CN106253045A - 脉冲碘激光设备 - Google Patents

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Abstract

所公开的发明涉及一种脉冲碘激光设备。该激光设备具有：闪光灯泵浦碘激光振荡器，其产生具有大于1微秒的全脉冲宽度的激光脉冲；以及COIL放大器。该激光设备可以具有控制器，该控制器通过输出阀V2的打开/关闭信号来控制包含在高压氯气罐中的氯气注入到单线态氧发生器中的时刻，以及控制包含在碘分子罐中的碘分子注入到COIL放大器的放大器腔室中的时刻。

Description

脉冲碘激光设备
技术领域
本发明涉及一种脉冲碘激光设备。
背景技术
关于从激发态碘原子I(2P3/2)发射1.315μm辐射的碘激光器，化学氧碘激光器称为COIL(Chemical Oxygen-Iodine Laser)。熟知该COIL能够在高功率CW(连续波)模式下操作。为了操作该COIL，从氯气与BHP溶液的化学反应生成单线态氧分子(O2(1Δg))。BHP溶液是过氧化氢溶液(H2O2)与氢氧化钾(KOH)溶液或氢氧化钠(NaOH)溶液的混合溶液。O2(1Δg)有时称为单线态氧。通过将生成的O2(1Δg)与碘分子混合，碘分子解离成碘原子。另外，激发态碘原子(I(2P3/2))通过O2(1Δg)向基本碘原子(I(2P1/2))的能量转移而产生。因此，COIL进行激光操作。Stephen C.Hurlick等人的“COIL技术在波音(Boeing)的发展”，SPIE会刊，第4631卷，第101-115页(2002年)、Masamori Endo的“COIL在日本的发展历史，1982-2002年”，SPIE会刊，第4631卷，第116-127页(2002年)、Edward A.Duff和Keith A.Truesdell的“化学氧碘激光(COIL)技术和发展”，SPIE会刊，第5414卷，第52-68页(2004年)以及Jarmila Kodymova的“COIL-化学氧碘激光器的发展和应用的进展”，SPIE会刊，第5958卷，595818(2005年)中描述了COIL。
大部分COIL在CW(连续波)模式下操作。存在与COIL具有相同振荡波长的另一种类型的碘激光器，该激光器使用烷基碘，诸如CF3I、C2F5I、n-C3F7I或i-C3F7I。从20世纪60年代以来，已经进行了对这种类型的碘激光器的广泛研究。利用来自氙闪光灯的紫外线脉冲辐射来照射该烷基。通过这么做，碘分子能够容易地解离成碘原子。由于碘原子处于激发态，因而激光振荡是可能的。这种类型的碘激光器称为闪光灯激发态碘激光器或光解离碘激光器。已知闪光灯激发态碘激光器能够产生巨脉冲。因此，为了实现惯性约束聚变(inertial confinement fusion，ICF)的目的，已经开发了大型激光系统。Klaus J.Witte、Ernst Fill、Günter Brederlow、Horst Baumhacker和R.Volk的“先进的碘激光器概念”，IEEE量子电子学期刊，第QE-17卷，第1809-1816页(1981年)对此进行了说明。
然而，为了使闪光灯泵浦碘激光器的规模较大，需要许多大的闪光灯。此外，需要大的脉冲电源。因此，激光设备变得复杂，从而设备的大型化成为一个问题。因此，已经开发了基于COIL的脉冲碘激光器，与闪光灯泵浦碘激光器的规模相比，使其规模较大能够更容易地实现。M.Endo、K.Shiroki和T.Uchiyama在“化学泵浦原子碘脉冲激光器”，应用物理学快报，第59卷，第891-892页(1991年)中对此进行了说明。而且，为了有效地激光振荡，已经研究了混合型系统。混合型系统使用烷基碘和单线态氧的混合物以及多个闪光灯。