氣體放電引發(fā)氧碘化學(xué)激光脈沖化及相關(guān)技術(shù)研究.pdf

1、氧碘化學(xué)激光器(Chemical oxygen-iodine laser，簡稱COIL)是目前波長最短的大功率化學(xué)激光器，其激射波長為1.315μm，屬于碘原子的電子躍遷。COIL的激光功率高、波長短、光束質(zhì)量好，同時激光波長具有較高的光纖耦合率與較低的傳輸損耗，適合光纖遠(yuǎn)距離傳輸，這些特點使其在激光加工工業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景。長脈沖高峰值功率的脈沖激光在激光打孔、切割和焊接等方面都具有明顯的優(yōu)勢。因此實現(xiàn)大功率COIL的高峰值功率脈沖化

2、輸出具有非常重要的意義。COIL脈沖化的研究方向主要有兩類:其一是通過氣體脈沖放電解離或者脈沖光解碘代物瞬間產(chǎn)生高密度碘原子實現(xiàn)COIL脈沖輸出;其二是在超音速連續(xù)波COIL上進行脈沖調(diào)制輸出。碘甲烷與氮氣、氧氣（基態(tài)氧和單重態(tài)氧）組成的混合氣體脈沖放電產(chǎn)生不同的活性物種，同時產(chǎn)生一定密度的基態(tài)碘原子?；瘜W(xué)反應(yīng)生成的單重態(tài)氧與基態(tài)碘原子通過近共振傳能過程將基態(tài)碘原子泵浦到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)碘原子與基態(tài)碘原子之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在光學(xué)諧振腔作

3、用下產(chǎn)生激光。該項研究的關(guān)鍵問題是在技術(shù)上解決含有多種電負(fù)性氣體（碘甲烷、氧氣和氯氣等）的大體積均勻輝光放電和在基礎(chǔ)理論方面認(rèn)識脈沖氣體放電的等離子體特性和出光過程中各物種密度配比及光學(xué)參量對激光特性的影響。針對以上問題進行了放電電極結(jié)構(gòu)、預(yù)電離方式和放電電路對大體積均勻放電影響的研究和在不同的放電電極結(jié)構(gòu)和預(yù)電離方式上進行了脈沖出光實驗研究。根據(jù)CH3I與CF3I結(jié)構(gòu)的相似性，采用一維流體力學(xué)模型進行了CF3I-He混合氣體脈沖放電等

4、離子體特性研究。采用預(yù)混化學(xué)動力學(xué)出光模型進行了不同氣體組分配比和光腔溫度等對激光特性影響的理論研究。通過機械調(diào)Q、磁調(diào)Q和增益調(diào)制等脈沖調(diào)制方法實現(xiàn)超音速連續(xù)波COIL脈沖化輸出的研究中碘蒸氣流量變化對激光能量和激光脈沖的影響非常敏感，因此需要實時在線準(zhǔn)確測量碘蒸氣的流量。針對采用吸收光譜法測量碘蒸氣流量的窗口污染問題進行了實驗研究，分析了窗口污染的原因并提出了對應(yīng)的解決方案。
　　本文分別采用側(cè)面自由火花預(yù)電離、側(cè)面滑閃火花預(yù)

5、電離、面陣火花滑閃預(yù)電離結(jié)合近羅科夫斯基電極進行了大體積均勻輝光放電穩(wěn)定性和均勻性研究。通過比較不同預(yù)電離方式的放電輝光效果和出光情況得知滑閃預(yù)電離的穩(wěn)定性和均勻性要優(yōu)于自由火花預(yù)電離。由于側(cè)面火花預(yù)電離在空間擴散局限的限制，使其不適用于寬電極長間距的大體積氣體放電。本文提出的面陣滑閃預(yù)電離組合電極成功解決了寬電極的大體積放電，放電電極可以在其表面的二維方向上按任意比例放大。預(yù)電離與電極本身的一體化設(shè)計使得電極的可靠性和穩(wěn)定性優(yōu)于網(wǎng)狀電

6、極。對面陣滑閃預(yù)電離的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進行了實驗研究。研究結(jié)果表明面陣滑閃火花預(yù)電離的紫外光利用效率更高。放電回路中的峰化電容Cp能夠有效地減小回路電感，提高了放電電壓和電流的峰值，能夠使儲能電容的電能以更快的速度注入到等離子體中。對不同的電極結(jié)構(gòu)和預(yù)電離方式進行了脈沖出光實驗研究。重點研究了放電參數(shù)、氣體組分配比和壓力、發(fā)生器Po2τ值和輸出耦合率對激光能量和脈寬的影響。面陣滑閃火花預(yù)電離組合電極在出光穩(wěn)定性和出光能量等方面表現(xiàn)出良好的性

7、能。通過實驗參數(shù)的優(yōu)化，單脈沖能量達到了4.3 J，化學(xué)效率為11％，體積效率為2.1 J/L，電效率為50～60％，其中前三項技術(shù)指標(biāo)在氣體放電引發(fā)脈沖COIL研究中處于世界領(lǐng)先。
　　根據(jù)實驗參數(shù)進行的CF3I-He混合氣體脈沖放電理論模擬研究中發(fā)現(xiàn)等離子體鞘層區(qū)和等離子體正柱區(qū)，具有明顯的輝光放電特征。放電產(chǎn)生的碘原子主要通過高能電子直接碰撞解離CF3I產(chǎn)生。碘原子密度隨脈沖電壓幅值和脈沖寬度的增大而增大。在混合氣體總氣壓不

8、變的條件下，對于碘原子密度存在最佳的CF3I/He組分配比，脈沖電壓幅值越高最佳的CF3I分壓也越高。采用預(yù)混出光理論模型計算了各物種密度、配比和光腔參量（如:輸出耦合鏡透射率和腔長）對激光特性的影響。提高碘原子密度能夠有效增大激光能量和縮短激光脈寬。對于激光能量和激光峰值功率存在不同的最佳碘原子密度。不同光學(xué)諧振腔長度下輸出耦合率對激光能量的影響不同。計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行了對比，一些計算結(jié)果和發(fā)展趨勢與實驗結(jié)果吻合的較好。