氧碘化学激光器谐振腔腔镜失调测量与研究

为保证氧碘化学激光器谐振腔的腔镜失调测量结果的可靠性和准确性,建立了使用自准直仪间接测量腔镜失调的方法。测量结果表明,热辐射是引起腔镜失调并造成光束漂移的主要原因,通过采取措施,可以使腔镜失调明显减小。同时证明了该测量方法是可靠的、合理的。

转镜扫描测量超音速氧碘化学激光器二维增益分布

首次用二维多面体扫描镜测量了超音速氧碘化学激光器的二维增益分布，测得增益区沿气流方向较长，沿光腔高度方向靠近壁面的两侧存在明显的边界层效应，并且边界层的厚度随着远离喷管出口平面距离的增大而增加。

氧碘化学激光器束转动90度环形非稳腔空心光束输出研究

主要描述了氧碘化学激光器来转动９０度环形非稳腔（ＵＲ９０）空心光束输出的腔结构及几何模式特点，实验中获得了在放大率Ｍ＝１．６９５，激光平均输出功率４．０ｋＷ时，空心光束输出的激光光束质量为３．２倍衍射极限，同时对空心光束输出特性进行了分析。

氧碘化学激光器输出功率的估算

建立了激光在工作时的动态模型,即假设在单位时间内,激光介质的粒子数全部被泵浦到上能级。引入激光介质重复泵浦次数的概念,根据能量守恒原理,通过分析氧碘化学激光器(COIL)的传能机理,计算了沿气流方向变化的碘原子上能级的弛豫时间及沿气流方向变化的碰撞传能时间,并且计算了碘原子在出光区内被单重态氧反复泵浦的次数及相应的残余单重态氧数目,从而计算出碘原子在出光区的反复泵浦次数,修正了原计算COIL输出功率的公式。理论计算与实验结果均表明:当碘流量过低时,增益小于损耗,激光器不能起振;当增大碘流量时,激光输出功率也逐步增大,反复泵浦次数逐渐减少;当碘流量继续增大时,激光输出功率达到最大,且在一定碘流量变化范围内基本保持稳定;但随着碘流量的进一步增大,激光输出功率却逐步下降。

基于故障树的氧碘化学激光器故障分析

为方便快捷地查找出氧碘化学激光器故障发生的原因,以氧碘化学激光器常见故障为例,建立了其功率失常的故障树模型,用最小割集理论按下行法对模型进行了定性分析和定量分析。分析表明:氧碘化学激光器7个子系统中,碘供给子系统的可靠性最低,氯气供给子系统次之,这与实际情况相符。计算出的氧碘化学激光器出光不正常发生概率为3.99%,其可靠度为96.01%。

PID调节器在氧碘化学激光器谐振腔调腔中的应用

通过对由比例(P)、积分(I)和微分(D)三个单元组成的PID调节器基本原理的介绍,指出合理设定PID调节器的参数是消除扰动的影响并实现腔镜快速、准确而稳定地移动的关键。实验结果表明,在调腔过程中应用PID技术,提高了静态时谐振腔各腔镜的同心度,而且在一定程度上保证了出光过程中谐振腔内各个腔镜的同心度,使得减小远场光斑的漂移和变形成为可能。

氧碘化学激光器中的化学非平衡流动数值模拟

采用数值方法求解二维可压缩非定常NavierStokes(NS)方程及组分连续方程,计算氧碘化学激光器中的化学非平衡流场。采用格心格式的有限体积法对NS方程作空间离散,用四步龙格库塔方法作显式时间推进。假设混合气体为热力学完全而热值非完全气体,化学反应模型采用有限速率反应模型。使用一种松弛迭代的方法来处理化学源项的刚性问题。对3种组分配比情况下氧碘化学激光器中的化学非平衡流动进行了计算,给出了不同情况下几种组分的浓度分布,分析了2种组分的浓度对激光器性能的影响。所得结果与理论分析以及文献结论一致。

氧碘化学激光器中相位扰动的模拟研究

建立了含相位扰动的1维流场3维物理光学负载光腔模型。选用折叠非稳腔,模拟计算了斜激波中心距光轴不同距离时以及不同强度的斜激波对腔内光场相位分布和输出功率的影响。研究表明激光输出光束质量与腔内激波的分布位置和激波的强度有密切关系,应该避免激波中心近光轴时的强扰动效应引起的光束质量退变。实验装置的计算结果再现了实验现象。

氧碘化学激光器组分超音速混合反应数值模拟

采用数值方法求解二维可压缩非定常N-S方程及组分连续方程,计算氧碘化学激光器中的组分超音速混合反应流场。空间离散格式为AUSM+-up格式,用四步龙格-库塔方法作显式时间推进,湍流粘性系数使用k-ε两方程湍流模型进行求解。假设混合气体为热力学完全而热值非完全气体,化学反应模型采用有限速率反应模型。使用一种松弛迭代的方法来处理化学源项的刚性问题。给出了出口处碘分子的质量分数分布,数值模拟结果与文献结果符合良好。

氧碘化学激光器的增益线型和腔内温度

利用可调谐二极管激光器做探测光源，测量了超音速氧碘化学激光的增益谱线和增益线型．根据多普勒展宽，间接得到了超音速氧碘激光器的腔内温度．

氧碘化学激光器故障诊断技术

为了解决氧碘化学激光器通过常规诊断故障定位困难的问题,采用建立的氧碘化学激光器功率失常故障树模型,结合氧碘化学激光器常用的8个监测参数:碘腔压力、碘文氏管压力、p-t曲线、主氦压力、氯气压力、氧发生器压力、上游压力和光腔压力,提出采用故障树和在线监测参数相结合的办法,基于3σ法则的判断标准对氧碘化学激光器进行故障诊断,故障诊断正确率达到94.5%,并对出现的故障提出了改进措施。