N.G.Basov、N.P.Vagin、P.G.Kryukov、D.Kh.Nurligareev、V.S.Pazyuk和N.N.Yuryshev的“脉冲化学氧碘激光器中作为碘原子供体的CH3I和n-C3F7I分子”，苏联量子电子学杂志，第14卷，第1275-1276(1984年)、N.N.Yuryshev的“脉冲COIL评论”，SPIE会刊，第1980卷，第181-185页(1992年)、Nikolai N.Yuryshev、Nikolai P.Vagin的“COIL的脉冲模式”，SPIE会刊，第4760卷，第515-525页(2002年)、Kenji Suzuki、Kozo Minoshima、Daichi Sugimoto、Kazuyoku Tei、Masamori Endo、Taro Uchiyama、Kenzo Nanri、Shuzaburo Takeda和TomooFujioka的“原子碘的瞬时生成辅助的高压脉冲COIL”，SPIE会刊，第4184卷，第124-127页(2001年)以及Masamori Endo、Kozo Minoshima、KoichiMurata、Oleg Vyskubenko、Kenzo Nanri、Shuzaburo Takeda和Tomoo Fujioka的“原子碘的瞬时生成辅助的高压脉冲COIL II”，SPIE会刊，第5120卷，第397-404页(2003年)对此进行了说明。
由于这些现有脉冲碘激光器的目的是实现ICF，脉冲宽度处于皮秒数量级，至多约10ns。虽然增加输出能量需要放大器，然而单通放大不能有效地提取输出能量。因此，已对多通放大进行了研究，其中输入光束在同一个放大器中进行了多次传播。Zhuang Qi、Feng Hao、Wang Chengdong、ShaGuohe、Zhang Cunhao的“脉冲化学氧碘激光器的放大器模型”，SPIE会刊，第1980卷，第198-201页(1992年)、Zhuang Qi、Feng Hao、WangChengdong、Sha Guohe、Zhang Cunhao的“脉冲化学氧碘激光器的放大器模型”，SPIE会刊，第1810卷，第501-504页(1992年)以及M.Endo、K.KodamaY.Handa和T.Uchiyama的“大型化学泵浦脉冲碘激光放大器的理论研究”，SPIE会刊，第1810卷，第532-535页(1992年)对碘激光放大器的多通放大进行了说明。
发明内容
然而，现有脉冲碘激光器的脉冲宽度相当短。因此，激光束由于其高峰值功率在空气中产生等离子体。一旦产生了等离子体，激光束就不能更远地传播了。因此，现有脉冲碘激光器难以在空气中长距离传播。
本发明的发明人阐明了优选使用超过10微秒的脉冲宽度，以在空气中长距离传播。这样做的原因如下。如果激光束在10-30km远的目标处聚焦，激光束的聚焦尺寸在目标处为大约10cm2，即使激光束具有良好的束质量。为了在厚度为2mm面积为10cm2的铝片中打出一个洞，需要70kJ的能量。这一激光能量等于该尺寸的孔所对应的铝片体积的蒸发能量。同时，要考虑的是为了抑制空气等离子体的产生，激光的峰值功率密度需要小于大约1MW/cm2。因此，激光束的脉冲宽度需要超过7微秒。
用于放大具有微秒级脉冲宽度的碘激光的碘激光放大器在以前还未得到充分的研究。这是因为现有大能量脉冲碘激光器是为了实现ICF的目的而得以研究，其脉冲宽度认为至多为10ns。因此，尚未阐明何为放大具有微秒级脉冲宽度的碘激光的有效碘放大器。此外，也未阐明现有多通放大是否能有效放大长脉冲激光。而且，在COIL的情况下，以前几乎没有进行过有关脉冲操作本身的研究。虽然M.Endo、K.Shiroki和T.Uchiyama的“化学泵浦原子碘脉冲激光器”，应用物理学快报，第59卷，第891-892页(1991年)描述了脉冲COIL，然而其是振荡器。因此，以前没有研究过用于具有长脉冲的碘激光的脉冲COIL放大器。
本发明的目的是实现一种有效的脉冲碘激光器。
根据本发明的一个方案的脉冲碘激光器包括：闪光灯泵浦碘激光振荡器，产生具有1微秒或更大的全脉冲宽度的激光脉冲；以及碘激光放大器，采用单线态氧发生器(singlet oxygen generoator，SOG)，并放大所述激光脉冲。
上文提到的放大器可以采用含有氯气的气罐和含有碘分子的气罐。而且，该放大器可以采用控制器来控制闪光灯辐射的发射时刻、氯气注入到单线态氧发生器中的时刻以及碘分子注入到碘激光放大器的腔室中的时刻。
上文提到的碘分子注入到该腔室中的时刻相对于氯气注入到SOG中的时刻可以有延迟。
可以基于来自充满碘激光放大器的腔室的单线态氧的自发发射的强度来控制上文提到的碘分子注入到腔室中的时刻。
可以基于充满碘激光放大器的腔室的氧的压力来控制上文提到的碘分子注入到腔室中的时刻。
该放大器中的激光脉冲的横截面随着在腔室中的传播距离的增大而增大。
