电激励重复频率非链式HF激光器
放电激励脉冲hf激光器预电离设计及数值模拟
一、概述随着激光技术的不断发展，高频（HF）激光器作为一种新型的激光器得到了广泛的关注和研究。
HF激光器具有脉冲能量大、脉冲宽度短、中心波长短和调制性能好等优点，被广泛应用于激光雷达、激光通信和激光测距等领域。
然而，HF激光器在发展过程中还存在着一些问题，其中一个主要问题就是预电离的设计。
二、HF激光器预电离设计的重要性1. HF激光器预电离设计的作用HF激光器预电离设计是为了提高激光放电的效率和稳定性，预电离可以在激光放电过程中提供充分的电子数目，使激光气体在激光脉冲过程中得到更好的放电条件，从而提高激光器的脉冲能量和脉冲宽度。
2. 影响预电离设计的因素HF激光器预电离设计受到多种因素的影响，例如激光气体成分、激光气体压力、激光脉冲参数等都会影响预电离的效果。
三、HF激光器预电离设计的方法1. 传统的HF激光器预电离设计方法传统的HF激光器预电离设计方法主要是通过选择合适的气体组成和气体压力来实现预电离效果，这种方法简单直接，但受到激光气体的物理和化学性质的限制。
2. 基于数值模拟的HF激光器预电离设计方法基于数值模拟的HF激光器预电离设计方法是通过建立激光放电的数学模型，利用计算机模拟和分析不同预电离条件下的激光放电过程，从而优化预电离设计。
这种方法可以充分考虑激光气体的物理和化学性质，并且可以得到更精确的预电离效果。
四、HF激光器预电离设计的数值模拟1. 建立数学模型建立HF激光器预电离的数学模型是进行数值模拟的第一步，需要考虑激光气体的物理和化学性质以及激光脉冲参数等因素，建立合理的数学方程。
2. 模拟和分析利用计算机对HF激光器预电离过程进行模拟和分析，通过改变激光气体成分、压力和激光脉冲参数等因素，得到不同预电离条件下的激光放电状态，从而分析影响激光放电的关键因素。
3. 优化设计根据模拟和分析的结果，对HF激光器的预电离设计进行优化，选择最合适的预电离条件，从而提高激光器的脉冲能量和脉冲宽度。
电激励中红外氟化氢激光器应用需求
电激励中红外氟化氢激光器应用需求
红外氟化氢激光器具有较高的输出功率和较窄的光谱线宽，在许多领域有着广泛的应用需求。
以下是一些常见的应用需求：
1. 遥感与环境监测：红外氟化氢激光器可以用于大气污染检测、空气质量监测以及气象探测等领域。
其较窄的光谱线宽和高输出功率使其在探测和测量大气成分、气体浓度等方面具有优势。
2. 工业制造与检测：红外氟化氢激光器可用于材料加工、焊接、切割和表面处理等领域。
其高功率和较长的作用距离使其在工业生产中具备高效、精确的加工能力。
同时，它也可以在质检领域用于检测缺陷、材料分析等。
3. 医疗与生物科学：红外氟化氢激光器在医学领域有广泛的应用，例如激光治疗、激光手术和医学成像等。
其具有较强的穿透性，可以用于深层组织治疗和显影。
4. 近红外成像与通信：红外氟化氢激光器在近红外成像和通信领域也具有重要应用。
近红外光的穿透能力强，可以应用于显影和成像，同时在光通信领域也具有数据传输速率高、抗干扰能力强等特点。
需要注意的是，具体应用中的技术细节和要求可能因不同的任务而有所不同，建议根据具体需求进行进一步的研究和咨询。
电激励重复频率非链式HF激光器
中 图分 类 号 ： Ｎ２ ８ ５ Ｔ ４ ．
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第１卷 ９
第 ２期
光 学 精 密 工 程
Ｏ ｐ ｉｓ ａ ｄ Ｐｒ ｃｓｏｎ Ｅｎｇ ｎ ｅ ｉ ｇ ｔｃ ｎ ｅ ｉｉ ｉ ｅ ｒｎ
Ｖｏ ． ９ Ｎｏ ２ Ｉ１ ．
Ｆｅ ２Ｏ ｂ． １１
２１ 年 ２ ０１ 月
文章 编 号 １ ０ — ２ Ｘ（ ０ １ ０ —３ ００ ０ ４９ ４ ２ １ ） ２ ０ ６ — ７
ｓ ｕ ｉ ｄ ｒ ｓ ｅ ｔｖ ｌ ．Ｔｈ — ａ ｉ ｔａ ｅ ＨＦ ａ ｅ ｈａ ａ ｔ ｒｚ ｄ ｂｙ ａ ｌ— ｏ ｉ — ｔ ｔ ｅ ｒ ｔ ｒ ｗａ ｔ ｄｅ ｅ ｐ ｃｉｅｙ ｅ ｅ ｂｅ ｍ ｎｉｉｔ ｄ ｌ ｓ ｒ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉｅ ｎ ａ ｌｓ ｌｄ ｓ ａ ｅ ｇ ｎｅ ａ ｏ ｓ ｄｅ ｅ ｏ ｄ． Ａ ａ ｇ ｒ ａ ｒ ｐｅ ｉｉ ｅ ｕｎ ｆ ｍ — ｅ ｍ ｓｏ ａ ｎ ｄ ａ ｄ ｔ ｒ ｄ ｙ ｃ ｐ ｗａ ｅ ｏ ｄ ａ — ｖ ｌ ｐｅ ｌ ｒ ｅ ａ ｅ ｅ ｔｔｖ ｉｏｒ ｅ ｂ ａ ｗａ ｂｔ ｉ ｅ ｎ ｈｅ Ｆａ ａ ａ ｕ ｓｕｓ ｄ ｔ ｉ ｇ ｎｏ ｅ ｔ ｅ ｕｎ ｆ ｒ ｉｙ ｏ － ａ ｉ ｏ ｔ ａ ｅ ｓ ｃ ｌ．Ｔｈ ｕ ｐｕ ｈａ ａ ｔ ｒｓ ｉｓ ｏ ｈｅｌ ｓ ｒｗｅ ｅｓ ｕ － ｓ ｈ ｉｏ ｍ ｔ ｆｅ ｂｅ ｍ ｎｔ ｈｅ ｌｓ ｒｇａ ｅ １ ｅ ｏ ｔ ｔｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｆｔ ａ ｅ ｒ ｔ ｄ
