化学激光在21世纪的发展和应用前景

激光是20世纪60年代物理学的一项重大成果,也是发展最迅速的一门高技术.今天已深入到科学技术、国民经济及社会生活的各个方面,并随着激光电子产品走入家庭.高强度的激光可用于产品工业加工、驱动核聚变甚至用作激光武器.激光使光谱学和化学获得了新的生命力,是研究微观动力学的有力手段.第三代化学激光武器的诞生,标志着激光技术的应用,尤其激光武器方面的应用,在21世纪将有更广阔的发展前景.

气流化学激光理论研究的若干进展

以超声速HF/DF化学激光和超声速氧碘化学激光(COIL)为代表的气流化学激光(GCL),因其科学意义、军事和工业应用价值,近30多年来得到了突飞猛进的发展.由于超声速膨胀混合流在控制强放热反应动力学和热力学过程方面的特殊本领,使气体动力学在高功率GCL的发展中起着关键性的作用.高功率GCL性能的分析计算自然也沿用非平衡气体动力学的方法,假定气流(包括激光能级分子和原子)为连续介质,谱线为均匀加宽,并联立求解气体动力学方程组,增益动力学和基于光强迭加原则的辐射传输诸方程,称为速率方程(RE)模型. 20世纪70年代后期又提出和发展了GCL性能计算的半气体动理学(SGK)模型,在SGK模型中仍假定气流为连续介质,但同时考虑了激光能级分子微观热运动的贡献,谱线加宽的非均匀加宽效应,并用双参数摄动法求解激光能级分子速度分布函数方程组(即广义Boltzmann方程组),因此SGK模型是一个同时考虑宏观和微观尺度运动的跨尺度模型.本文综述RE模型和SGK模型以及用它们预测GCL性能的若干研究进展,同时简评等增益模型和腔模(模图样)理论研究的一些进展.最后从气体动力学的角度提出一些值得进一步研究的课题.

电激励连续波HF/DF选线化学激光器光轴的选择

在一单放电管电激励连续波HF/DF化学激光器平台上,利用一级振荡、一级输出的光栅选线色散腔结构,分别在H2喷注孔平面下游0.5 mm和2.0 mm两个位置处测试了此激光器的选线性能。谱线指认的结果证实,即使在mm级的流场方向增益长度范围内,选线激光器要获得宽的谱线覆盖范围并优化各支谱线的功率谱分布,光轴到氢气喷注孔平面的距离是一个重要的调节参量,随着此距离的增大,高振动态之间的跃迁越来越弱,而低振动态之间的跃迁则越来越强。

电激励红外多波段化学激光器中稀释剂注入方式对激光输出的影响

以DF为例,在一台单放电管电激励红外多波段激光器上测试了两种稀释剂注入方式下激光器的输出特性。激光器输出功率、模式分布、光谱分布的测量结果表明,在常规注氦方式下,在放电管末端引入一路氦气可以增加功率输出,拉长顺流增益区长度,加强高振动能级间的跃迁。经分析原因可能在于F原子壁面复合损失的减少、增益区流速的增加以及去激活效应的减弱。

kW级立式氧碘化学激光器的初步实验研究

实验考察了立式氧碘化学激光器的工作性能。在氯气流量为82 mmol/s,无主稀释气的条件下,输出功率约1.3 kW,化学效率达到16.9%。分别与以氦气和氮气为稀释气的氧碘化学激光器进行了主要参数的比较(He-COIL在氯气流量110 mmol/s时,输出功率为2.4 kW;N2-COIL在氯气流量115 mmol/s时,输出功率为2.6 kW;立式氧碘化学激光器在氯气流量115 mmol/s时,输出功率为1.32 kW),结果表明该COIL装置初步实验结果与传统的He-COIL和N2-COIL相比还存在很大差距。但通过对实验结果的深入分析得知,若进一步降低单重态氧发生器的prτes值,缩短超音速喷管中亚音速段的氧碘混合长度或采用超音速段氧碘混合方式,使该立式氧碘化学激光器在无主稀释气的条件下运行且达到与He-COIL和N2-COIL相当的功率水平是可以实现的。