根据另一个实施例的脉冲碘激光设备包括：碘激光振荡器，具有单线态氧发生器；碘激光放大器，具有单线态氧发生器并放大来自碘激光振荡器的脉冲激光；以及控制器，控制碘分子注入到碘激光振荡器的腔室中的时刻和碘分子注入到碘激光放大器的腔室中的时刻。
通过下文给出的详细说明和仅通过举例方式给出的附图，本发明的上述和其他目的、特征和优点将得到更加充分的理解，因而不应视为限制本发明。
附图说明
图1为示出作为延迟1(延迟1)的函数的放大能量密度的模拟结果的图表；
图2为示出作为延迟2(延迟2)的函数的放大效率的模拟结果的图表；
图3为示出作为时间的函数的单线态氧的产率的模拟结果的图表；
图4为示出作为输入光束能量密度的函数的放大增益的模拟结果的图表；
图5为根据实施例1的脉冲碘激光器100的示意图；
图6为脉冲碘激光器100的COIL放大器20的示意图；
图7为放大器的示意图；
图8为放大器的示意图；
图9为放大器的示意图；
图10为示出作为输入光束能量的函数的放大能量的模拟结果的图表；
图11为COIL放大器200的示意图；以及
图12为根据实施例2的脉冲碘激光器300的示意图。
具体实施方式
为了实现上述目的，首先模拟了脉冲COIL放大器，其类似于M.Endo、K.Shiroki和T.Uchiyama的“化学泵浦原子碘脉冲激光器”(应用物理学快报，第59卷，第891-892页(1991年))中示出的COIL。本模拟基于以V.N.Azyazov、S.Yu.Pichugin、M.C.Heaven的“COIL活性介质的简化动力学模型”(SPIE会刊，第7915卷，791505(2011年))中示出的化学反应为考虑的速率方程。由于这些反应包括碘分子解离，考虑用该模拟来很好地模拟实验。增益和压力增宽系数的计算参考David L.Carroll的“利用基因算法的化学激光建模”，AIAA期刊，第34卷，第338-346页(1996年)。该模拟将单向划分模型用于沿光轴的放大器。
模拟条件如下。
氯气流速：100mol/s/m3
碘分子流速：10mol/s/m3
氦气流速：100mol/s/m3
输入光束时域剖面：正弦(正侧半周期)
全脉冲宽度：100微秒
输入光束强度：1.0J/cm2
放大长度：10m
时分：10ps
空间划分：10cm
用于将碘分子注入到放大器中的缓冲气体假定为氦。氦气流速假定为比碘分子的流速大10倍。放大器的放大长度假定为10m。在上述条件下，计算利用100微秒的全脉冲宽度放大输入光束的放大。然而，计算结果表明输入光束几乎不被放大。
因此，对模拟编码进行改善。具体地，模拟考虑到注入碘分子的时间与单线态氧注入到放大器中的开始时间相比有点延迟。在模拟中，这一延迟时间(定义为延迟1)从0秒逐渐增加。在每一个延迟时间，输入光束与注入碘分子的开始时间延迟地被编程为入射到放大器。输入光束的这一延迟时间定义为延迟2。利用不同的延迟1和延迟2来计算定义为从输出能量减去输入光束能量计算得出的能量的放大能量。图1示出了模拟结果。虽然图表中示出了放大光束的能量密度，然而将其简单称为放大能量。该图表表明大约15微秒的延迟1和大约0.3微秒的延迟2给出了高放大能量。该图表清楚地示出如果单线态氧和碘分子在延迟1为0秒的相同时间开始注入，则输入光束几乎不被放大。
在现有闪光灯泵浦碘放大器中，人们认为多通放大是有效提取能量所必需的。为了通过模拟确认这一点，用输入光束脉冲宽度这一参数来模拟COIL放大器。计算延迟1固定为15ms时与延迟2呈函数的提取效率。图2所示的结果表明放大效率随着脉冲宽度缩短而降低。因此，阐明了通过单通有效放大输入光束需要大于1微秒。由于根据实施例的脉冲碘激光设备使用大约100微秒的脉冲宽度，经确认现有放大器中使用的多通放大器是不必要的。
顺便提及，放大效率η为以下等式(1)定义的值。
即，放大效率η是输出光束的放大能量与注入到放大器中的单线态氧总的能量之比。L是放大器长度(单位：m)，K是常数37.8(单位：J/m3)。等式(1)中的值0.80是单线态氧在总氧量中的产率，其假定为80％。
为了研究得到最佳延迟1的原因，进行了另一个模拟。具体地，计算单线态氧的产率而不将光束输入到放大器中。即，单线态氧分子的分压与氧分子的总压之比计算为单线态氧的产率。图3的图表中示出了计算结果。延迟1的三个不同的延迟看作为参数。该图表清楚地示出单线态氧的产率在碘分子的注入开始之后立即迅速降低。即，可以认为，由于单线态氧的能量用于解离碘分子，因而单线态氧在碘分子注入之后迅速降低。