非链式脉冲DF激光器放电生成物处理技术
２ 非链式脉冲 ＤＦ激光器的消激发 作用
非链式脉冲 ＤＦ激光通常采用含 ＳＦ６和 Ｄ２或
碳氘化合物在放电引发方式下产生。其中工作气
体发生的反应主要包括：
ＳＦ６ ＋ｅ→ Ｆ＋ＳＦ５ ＋ｅ， Ｆ＋Ｄ２→ ＤＦ（ｖ）＋Ｄ， ＤＦ（ｖ）＋Ｍ → ＤＦ（ｖ－１）＋Ｍ ，
（１） （２） （３）
ＤＦ（ｖ）→ ＤＦ（ｖ－１）＋ｈν． （４）
ｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｉｅｖｅ
１ 引 言
氟化氘（ＤＦ）激光输出波段为 ３５～４１μｍ， 中心波长为 ３８μｍ，处于 ３～５μｍ中红外波段。 中红外波段传输效率高，衰减小，包含众多原子和 分子的特征吸收谱，被广泛应用于激光雷达光源、 激光 光 谱 学、大 气 监 测 和 军 事 光 电 对 抗 等 领 域［１７］。非链式脉冲 ＤＦ激光器为化学激光器，其 工作气体通常为 ＳＦ６和 Ｄ２或碳氘化合物。工作气 体在高压放电条件下会发生化学反应，生成激发 态的 ＤＦ分子，产生粒子数反转。通过能级跃迁， 处于振动激发态的 ＤＦ分子产生受激辐射，在谐 振腔中振荡放大从而产生激光输出。值得注意的 是，工作气体放电过程中还会产生其他放电生成 物，如基态的 ＤＦ分子和水分子等。这些分子会 对激发态的 ＤＦ分子产生碰撞弛豫，形成无辐射 跃迁，导致重频工作下激光输出能量快速降低，严 重影响激光输出的稳定性。为解决激活介质的消 耗问题，需要利用分子筛材料对放电生成物中的 有害污染物（主要为基态的 ＤＦ气体分子）进行吸 附，从而使激光器在一次充气条件下，能够长时间 稳定 工 作。因 此 美［８］、法［９，１０］、英［１１］、俄［１２］等 世 界各国在开展该类激光器研究伊始，就在激光器 中设计加入各种吸附装置，填充各种固体吸附剂， 以实现对消激发物质的吸附，从而实现激光器的 重频运转。我国也非常重视非链式脉冲 ＤＦ激光 器的研究和应用。中国科学院电子学研究所柯常 军团队利用碱性分子筛作吸附剂，使 ＤＦ激光器 以 １～３Ｈｚ重频运转，在单次充气情况下，累积 １０００个激光脉冲后，输出能量仅下降 ２０％［１３１４］。 西北核技术研究所开展了类似的研究，其研究团
电激励重复频率非链式HF激光器
电激励重复频率非链式HF激光器易爱平;刘晶儒;唐影;黄珂;黄欣;于力;马连英【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2011(019)002【摘要】采用电子束和气体放电两种激励方式开展重复频率非链式HF激光研究.基于全固态脉冲功率源SPG200建立了重复频率HF实验装置,探索了产生重频大面积均匀电子束的技术途径,利用法拉第筒对进入激光气室的电子束的轴向均匀性进行了诊断,开展了激光器输出特性研究和重频实验调试,在C2 H6:SF6=0.035,总气压为35 kPa时,激光器输出能量最大约为4.8 mJ,并实现了最高30 Hz的HF激光稳定输出.采用峰化电容及紫外自动预电离技术设计研制了放电激励重频HF激光器,研究了SF6气体放电特性和重频运行稳定性.研究发现SF6气体放电具有典型的辉光放电、电压维持和电弧放电三阶段特征.在充电电压为28 kV,总气压为12 kPa,C2H6含量为8%时,放电激励HF激光器最大脉冲能量约 600 mJ,比能量输出达到8.5J/1,激光器的电光转换效率约为2.5%.该激光器在1-50 Hz实现了重频输出,首脉冲能量>500 mJ,在10 Hz时稳定输出能量约为200 mJ,【总页数】7页(P360-366)【作者】易爱平;刘晶儒;唐影;黄珂;黄欣;于力;马连英【作者单位】西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024【正文语种】中文【中图分类】TN248.5【相关文献】1.