氮稀释高效电激励连续波HF/DF化学激光器

提出使用低温吸附泵代替传统的机械真空泵和洗消装置的设想,以大幅降低电激励连续波HF/DF化学激光器的体积和重量。针对该技术需将常用的氦稀释剂替换为氮稀释剂从而引起激光器效率大幅下降的问题,对超音速阵列喷管激光器进行了研究。为提高氮稀释剂激光器效率,研制了周期4 mm间隔排列的狭缝-列孔超音速阵列喷管,以代替传统的单通道燃料流横向注入增益发生器。以HF激光为例的实验表明:前者在放电管电极间距仅为后者一半的条件下,单管激励出的光功率由25 W提高到90 W,电光转换效率由0.8%提升到5.9%,燃料利用效率提高近4倍,从仅为氦稀释剂运转情形的一半变为略高于氦稀释剂情形。这些结果表明,通过专门研制的超音速阵列喷管大幅提高了氮稀释电激励连续波HF/DF激光器的效率。

直排型DF/HF化学激光器气流通道模型实验研究

为了探寻直排型连续波DF/HF化学激光器的起动特性,建立了一套化学激光器气流通道单喷管小型模型实验装置,通过选用不同的气体(冷气流)作为工作介质和不同的扩压器进行实验,分别研究了工作介质的气动参量对模型起动特性和扩压器喉道最小面积的影响,并与1维定常流理论的计算结果作了比较。最后分析了基区对模型起动特性的影响,比较了两种类型基区的差异。实验结果表明:对于直排型连续波DF/HF化学激光器,采用大比热容比、小相对分子质量的介质作为引射气流,喷管出口和基区之间带有一个向内的圆角,对提高DDCL整体性能是有利的。

氧碘化学激光器中混合现象的数值模拟

给出了基于气体动力学、化学动力学和激光物理学的氧碘化学激光器理论模型，并对氧碘化学激光器中的混合现象进行了三维数值模拟，所得结果与文献上类似模拟结果一致。

超音速氧碘化学激光实验研究

在一台５ｋＷ超音速氧碘化学激光器装置上采用转网式单重态氧发生器，在Ｃｌ２流量为１５０ｍｍｏｌ／ｓ时输出功率已超过１ｋＷ。

高能超音速氧碘化学激光光束质量的测量

概述了在千瓦级ＵＲ－９０腔的氧碘化学激光实验装置上进行的光束质量测量的实验，测试结果表明。

氧碘化学激光器超声速段射流工作方式性能的数值研究

氧碘化学激光器(COIL)的混合喷管内发生的是气体动力学、化学反应动力学以及光学等相互耦合的复杂过程,每个过程都对COIL性能有着至关重要的影响。利用3维计算流体动力学技术,通过求解层流Navier-Stokes方程与组分输运方程对简化的氧碘化学激光RADICL模型进行数值模拟与分析,结合10种组分和21个基元反应的化学反应模型,对COIL超声速段射流情况下喷管内的流动及混合情况,尤其是产率、分解率、泵浦率和小信号增益系数的细致3维空间分布进行研究。结果证明超声速段进行射流有利于提高COIL的性能表现,可以充分利用高增益区,光腔位置增益可以达到0.012 cm-1,与亚声速段射流相比总压恢复性能提高,混合有待加强。

全气相化学激光体系的直流放电研究

为了提高化学激光体系（AGIL）中F原子的产率．采用直流放电引发方式，对棒式电极的放电特性进行了研究。在对NF3／He混合气体进行解离时，通过选择不同平衡电阻，得到了3kW左右的放电注入功率。用光谱分析仪对F原子产率进行了测量。通过拟合计算可得：一个NF3分子能够解离出1．3～L5个F原子。

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。

直排型DF/HF化学激光器扩压器喉道最佳长度实验研究(英文)

为了研究扩压器喉道长度对直排型连续波DF/HF化学激光器起动特性的影响,建立了一套化学激光器气流通道双喷管小型实验模型。在无二次流的条件下,通过选用喉道长度不同的扩压器进行实验,分别得到对应的起动压力和工作压力,并将起动压力和工作压力的大小作为评价扩压器喉道长度优劣的依据。实验数据显示,对于该特定结构的直排型DF/HF激光器气流通道双喷管实验模型,扩压器喉道最佳长度为等效直径的17倍。

氧碘化学激光器直线分段扩开型扩压器实验研究

研究了不同几何外形参数对直线分段扩开型氧碘化学激光器(COIL)扩压器性能的影响,实验结果表明:光腔上下壁扩开全角8°时,选取4°超扩段扩散角可获得较好的压力恢复和隔离光腔流场的能力;超扩段增加2 mm竖隔板可降低光腔后部壁面静压,且截止反压提高约12%;在相同腔压下,10°截角唇口的截止反压比直角唇口和1/4圆弧唇口截止反压高出约7.6%;超扩段入口四壁增加人工粗糙带能明显改善光腔壁面静压的分布,并有效提高扩压器效率。

化学激光器用文氏咀的临界背压比

建立了一套文氏咀临界背压比的测量系统,分别以氮气、氩气和氧气为工作介质,对两种加工工艺、不同规格文氏咀的临界背压比进行了测量,得到了各文氏咀对应不同工作介质的临界背压比,讨论了实验系统中第一个文氏咀的作用和温度对测量结果的影响。实验结果表明:设计合理、工艺合适的Laval喷管,临界背压比明显高于临界压力比,而且,比热容比越小,表面粗糙度等级越高,喉道直径越大,对应的临界背压比越大。

超音速氧碘化学激光器二维小信号增益的数值模拟

建立了氧碘化学激光器简化的动力学模型，利用Ｎ－Ｓ方程组，数值模拟了超音速氧碘化学激光器小信号增益的二维分布。

基于TDLAS测量HBr化学激光器气体温度

利用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS),基于吸收光谱的多普勒展宽原理,对D2/NF3燃烧驱动的HBr化学激光器,进行了光腔和扩压段的气体温度测量实验研究。为了有效地测量TDLAS吸收光谱,选用了主气流中吸收系数较大的HF分子(2-0)振动谱带的R2谱线作为研究对象。实验中利用一台中心波长1 273 nm的分布反馈式(DFB)二极管激光器,搭建了一套基于直接吸收法TDLAS的HBr化学激光器气体温度测量系统。通过对HF分子的吸收谱线进行Voigt线型拟合,获得了多普勒展宽宽度,从而给出了光腔和扩压段气体温度。在进行时域频域变换时,使用了一台自由光谱范围(FSR)为1.5 GHz的F-P标准具用于频率校准。实验测量结果表明,光腔温度约为280 K,扩压段温度约为400 K。实验过程中的碰撞展宽和多普勒展宽的比值小于0.1,表明多普勒展宽为主,能够方便地用HF吸收光谱的展宽来监测光腔和扩压段的气体温度。

NCl（α^1△）泵浦碘原子化学激光综述及可行性分析

自１９９０年 Ｂｏｗｅｒ和 Ｙａｎｇ报告了 ＮＣｌ（α１△）／Ⅰ的传能，引起了人们的极大关注．由 ＮＣｌ（α１△）泵浦Ⅰ原子的全气相化学激光器能否产生和放大以及该体系的相关动力学的研究近几年也广泛展开．本文在综述了有关 ＮＣｌ（α１△）及其与 Ⅰ的传能和发展现状基础上，理论上进行了分析和计算．最后对 ＮＣｌ（α１△）泵浦 Ⅰ化学激光器可行性做了展望并提出具体探索和解决的途径．