通过碘分子的解离，生成了激发态碘原子。但由于激发态碘原子的寿命短暂，这些原子很快去活(deactivated)。这意味着为了有效地放大，输入光束应该在生成激发态碘原子之后立即入射到放大器。同时，碘原子密度随着单线态氧压力变高而变高。因此，为了提高放大效率，优选的是，放大器充满高压单线态氧。因而，当在单线态氧的压力达到预定水平之后注入碘分子时，则认为能够使放大能量较高。
这并不表示延迟1变得越长，放大能量就变得越高。单线态氧的分压随着延迟1变长而增加。因此，在高单线态氧压力条件下，由于单线态氧的碰撞和/或其它气体分子的碰撞引起的单线态氧失活的概率增加。因而，延迟1具有上限，并且存在使放大能量最大化的最佳延迟1。因此，应在充满放大器的单线态氧的密度达到其最大值时注入碘分子，通过监测密度确定达到该最大值。
监测密度的一种方法是在放大器的腔室安装小窗，并靠近窗安装光电二极管(PD)。然后，PD能够监测来自单线态氧的1.27μm波长的自发发射。在这种情况下，应在发射强度的增加率变得低于预定值时开始碘分子的注入。
监测密度的另一种方法是监测充满腔室的氧分子的总量的压力。在这种情况下，应在总氧压力达到预定水平时开始碘分子的注入。压力计不仅监测单线态氧的分压，而且还监测氧的总压。但是，由于能够通过一些实验来确定单线态氧的时间相关产率，因而能够通过监测氧的总压来确定单线态氧的分压。
输入光束应当以应长于0秒的延迟2入射到放大器。需要为放大器填充预定数量的碘分子。虽然最佳延迟2取决于碘分子的流速，然而其至少长于0秒。在以10mol/s/m3注入碘分子的情况下，可取的是0.1-0.5ms的延迟2。通过后文说明的模拟结果来阐明这一可取性。由于延迟2与流速成反比，因而可取的是1/M至5/M的延迟2(ms)，其中M是碘分子流速(mol/s/m3)。顺便提及，本发明中所述的延迟1和延迟2基于每一种气体进入放大器的实际时刻，它们不包括其它延迟时间，诸如控制器和/或信号电缆产生的延迟时间。
如上所述，模拟结果示明了以下几点。在大于1微秒的长脉冲宽度的情况下，不需要多通放大。当基于单线态氧的注入时间时，需要恰当延迟将碘分子注入到放大器中的开始时间和输入光束入射到放大器的时间。为了实现这一点，需要精确控制振荡器的振荡时刻。
这就是根据实施例的激光设备采用闪光灯泵浦碘激光器作为振荡器的原因。其振荡时间与闪光灯辐射之间具有固定延迟时间。能够通过使闪光灯闪光的电路的触发器来精确控制闪光灯辐射时刻。M.Endo、K.Shiroki和T.Uchiyama的“化学泵浦原子碘脉冲激光器”，应用物理学快报，第59卷，第891-892页(1991年)描述了基于单线态氧的瞬时生成的脉冲COIL。然而，由于根据实施例的激光设备采用闪光灯泵浦碘激光器，因而与COIL相比，能够更加精确地控制振荡时刻。
如上所述，本实施例的脉冲碘激光器采用闪光灯泵浦碘激光器作为其振荡器。因此，通过与使用COIL的方法不同的方法生成激发态碘原子。然而，由于两种激光器都振荡或放大从激发态碘原子发射的1.315μm波长的辐射，因而不需要在振荡器调整振荡波长，这是实施例的特征之一。然而，如果采用波长可调整的红外固态激光器为振荡器，则需要波长选择器和波长稳定器以将振荡波长调整处于精确的1.315μm。
图4示出了上文描述的选择最佳时刻的情况下的模拟结果。虽然使用了最佳时刻，然而放大效率不会很高。通过模拟，发现最大效率为大约30％。由于增益和放大效率互相冲突，因而获得高放大效率需要高输入能量，尽管增益低。从振荡器获得高输入能量是困难的。因此，需要多级放大器。
因此，在实施例中，光束横截面轮廓能够成形为以实现高增益和高放大效率。具体而言，入射到放大器中的光束随着其在放大器中传播可以具有逐渐增大的横截面。因此，入射光束的光束横截面可以在其进入放大器之前成形。这使得靠近放大器的输入侧的光束横截面减小。从而，即使输入光束能量小，由于靠近输入侧的光束强度能够较高，因而有效的放大是可能的。
虽然在放大器中增大光束横截面的这种技术能够容易地应用于光泵浦激光器，诸如染料激光器和固态激光器，然而难以将其应用于光束横截面高达1m2的大型气体激光器，除COIL之外。原因解释如下。