非链式重复频率HF激光器激光介质净化技术 [J], 马连英;周松青;黄超;黄珂;李高鹏;安晓霞2.放电引发的非链式高功率重复频率HF/DF激光器 [J], 黄珂;易爱平;朱峰;唐影;赵柳;马连英;冯国斌;叶锡生;刘晶儒3.放电激励重复频率非链式HF激光器 [J], 易爱平;叶锡生;刘晶儒;唐影;黄珂;马连英;于力;黄欣;朱峰;沈炎龙4.用于泵浦非链式HF/DF化学激光器的重复频率电子束发生器研究 [J], 高怀林;杨华;杨艳霞5.非链式化学HF(DF)激光器工作气体中电子分离的非稳定性和气体放电等离子体的自组织现象 [J], BELEVTSEV A A;FIRSOV K N;KAZANTSEV S Yu;KONONOV I G;张来明因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
电激励连续波HF／DF选线化学激光器光轴的选择
ＨＦ Ｄ ／ Ｆ激 射为 例 ， 可能 适 用 于整个 连续 波 卤化 氢 （ 化 学 激 光 器 的通 用技 术进 行 研究 ， 为 其 它 波段 卤化 对 氘） 可 氢（ ） 氘 化学激 光 的研究 提供 参考 。 目前 ， 在一 单放 电管 、 ０Ｃ 增 益 区宽 度 的器 件上 ， 们 已经 实 现 了连 续 波 ｌ Ｎ 我
１ 实验 装 置
实验 用 的激 光 器与文 献 ［ —］ ４７ 的类 似 ， 主体如 图 １所 其 示 ， 体描 述见 文献 ［ ］ 具 １ 。为 了精 确控 制 流 量 ， 用 七 星华 采
创 质量 流量控 制器 。电源采 用扬 州 双鸿 ｌ Ｖ／ ｏ ０ｋ ８ ｏｍＡ 高
压直 流数 显 电源 。
图 １ 实验 用 激 光 器 主体 图示
波长 ， 大量 程 ２Ｗ 的量 热型 功率 计监 测激射 功率 。之 所 以没 有采 用 文献 ［ — ］ 最 ５６ 中采用 的一 级振 荡 、 级输 出 零 的色散 腔结构 ， 因为在这 种 结构 中为 了保证 输 出光束 的方 向在 光 栅 的旋 转 过程 中保持 不变 ， 须加 一 面全反 是 必 镜 并 与光栅 形成 角反 射镜 结构 ， 由此使 得光 栅调节 架设 计 和实 际运 转不 便 。
在 实验 中 ， 将一 面光 腔 镜 架换 成专 门设 计 的光 栅 调节 架， 此调 节架能 实现 光栅 的多维 调节 和锁定 ， 确保光 栅 的 并 调 准和精 细转 动 扫 描 。将 一 面 ４ ０ ｌ ｅ／ ｍ 的高 质 量 闪 ２ ｉ ｓｒ ｎ ａ
耀光 栅 与一个 曲率半 径 为 １ｍ， ． ｍ 附近耦 合输 出率 为 ２７
ｌ 的腔镜 组 合 形 成 自准 直 结 构 的色 散 腔 ， 长 ３ Ｎ。 ５／ ９ ６ 腔 ５Ｃ 采 用标 定过 的天 津 港 东 ｗ Ｇ ） Ｂ型光 栅 光 谱 仪 监 测 激 射 Ｉ４ ＿
放电激励重复频率非链式HF激光器
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｉ Ｈ ＰＯ Ｗ ＥＲ ＬＡ ＳＥＲ Ａ Ｎ Ｄ Ｇ ＰＡ ＲＴ Ｉ ＣＬＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ
Ｖｏ１ ２ ． ３，ＮＯ ７ ．
Ｊ １ 。２ １ ｕ． ０ １
文 章 编 号 ： １ ０ ３ ２ ２ １ ） ７ １ ６ ４ ０ １４ ２ （ ０ １ ０ — ７ ３０
Ｃ Ｈ。的 混 合 气 体 作 为 工 作 介 质 ， 中 Ｓ 。 为 Ｆ 原 子 的 施 主 可 以 获 得 较 高 的 激 光 能 量 和 电 学 效 率 ， ： 。 其 Ｆ 作 Ｃ Ｈ。可
以有效 抑制气 体放 电的不稳定 性 。 由于混合气 体在 预混 条件 下 不会 发 生化 学 反应 ， 因此有 效 避免 了工作 过 程 中的爆 炸危 险 。混 合气 体通过 均匀 辉光放 电产 生 的高能 电子 与 Ｓ 碰撞 解 离 出化 学反 应所 需 的 Ｆ原子 ， Ｆ 随后 Ｆ原子 与含 Ｈ 化 合物 发生放 热化 学反 应生 成激 发 态 的 ＨＦ分子 获 得 激光 输 出 。 由于 Ｓ 光 器 重 复 频 率 运 行 时 不 同气 体 流 速 、 电 电 压 与 气 体 总压 条件 下 的放 电状 态 和输 出能 量 的 比较 ， 析 了激 充 分
光 器 重 复频 率 稳 定 运 行 的必 要 条 件 。结 果 表 明 ： 研 制 的 激光 器最 大单 脉 冲能 量 ０ ６Ｊ 峰 值 功 率 ３Ｍｗ ， 所 ． ， 电光
