步开展的工作。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第一章引言  12-20
  1.1 电激励红外多波段化学激光器概念的提出  12-15
  1.2 电激励连续波化学激光器发展的简要回顾  15-16
  1.3 论文研究内容和方法  16-18
  1.4 论文结构安排  18-20
第二章电激励红外多波段化学激光器的基本理论  20-41
  2.1 能级和振转谱线计算  20-23
  2.2 红外多波段化学激光器的泵浦反应  23-31
    2.2.1 基于F 原子产生技术的泵浦反应体系  24-25
    2.2.2 最高振动激发态的确定  25-29
    2.2.3 泵浦反应的能量分配  29-31
  2.3 增益估计：爱因斯坦自发辐射系数的计算  31-35
    2.3.1 A 系数的计算方法  32-33
    2.3.2 A 系数的计算结果  33-35
  2.4 功率提取：Rigrod 理论  35-39
    2.4.1 Rigrod 解析型功率提取模型  36-37
    2.4.2 Rigrod 模型对多波段激光器的指导意义  37-39
  本章小结  39-41
第三章单放电管电激励化学激光器的实验研究  41-76
  3.1 系统组成和基本工作原理  41-42
  3.2 激光器核心组件的参数设计  42-45
    3.2.1 放电管  42-43
    3.2.2 主体  43-44
    3.2.3 光腔  44-45
    3.2.4 热交换管  45
  3.3 辅助系统  45-53
    3.3.1 气源  45-46
    3.3.2 流量控制系统  46-51
    3.3.3 高压直流电源系统  51
    3.3.4 真空系统  51-53
  3.4 实验和诊断方法  53-58
    3.4.1 激光器的调试  53-55
    3.4.2 激光器的参数诊断  55
    3.4.3 辅助实验方法  55-58
  3.5 单放电管电激励化学激光器的优化研究  58-74
    3.5.1 器件优化的思路  58-60
    3.5.2 放电管末端注He 对功率输出的影响  60-63
    3.5.3 功率提取：光腔参量的选取  63-68
    3.5.4 光腔中增益区气流通道孔径衍射效应的计算  68-73
    3.5.5 基横模运转：光阑孔径的选取  73-74
  本章小结  74-76
第四章 HF/DF 选线激光器的实验研究  76-90
  4.1 选线方案  76-78
  4.2 基本参数计算  78-83
    4.2.1 激光光栅的选择  79
    4.2.2 激光光栅转角的确定  79-83
  4.3 光谱仪的标定  83-85
  4.4 单放电管激光器选线研究  85-89
  本章小结  89-90
第五章红外多波段化学激光器的研制与实验  90-121
  5.1 红外多波段化学激光器的研制  90-94
  5.2 HF／DF 激光的实验研究  94-100
    5.2.1 从亚音速到超音速运转模式的变化  94-95
    5.2.2 增益介质的饱和效应  95-98
    5.2.3 副He 对激光器性能的影响  98-99
    5.2.4 DF 激光的性能  99-100
  5.3 HCl 激光的实验研究  100-113
    5.3.1 F-H_2-Cl_2 泵浦反应体系的研究  100-104
    5.3.2 F-ClF-H_2 泵浦反应体系的研究  104-112
    5.3.3 小结：两种泵浦体系的限制性因素和改善的途径  112-113
  5.4 10.6μm CO_2 激光的实验研究  113-117
    5.4.1 转移型CO_2 化学激光器的研究  113-116
    5.4.2 横向流动混合型电激励CO_2 激光器的研究  116-117
  5.5 HBr 激光实现的设想  117-119
    5.5.1 泵浦反应体系的选择和具体的实现方式  118
    5.5.2 Br_2 蒸汽发生器和输送管路设计的考虑  118-119
  本章小结  119-121
第六章展望  121-123
  6.1 泛频HF 波段的研究  121
  6.2 电激励红外多波段化学激光器的改进  121-122
  6.3 双波段复合激射的实现和光腔技术  122-123
全文总结  123-126
致谢  126-128
参考文献  128-137
攻博期间发表的主要论文  137

电激励连续波红外多波段化学激光器的研究

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