众所周知，高功率气体激光器(诸如CO2激光器和准分子激光器)能够使用大的放大器。由于这些激光器能够通过放电泵浦进行操作，它们的每一个放大器的横截面应是固定的以在放大介质中实现均匀放电。另一方面，在COIL的情况下，放大器仅填充有单线态氧和碘分子作为激光介质。因此，放大器能够具有任何几何形状。因而，能够容易地增大放大器沿着光轴的横截面。因此，可以在放大器的横截面上叠加具有增大的横截面的输入光束。
参考附图说明本发明的示例性实施例。下文说明的示例性实施例仅是本发明的实施例，并且本发明不限于这些示例性实施例。请注意，说明书和附图中相同的附图标记表示相同的部件。
第一实施例
在下文中，参考图5描述本发明的第一实施例。图5为根据第一实施例的脉冲碘激光器100的示意图。脉冲碘激光器100是MOPA(主振荡器和功率放大器)系统。闪光灯泵浦碘激光振荡器10是主振荡器，而COIL放大器20是功率放大器。
从闪光灯泵浦碘激光振荡器10提取的激光束L0传播通过两个凸透镜18a和18b。凸透镜18a和18b放大激光L0的光束直径(称为激光L1)。激光L1进入COIL放大器20的放大器腔室101。然后，从COIL放大器20提取经放大的激光L2。
在闪光灯泵浦碘激光振荡器10中，n-C3F7I蒸汽作为碘化合物填充在由透明石英玻璃制成的激光管11中。激光管11采用全反射镜12和输出反射镜13。两个氙闪光灯14a和14b靠近激光管11布置。氙闪光灯14a具有连接到电源16的电力电缆15a1和15a2。氙闪光灯14b具有连接到电源16的电力电缆15b1和15b2。
当触发信号S4输入到电源16时，大的脉冲电流流过电力电缆15a1、15a2、15b1和15b2。然后，氙闪光灯14a和14b闪光。触发信号S4从控制闪光灯泵浦碘激光振荡器10和COIL放大器20的控制器108供应而来。
COIL放大器20具有放大器腔室101、SOG 102、高压氯气罐104和碘分子罐106(还参见图6)。放大器腔室101填充有放大介质。如图6所示，SOG 102位于放大器腔室101下方。高压氯气罐104将氯气供应到SOG 102。具体地，供给管105将高压氯气罐104连接到SOG 102。供给管105装配有电磁阀。安装在供给管105中的所有这些电磁阀称为阀V2。通过来自控制器108的打开/关闭信号S2来控制阀V2的打开或关闭。
放大器腔室101通过供给管107连接到碘分子罐106。因此，碘分子罐106能够经由供给管107将碘分子注入到放大器腔室101中。每一个供给管107具有电磁阀。安装在供给管107中的所有电磁阀称为阀V3。通过来自控制器108的打开/关闭信号S3来控制阀V3的打开或关闭。
COIL放大器20还具有使空气能够在激光操作之前泵出放大器腔室101的排气管103。因此，排气管103连接到真空泵(未示出)。排气管103具有阀V1。通过来自控制器108的打开/关闭信号S1来控制阀V1的打开或关闭操作。在激光操作之前，通过打开阀V1从COIL放大器20进行泵出。在从COIL放大器20进行泵出之后，关闭阀V1。然后，打开阀V2，并将氯气从高压氯气罐104注入到SOG 102中。因而，在SOG 102中生成单线态氧，并且放大器腔室101充满单线态氧。
小的石英窗109附接到放大器腔室101一侧。PD(光电二极管)110靠近石英窗109安装。PD 110能够监测从放大器腔室101中的单线态氧产生的1.27μm波长的自发辐射的强度。PD 110将与辐射强度对应的监测信号S5输出到控制器108。控制器108输出控制阀V1-V3的打开/关闭时刻的打开/关闭信号S1-S3。控制器108将触发信号S4输出到电源16以控制电源16的操作时刻。
来自PD 110的监测信号S5的强度首先线性增加。然后，强度的增加率逐渐减小，并且强度饱和。这样做的原因如下。如果放大器腔室101中的单线态氧的压力变得过高，单线态氧之间的碰撞失活化增加。这表示充满放大器腔室101的单线态氧的量具有限制。
因此，在本实施例中，计算监测信号S5的强度的变化率。并且当变化率变得低于预定值时，开始碘分子的注入。具体地，当变化率变得低于阈值时，控制器108将打开/关闭信号S3输出到阀V3以打开阀V3。因此，控制器108根据监测信号S5控制阀V3。
如上所述，在本实施例中，PD 110监测来自充满放大器腔室101的单线态氧的自发发射的强度。并且控制器108根据自发发射的强度控制打开/关闭信号S3的时刻。或者控制器108能够根据放大器腔室101的压力控制打开/关闭信号S3的时刻。