时补充 问题＿ 。在前 期工 作 中 ， ５ 】 已对 Ｓ 。 Ｃ Ｈ。 Ｆ ／ 。 混合气 体 的放 电特性 进行 了实验研 究 ， 对不 同条 件下 的放 电均
匀性 、 能量沉积 效率 和激 光输 出能 量等特 性参 数进 行 了分析［ ］ 。 。本文 主要介 绍利 用紫 外预 电离 的电容储 能 横 。 向放 电和气体 循环 结构 建立 的放 电激励 重复频 率脉 冲 ＨＦ激 光 装置 ， 对该 装 置 的重 复频 率 运行 特性 进 行 了 并
长时间运转100Hz放电引发非链式HF激光器
第２７卷 第５期２０１９年５月 光学精密工程 Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．２７ Ｎｏ．５ Ｍａｙ ２０１９ 收稿日期：２０１８－１２－０５；修订日期：２０１９－０１－２１． 基金项目：国防科技创新特区项目；激光与物质相互作用国家重点实验室基金资助项目（Ｎｏ．ＳＫＬＬＩＭ１６１０）文章编号 １００４－９２４Ｘ（２０１９）０５－１０６０－０９长时间运转１００Ｈｚ放电引发非链式ＨＦ激光器黄 超＊，黄 珂，马连英，朱 峰，易爱平（西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西西安７１００２４）摘要：为了获得稳定的、大能量重频中红外ＨＦ激光输出，基于紧凑型、闭环放电引发非链式ＨＦ中红外化学激光器，从能量影响因素、解决措施和实验验证三个方面系统性地研究了１００Ｈｚ重频ＨＦ激光的能量稳定性。
首先结合非链式ＨＦ化学激光动力学过程和静态重频实验，分析发现了影响重频放电引发非链式ＨＦ化学激光器脉冲能量稳定性的三个主要因素，包括均匀体放电难以维持、基态ＨＦ分子强的消激发效应和工作气体的持续消耗。
然后利用工作气体循环流动置换增益区气体，当增益区气体流速为９ｍ／ｓ时激光器１００Ｈｚ重频运行的放电状态维持良好，获得１００Ｈｚ／５５Ｗ的激光输出。
最后，采用分子筛吸附分离基态ＨＦ分子纯净工作气体以及实时补给工作气体，提升了重频ＨＦ激光器长时间运行的能量稳定性。
实验结果表明：１００Ｈｚ重频放电引发非链式ＨＦ激光器获得了３０ｓ的长时间稳定输出，激光能量下降率可优于１０％。
综合工作气体循环流动、分子筛吸附基态ＨＦ分子和工作气体实时补给，放电引发非链式ＨＦ激光器实现了高重频长时间的稳定输出。
关 键 词：中红外激光；化学激光；ＨＦ激光；放电引发；能量稳定性中图分类号：ＴＰ２４５ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１９２７０５．１０６０Ｈｕｎｄｒｅｄ－Ｈｅｒｔｚ ｎｏｎｃｈａｉｎ ＨＦ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ｌｏｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｉｔｉａｔｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅＨＵＡＮＧ Ｃｈａｏ＊，ＨＵＡＮＧ Ｋｅ，ＭＡ Ｌｉａｎ－ｙｉｎｇ，ＺＨＵ Ｆｅｎｇ，ＹＩ Ａｉ－ｐｉｎｇ（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｍａｔｔｅｒ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ′ａｎ ７１００２４，Ｃｈｉｎａ）＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｃｈａｏ＠ｎｉｎｔ．ａｃ．ｃｎＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｉｍ ｏｆ ｔｈｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｗａｓ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ－ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ ｐｕｌｓｅｄ ｍｉｄ－ｉｎ－ｆｒａｒｅｄ ＨＦ ｌａｓｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ａ ｓｙｓｔｅｍｉｃ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｐｕｌｓｅｄ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｃｏｍｐａｃｔ，ｃｌｏｓｅｄ－ｃｉｒ－ｃｌｅ，ｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｎｏｎｃｈａｉｎ ＨＦ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ａ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ １００Ｈｚ ｗａｓ ｐｅｒ－ｆｏｒｍｅｄ．Ｉｎｉｔｉａｌｌｙ，ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｐｕｌｓｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ａｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｄｉｓｃｈａｒｇｅｎｏｎｃｈａｉｎ ＨＦ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｌａｓｅｒ ｗｅｒｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅ－ｓｕｌｔｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｇａｓ ｆｌｏｗ．Ｉｎ ｐａｒｔ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｉｎｖｏｌｖｅｄ ｔｈｅ ｎｏｎｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｏｆ ｕｎｉｆｏｒｍ ｖｏｌｕｍｅ ｄｉｓ－ｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｅ ｄｅ－ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｅｘｃｉｔｅｄ ＨＦ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ｖｉａ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｄｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｗｉｔｈｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｔｅ ＨＦ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｇａｓ．Ｔｈｅｎ，ｕｓｉｎｇ ｃｉｒｃｕｌａｒｆｌｏｗ，ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｇａｓ ｉｎ ｔｈｅ ｇａｉｎ ｒｅｇｉｏｎ ｗａｓ ｒｅｐｌａｃｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｂｙ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ａ ｕｎｉｆｏｒｍ ｖｏｌｕｍｅｄｉｓｃｈａｒｇｅ，ａ １００Ｈｚ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ－ｒａｔｅ ＨＦ ｌａｓｅｒ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｇａｉｎ ｒｅｇｉｏｎ ｗａｓ９ｍ／ｓ．