三点式氧碘化学激光器光腔准直技术

提出三点式动态准直法,并以此设计具有自动校准功能的光腔自准直系统,提高了氧碘化学激光器的光束质量。该系统采用位置传感器作为光束位置检测元件,压电陶瓷作为动态调整元件,建立三输入三输出的耦合模型,利用多变量自适应闭环解耦控制法,实现准直系统的高速动态调整,实现了光腔准直,提高了光束质量。经初步实验验证,该系统准直范围可达4 mrad,精度为5μrad,响应频率达20 Hz,满足氧碘化学激光器对光腔准直系统的要求。

无稀释气立式氧碘化学激光器的设计与实验

分析了氧碘化学激光器(COIL)在无稀释气条件下工作所带来的一系列问题和对其性能的影响,并提出了相应的解决方法,进而对COIL结构和相关参数进行了有针对性的设计和实验研究。在氯气流量为117.6 mmol/s时,平均输出功率2.25 kW,化学效率达到21.1%,比功率0.22 J/g;分别以氦气和氮气为稀释气,对COIL进行了参数和实验数据比较。

氧碘化学激光器射流数值模拟方法研究

为了研究氧碘化学激光器喷流流场流动情况,采用数值方法求解二维可压缩非定常Navier-Stokes方程及组分连续方程,空间离散格式为AUSM+up格式,用四步龙格-库塔方法作显式时间推进,湍流粘性系数使用k-ε两方程湍流模型进行求解。假设混合气体为热力学完全而热值非完全气体,化学反应模型采用有限速率反应模型。使用一种松弛迭代的方法来处理化学源项的刚性问题。计算了一个标准算例,结果与美国GASP程序计算结果符合良好。对氧碘化学激光器流场进行了二维数值模拟,研究了该激光器中激发态氧初始产额、水蒸气含量以及不同喷管数目对增益分布的影响。结果表明,除水和增加激发态氧初始产额都可使小信号平均增益增大,采用两个碘喷管比采用一个碘喷管能够获得更大的小信号平均增益。

氧碘化学激光器中转盘式单重态氧发生器研究

通过对单重态氧发生器（ＳＯＧ）内的传质、传热及化学动力学过程的研究，提出高效ＳＯＧ的设计原则，并研制出一台可用于高功率超音速氧碘化学激光器（ＣＯＩＬ）的ＳＯＧ，其Ｃｌ２流量在０．６～１ｍｏｌ／ｓ时，Ｏ２（１Δ）分压可达３３３．３～５１９．９Ｐａ；Ｏ２（１Δ）浓度达到５０％～６０％；Ｃｌ２利用率大于９０％；混合气中水蒸汽含量小于１０％。

氧碘化学激光器废气排放污染评价

氧碘化学激光器运行过程中会将氯气、碘蒸气等有毒有害物质排入大气,对工作场所空气质量和人员健康存在安全隐患。采用点源扩散的高斯模式,建立了小风条件下氧碘化学激光器废气的扩散模型,结合工作场地人员分布情况,计算得到激光器废气排放后15min内,距地面1.5m高度、距排放点500m范围内废气中有毒成分氯气和碘的质量浓度空间分布。根据质量浓度空间分布情况,选取采样点,以Na_2SO_3溶液作为吸收液对氯气和碘进行了同时采样,并采取离子色谱测量了吸收液中氯离子和碘离子的质量浓度。结果表明:氧碘化学激光器废气排入大气后,氯气质量浓度最高为0.200mg/m^3,碘蒸气质量浓度小于检测方法的检出限0.030mg/m^3,低于国家职业卫生标准规定的最高容许质量浓度限值1mg/m^3。

基于网格片的氧碘化学激光器多块并行数值模拟

为实现氧碘化学激光器(COIL)喷管流场大规模数值模拟,采用VICON程序中的基本方程与数值算法,应用JASMIN框架中的基本数据结构——网格片,以及多块结构网格拼接并行算法,发展了三维多块COIL并行模拟程序。数值实验结果展示了该并行模拟程序的正确性及可扩展性,并在2048个处理器核上模拟450万网格单元算例,加速比超过420。

氧碘化学激光器数值模拟中的多块并行通信算法

为实现氧碘化学激光器大规模数值模拟,基于JASMIN(J parallel adaptive structured mesh applications infrastructure)框架设计实现了氧碘化学激光器数值模拟的多块并行通信算法.该算法针对模拟中构造多块结构网格间通信关系困难、氧碘化学激光器数值模拟填充物理边界复杂以及网格块内块间通信调度策略不统一等通信问题,实现了块间关系自动识别算法用以自动识别多块结构网格间通信关系,构造了特殊物理边界数据结构帮助实现物理边界的填充,并采用了统一的通信调度策略以降低通信时间.数值结果表明:该算法解决了氧碘化学激光器大规模数值模拟中的通信问题,并很好地模拟了氧碘化学激光器装置,使用简单,可以扩展到上千个处理器核.

氧碘化学激光器的单重态氧发生器中氯气利用率的测量

在一台大型高功率氧碘化学激光器的射流单重态氧发生器本体上做的一系列的测量氯气利用率实验。

拉曼散射光谱在氧碘化学激光器参数测试上的应用

介绍了拉曼散射在氧碘化学激光器参数测试上的应用,给出了在流量为0 5mol/s的射流式氧发生器上的实验结果。采用一套测试装置可以同时进行O2(a1Δ)产率和氯气利用率测试,提高了测试效率;由于无需进行另外的标定实验,提高了测试精度,为此该方法可以极大地改善目前O2(a1Δ)产率和氯气利用率测试精度较低的现状。