根据压力打开或关闭的阀V1的控制机制描述如下。放大器腔室101配备有压力计111。压力计111监测充满放大器腔室101的总氧的压力。然后，压力计111将监测信号S6输出到控制器108。控制器108根据监测信号S6输出打开/关闭信号S3。具体地，控制器108在压力达到预定值的时刻控制阀V3。
参考图6进一步描述COIL放大器20。图6为与光轴垂直的COIL放大器20的横截面示意图。COIL放大器20具有放大器腔室101。SOG 102位于放大器腔室101下方。供给管105将高压氯气罐104连接到SOG 102。氯气从高压氯气罐104供应到SOG 102。从而，COIL放大器20执行激光操作。
放大器腔室101和碘分子罐106经由供给管107连接。碘分子罐106填充有碘分子和氦作为缓冲气体。通过打开供给管107处的阀V3，碘分子和氦注入到放大器腔室101中。激光L1紧接在打开阀V2和阀V3之后进入放大器腔室101。多孔管式SOG能够用于SOG 102，多孔管式SOG在K.Takehisa、N.Shimizu和T.Uchiyama的“使用多孔管的单线态氧发生器”中进行了描述，应用物理杂志，第61卷，第68-73页(1987年)。或者，转盘式SOG能够用于SOG 102，转盘式SOG在Wolfgang O.Schall、I.Plock、K.Grünewald、J.Handke的“转盘发生器的流体力学方案”中进行了描述，SPIE会刊，第3574卷，第265-272页(1998年)。
激光L1的全脉冲宽度为100微秒。在激光L1进入COIL放大器20之前，阀V2打开。具体地，在激光进入COIL放大器20前15.3毫秒，通过来自控制器108的打开/关闭信号S2打开阀V2。从而，氯气经由供给管105从高压氯气罐104注入到SOG 102中。然后，生成单线态氧(O2(1Δg))，并且放大器腔室101充满单线态氧。SOG 102中的单线态氧的产率为80％。
紧接在打开阀V2之后，通过来自控制器108的打开/关闭信号S3打开阀V3。在打开阀V2之后15.0毫秒打开阀V3。这表示延迟1为15.0毫秒。在此刻，碘分子和氦经由供给管107注入到放大器腔室101中。然后，放大器腔室101充满碘分子和氦，并且它们与单线态氧进行混合。在开始向放大器腔室101中注入碘分子之后，激光L1进入放大器腔室101。具体地，激光L1在注入碘分子之后0.3毫秒进入放大器腔室101。这表示延迟2为0.3毫秒。从而，激光L1得到有效放大，如图2所示。
使用图7-9描述本发明的脉冲COIL放大器20的另一个实施例，其中单级放大器能够提供高增益和高放大效率，而无需使用复杂的多级放大器。图7至图9为放大器介质的形状的立体图。
在本实施例中，入射激光L1的光束横截面在放大器中逐渐增大。图7示出现有放大器来进行比较。具体地，现有放大器具有长方体形状(0类)以使平行光束可以入射到此。图8示出I类的形状，图9示出II类的形状。在I类放大器中，入射激光的光束横截面沿单个方向(宽度方向)增大。然而，在II类放大器中，光束横截面沿两个方向(宽度方向和高度方向)增大。模拟三种不同形状的放大性能。
模拟的共同条件如下。出射光束横截面为1m2。放大器体积为10m3。计算与输入光束能量呈函数的放大能量。关于I类和II类，定义为放大器的输出侧光束横截面(S输出)除以放大器的输入侧光束横截面(S输入)的值的光束横截面比作为参数改变。图10示出了模拟结果。图10清楚地表明不论输入光束能量如何，I类和II类提供的放大能量比0类的大得多。图10还清楚地表明II类提供的放大能量比I类大。
然而，为了使I类和II类与0类具有相同的放大器体积，放大器的长度必须延长。因此，参考图11描述使放大器的长度减少的I类和II类放大器的另一个实施例。图11为COIL放大器200的示意图。图11为从上往下看的COIL放大器200的示意性截面图。
在COIL放大器200中，激光L21进入放大器腔室201中。激光L21首先通过凸透镜210，并进行聚焦。聚焦的激光L21在边缘反射镜(edgemirror)211处被反射，并且经由窗212a进入COIL放大器200。窗212a由石英玻璃板制成，在其两面具有防反射涂层。石英玻璃板与光轴垂直布置。或者如果激光L21线性偏振，则布儒斯特窗(Brewster window)能够用作窗212a。