Ｔｈｉｓ ｒｅｓｕｌｔｅｄ ｉｎ ａｎ ａｖｅｒａｇｅ ｌａｓｅｒ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ ５５Ｗａｔ ｔｈｉｓ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｗａｓ ｎｏｔａｂｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅ ｏｎｌｙ ａｂｓｏｒｂｅｄｇｒｏｕｎｄ－ｓｔａｔｅ ＨＦ ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｔｏ ｐｕｒｉｆｙ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｇａｓ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｒｅｐｌｅｎｉｓｈｅｄ ｉｎ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉ－ｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ＨＦ ｌａｓｅｒ ｗａｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｆｏｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄｓｏｆ ３０ｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｅｎｅｒｇｙ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １０％．Ｉｔ ｉｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｔｏ ｏｐｅｒａｔｅ ｆｏｒ ｌｏｎｇｅｒ ｐｅｒｉ－ｏｄｓ ａｔ ａ ｈｉｇｈ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｗｉｔｈ ｌｉｔｔｌｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｅｎｅｒｇｙ ｖｉａ ａ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｇａｓｆｌｏｗ，ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｔｅ ＨＦ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅ，ａｎｄ ｂｙ ａｌｌｏｗｉｎｇ ａｓｍａｌｌ ｒｅｐｌｅｎｉｓｈｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｇａｓ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｄ－ｉｎｆｒａｒｅｄ ｌａｓｅｒ；ｃｈｅｍｉｃａｌ ｌａｓｅｒ；ＨＦ ｌａｓｅｒ；ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ；ｅｎｅｒｇｙ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ１ 引 言 由于波长特殊性，中远红外波段激光倍受关注［１－７］，并在军事领域和工业应用方面有着广泛的需求。
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电激励重复频率非链式HF激光器易爱平;刘晶儒;唐影;黄珂;黄欣;于力;马连英【摘要】采用电子束和气体放电两种激励方式开展重复频率非链式HF激光研究.基于全固态脉冲功率源SPG200建立了重复频率HF实验装置,探索了产生重频大面积均匀电子束的技术途径,利用法拉第筒对进入激光气室的电子束的轴向均匀性进行了诊断,开展了激光器输出特性研究和重频实验调试,在C2 H6:SF6=0.035,总气压为35 kPa时,激光器输出能量最大约为4.8 mJ,并实现了最高30 Hz的HF激光稳定输出.采用峰化电容及紫外自动预电离技术设计研制了放电激励重频HF激光器,研究了SF6气体放电特性和重频运行稳定性.研究发现SF6气体放电具有典型的辉光放电、电压维持和电弧放电三阶段特征.在充电电压为28 kV,总气压为12 kPa,C2H6含量为8%时,放电激励HF激光器最大脉冲能量约 600 mJ,比能量输出达到8.5J/1,激光器的电光转换效率约为2.5%.该激光器在1-50 Hz实现了重频输出,首脉冲能量>500 mJ,在10 Hz时稳定输出能量约为200 mJ,%The repetitive-pulsed non-chain HF lasers initiated by e-beams and fast discharges were studied respectively. The e-beam initiated HF laser characterized by an all-solid-state generator was developed. A large area repetitive uniform e-beam was obtained and the Faraday cup was used to diagnose the uniformity of e-beam into the laser gas cell. The output characteristics of the laser were studied and the maximal energy of 4.8 mJ was obtained with gas mixture C２ H6: SF6 =0.035. The e-beam initiated HF laser could operate at the repetition rate of 30 Hz. The discharge initiated non-chain HF laser was designed by using the technologies of peaking capacitor and UV pre-ionizing. The discharge characteristics and stability of SF6 gas inrepetition mode were studied. The results show that the discharge includes main discharge (volume discharge) and arc discharge, between which the voltage maintains and no evident discharge is visible. The maximal output energy of 600 mJ is achieved under the condition of 28 kV charging voltage and 12 kPa gas pressure with 8 ％ C2 H6. Specific output energy of 8.5 J/l and laser electrical efficiency of 2.5％ are obtained. In repetition mode, the laser can operate in the repetition rate from 1 Hz to 50 Hz. The first pulse energy is above 500 mJ, and the stable output energy of the laser at the repetition rate of 10 Hz is about 200 mJ.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2011(019)002【总页数】7页(P360-366)【关键词】非链式HF激光;重复频率;电激励;气体放电【作者】易爱平;刘晶儒;唐影;黄珂;黄欣;于力;马连英【作者单位】西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,陕西,西安,710024【正文语种】中文【中图分类】TN248.5脉冲HF激光波长为2.5～3.1μm,广泛地应用在激光雷达、激光光谱学、激光化学、生物化学和大气探测等领域。
HF激光依F原子的产生方式可分为链式和非链式两种。
与链式HF激光器相比,非链式化学反应所需的F原子来源于高能电子对含氟化合物价健的断裂,激光能量通过电能转换而来,因而电效率较低,最大约为10%左右。
非链式HF激光器发射脉冲峰值功率大,光束质量好,结构紧凑,便于小型化,无腐蚀和爆炸的危险,重复频率高,并且能长时间持续运转,因而在国际上受到了广泛的关注。
非链式HF激光可通过电子束激励和放电激励两种技术途径实现。
电子束激励重频非链式HF激光可实现大能量、高平均功率输出,但技术复杂,涉及重频开关、重频高压脉冲功率源、重频电子束产生及高效传输、气体循环及补给等技术,由于电子束产生及传输技术环节中阴极材料及压力膜寿命的限制,激光器重复频率不能太高,在功率较低时一般为百赫兹[1-2]。