入射到放大器腔室201的激光L22的光束横截面逐渐增大。激光L22经由窗212b从放大器腔室201出射一次。出射的激光L22称为激光L23。激光L23在弯曲反射镜213a和213b处被反射，从而沿与初始方向相反的方向传播。在弯曲反射镜213b处反射的激光称为激光L24。激光L24经由窗212b再次进入放大器腔室201。再次进入放大器腔室201的激光称为激光L25。激光L25从窗212a出射。从窗212a出射的激光称为激光L26。激光L26穿过大凸透镜214，并成形为称为激光L27的平行光束。
在本实施例中，显著特征是使用两个弯曲反射镜213a和213b，以沿与初始方向相反的方向反射激光束。这与现有的多通放大器不同，其中单个反射镜用于将光束弯曲180度。然而，在本实施例中，两个弯曲反射镜213a和213b用于将光束弯曲180度，从而不在放大器腔室201中将激光L25叠加在激光L22上。
这样做的原因解释如下。在纳秒脉冲的现有碘激光放大器中，单通放大不能有效地提取放大器能量。因此，脉冲激光需要通过放大器很多次。这表示如果光束路径彼此叠加，则放大效率不会受到影响。然而，本实施例的脉冲COIL放大器的输入光束具有长脉冲宽度。因此，单通放大能够有效地提取放大器能量。因此，放大器中的两个光束彼此不叠加。
根据本实施例，放大器腔室201的无效空间(dead space)可能小，该无效空间定义为不传播入射光束的放大器介质。此外，与图8和图9所示的形状相比，放大器长度能减半。脉冲COIL放大器200也可以类似图5所示的COIL放大器20一样被使用。
根据本实施例，有效脉冲碘激光设备能够实现大于1微秒的长脉冲宽度。具体而言，使用不需要大的脉冲电源的COIL，能够实现有效的高能碘放大器。
第二实施例
在下文中，基于图12描述本发明的脉冲碘激光器的第二实施例。图12为脉冲碘激光器300的示意图。脉冲碘激光器300是包括COIL的MOPA系统。脉冲碘激光器300具有振荡器310和COIL放大器320。第二实施例与第一实施例之间的一个不同是将COIL用作振荡器310。因此，COIL振荡器310和COIL放大器320的配置与COIL放大器20的几乎相同。例如，COIL振荡器310和COIL放大器320的横截面配置与图6所示的相同。
在COIL振荡器310中，振荡器腔室311供应有单线态氧和碘分子。输出反射镜313附接至振荡器311的一端，全反射镜314附接至振荡器腔室311的另一端。激光器腔体包括输出反射镜313和全反射镜314。激光L30从输出反射镜313提取。激光L30穿过包括两个凸透镜318和319的光束扩展器。然后，激光L30的光束直径增大，并且其称为激光L31。激光L31进入COIL放大器320的放大器腔室321。然后，从放大器腔室321提取经放大的激光L32。
为了在COIL振荡器310的SOG处生成单线态氧，氯气以与COIL放大器20的情况相同的方式供应给振荡器腔室311。具体而言，氯气从高压氯气罐315供应到位于振荡器腔室311下方的SOG(图12未示出)。位于高压氯气罐315与SOG之间的供给管配备有阀35。阀35控制氯气的流动。
碘分子罐316填充有碘分子和缓冲气体。如上文描述的实施例，氦气用作缓冲气体。碘分子和缓冲气体从碘分子罐316注入到振荡器腔室311中。阀36控制碘分子和缓冲气体的流动。
COIL放大器320配备有填充有放大器介质的放大器腔室321。氯气从高压氯气罐325供应到位于振荡器腔室321下方的SOG(图12未示出)。位于高压氯气罐325与SOG之间的供给管配备有阀33。阀33控制氯气的流动。由于COIL振荡器310和COIL放大器320具有与图6所示的配置相同的配置，因而省略详细说明。
如同碘分子罐316，碘分子罐326填充有碘分子和缓冲气体，如同碘分子罐316的情况。碘分子和缓冲气体注入到放大器腔室321中。供应碘分子和缓冲气体的供给管配备有阀37。阀37控制碘分子和缓冲气体的流动。
真空泵(未示出)经由阀32连接到振荡器腔室311。而且，真空泵(未示出)经由阀31连接到振荡器腔室321。为了操作脉冲碘激光器300，预先打开阀31和阀32。因此，使振荡器腔室311和放大器腔室321真空。分别通过来自控制器330的打开/关闭信号S31和S32来控制阀31和阀32。在从振荡器腔室311和放大器腔室321进行泵出之后，控制器330关闭阀31和阀32。