研制放电激励重频非链式HF激光器相对来说技术要较为简单一些,由于可以省去电子束产生及传输环节,且所需脉冲电源输出的电压幅值也大大降低,激光器重复频率可达千赫兹[3]。
放电激励高重频HF激光器的关键在如何在强电负性气体(NF3、SF6等)中获得均匀稳定的体放电,以提高能量沉积效率和激光提取效率,此时通常需要采用紫外或X射线预电离技术。
另外,激光介质消耗及补给、基态 HF分子的排除、长寿命高压开关及放电电极研制等也是需要解决的关键技术。
近年来,国际上对非链式HF脉冲激光器开展了大量的理论和实验研究[3-9]。
由于高功率重频脉冲功率源的限制,很少见到有关电子束激励非链式HF激光器重频运行的报道,而采用放电激励方式开展非链式HF激光研究则取得了良好的进展。
目前,法国巴黎大学等离子体物理实验室cour等研制的重频HF激光器,运行频率超过10 H z,单脉冲能量大于20 J[6]。
美国HenriBrunet等人研制的放电激励HF 脉冲激光器,其重复频率已大于100 Hz,单次脉冲能量在10 J以上,平均功率为千瓦量级[7]。
英国国防研究与评估机构M.R Harris等人研制的闭环重频HF激光器运行频率超过1 kH z,但平均输出功率还较低,约10W左右[3]。
国内开展非链式HF激光研究较晚,中科院电子所2003年利用放电激励已获得了 HF激光输出,最大能量约3 J[10]。
西北核技术研究所2005年开始进行重频非链式HF激光的研究工作,2006年实现了电子束激励30 H z HF激光的重频输出。
2009年采用放电激励方式实现了50 H z HF激光输出,脉冲能量最高约0.6 J,目前正在进行提高重频和运行稳定性的研究。
本文主要介绍利用电子束和放电两种激励方式开展重复频率非链式HF激光的研究情况。
图1为利用SPG-200脉冲功率源激励HF激光的实验装置结构示意图,主要由SPG-200、二极管和激光气室3部分组成。
SPG-200是基于二极管断路开关(SOS)的全固态重复频率脉冲功率源,由晶闸管充电单元、磁脉冲压缩器及SOS等几部分组成。
其输出参数受负载影响较大,输出电压随负载增加而增加,输出电流随负载增加而减少,开路电压大于350 kV。
负载为50～400Ω时,输出电压为80～280 kV,输出电流为0.7～1.7 kA,输出脉宽(FWHM)为30～50 ns。
SPG-200脉冲功率源的具体参数及性能描述详见参考文献[11]。
真空二极管以天鹅绒作为阴极发射材料,阴极发射面积为290 mm ×20 mm,采用无阳极箔结构,栅网平面作为阳极面,阴阳极之间的距离(即A-C间隙)在0～49 mm 可调。
栅网平面上每隔1.5 mm开有一长30mm、宽20mm的矩形栅孔共14个。
采用Ti箔或Kapton膜作为压力膜用于隔离激光气室与二极管真空室,阴极发射的电子束通过压力膜进入激光气室,对激光介质进行均匀激励。
天鹅绒阴极的基座采用黄铜材料,基座长294 mm,宽24 mm,两头均为半径为12 mm的半圆,阴极和基座通过螺钉固定。
在制作天鹅绒阴极时,将天鹅绒平铺在阴极托上,用一铝制压框将绒布压紧,四周用螺钉固定,以保证绒布平整及其与阴极托的电接触,并防止天鹅绒向真空室四周放电。
激光气室采用箱体结构,箱体材料为硬铝,气室内部长352mm 、宽 70 mm、高82mm,电子束输出窗口为290mm×20m m,气室窗口的有效尺寸为36mm×50mm。
激光器谐振腔为98%的凹面反射镜和透过率为30%的输出镜组成的平凹腔,研究了在不同气压和不同气体混合比例条件下激光的输出特性。
图2为相应的激光输出能量随气压变化的规律曲线。
从中可以看出,在C2 H 6∶SF6=0.035,总气压为35 kPa时激光器输出能量最大约4.8 m J,所采用的几种比例的激光介质,随着总气压的升高,激光器输出能量先上升后下降,存在最佳工作气压(约为30～40 kPa)。
这是因为气压较低时,电子大部分穿过激光介质而被气室后壁吸收,沉积在激光介质中的电子束能量较少,电子束沉积效率低,导致激光输出能量较少。
随着气压的增加,电子束沉积效率升高,激光增益不断增强,激光输出能量增大。
当气压超过最佳值后,随着气压增加,尽管电子束能量大部分都沉积在激光介质中,但是由于电子在SF6气体中射程小,到达气室窗口远端的电子数目减少,致使激光介质增益极不均匀,激光提取效率降低,激光输出能量减少。