然后，单线态氧供应到COIL放大器320的放大器腔室321中。为了做到这一点，通过来自控制器330的打开/关闭信号S33打开阀33。紧接在打开阀33之后，单线态氧供应到COIL振荡器310的振荡器腔室311中。为了做到这一点，通过来自控制器330的打开/关闭信号S35打开阀35。
压力计323附接至放大器腔室321。压力计323监测充满放大器腔室321的总氧的压力。压力计323将监测信号S34输出到控制器330。控制器330基于监视信号S34控制COIL振荡器310的阀V36。具体地，当充满放大器腔室321的总氧的压力增加到预定值时，控制器输出打开/关闭信号S36。然后，通过信号S36打开阀V36。因此，当氧压达到预定值时，控制器330打开阀V36。通过打开阀V36，碘分子和缓冲气体注入到COIL振荡器310的振荡器腔室311中。紧接在注入碘分子和缓冲气体之后，从输出反射镜313提取激光L30。
控制器330几乎在输出打开/关闭信号S36的同时将打开/关闭信号S37输出到阀V37。阀V37通过信号S37打开。然后，碘分子和缓冲气体注入到COIL放大器320的放大器腔室321中。然后，在放大器腔室321中生成碘原子。这实现了放大。紧接在生成碘原子之后，激光L31进入COIL放大器320中。COIL放大器320能够放大激光L31。经COIL放大器320放大的激光L31变为激光L32。
如上所述，脉冲COIL 300的本实施例的特征是COIL用于振荡器以及放大器。这通过在最佳时刻从控制器330输出打开/关闭信号S31-S33和S35-S37实现。具体地，控制器330能够精确地控制注入单线态氧的时刻，以及碘分子和缓冲气体注入振荡器和放大器的时刻。在本实施例中，根据填充在放大器腔室321中的总氧的压力来控制阀V31-V33和V35-V37。对于这些阀V31-V33和V35-V37，能够使用电磁阀。
虽然已经参考其示例性实施例示出并描述了本发明，然而本发明包括不会对本发明的目的和利益产生不利影响的各种修改，并且不限于这些示例性实施例。例如，如果放大器包括两级，则闪光灯泵浦碘激光器能够用于第一级，而COIL放大器用于第二级。
根据本发明，由于脉冲激光能够传播长距离，因而它能够在金属目标上穿出洞。因此，脉冲激光能够从很远的距离击落一枚导弹。
虽然已经参考其示例性实施例示出并描述了本发明，然而本发明包括不会对本发明的目的和利益产生不利影响的各种修改，并且不限于这些示例性实施例。通过如此描述的发明，明显的是本发明的实施例可以以许多方式变化。这些变化不视为脱离本发明的精神和范围，并且对于本领域技术人员显而易见的所有这些修改将包含在以下权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种脉冲碘激光设备，包括：
闪光灯泵浦碘激光振荡器，产生具有1微秒或更大的全脉冲宽度的激光脉冲；以及
碘激光放大器，采用单线态氧发生器，并放大所述激光脉冲。
2.根据权利要求1所述的脉冲碘激光设备，其中所述碘激光放大器具有包含氯气的气罐、包含碘分子的气罐以及控制所述氯气注入到所述单线态氧发生器中的时刻以及所述碘分子注入到所述碘激光放大器的腔室中的时刻的控制器。
3.根据权利要求2所述的脉冲碘激光设备，其中所述碘分子注入到所述腔室中的所述时刻滞后于所述氯气注入到所述单线态氧发生器中的所述时刻。
4.根据权利要求2所述的脉冲碘激光设备，其中基于来自充满所述碘激光放大器的所述腔室的单线态氧的自发发射的强度来控制所述碘分子注入到所述腔室中的所述时刻。
5.根据权利要求2所述的脉冲碘激光设备，其中基于充满所述腔室的氧的压力来控制所述碘分子注入到所述腔室中的所述时刻。
6.根据权利要求1所述的脉冲碘激光设备，其中所述碘激光放大器中的所述激光脉冲的横截面随着在所述腔室中的传播距离的增大而增大。
7.一种脉冲碘激光设备，包括：
碘激光振荡器，具有单线态氧发生器；
碘激光放大器，具有单线态氧发生器并放大来自所述碘激光振荡器的脉冲激光；以及
控制器，控制碘分子注入到所述碘激光振荡器的腔室中的时刻和所述碘分子注入到所述碘激光放大器的腔室中的时刻。
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