CN1118943A - 一种放电引发的脉冲氧碘化学激光器 - Google Patents

Abstract

一种放电引发的脉冲氧碘化学激光器，由O₂(¹△)化学发生器、冷井、碘化物供料装置，激光腔等部分组成，其中激光腔由硬质玻璃或石英玻璃等制成的放电管构成，放电管内同轴安装一对圆筒形电极与电容器串接，其间用火花隙隔离，并由电控系统操作，其特征在于激光管由2～300节放电管串接而成，电路并联，用一公用的火花隙开关将电容器与放电管隔开，要求其同步放电精度达毫微秒量级，光程总长为0.5～700M。本发明提供了一种化学能利用率及电效率更高的放电引发的脉冲氧碘化学激光器。

Description

一种放电引发的脉冲氧碘化学激光器

本发明涉及化学激光领域，特别提供了一种放电引发的氧碘化学激光器。

氧碘化学激光器是80年代以来国际上竟相研制的高科技项目，具有波长短、效率高、光束质量好等很多优点，并有很多潜在的应用，预期可开发为高能激光器。目前连续波氧碘化学激光器已较成熟，激光功率输出已达相当大规模(例如35kw)。但由于在某些需要高激光功率密度的重要应用场合，都以脉冲运转为最佳选择，非常需要脉冲运转的氧碘化学激光器，然而其研究更为复杂困难，至今进展缓慢。目前国际上只有光引发的，放电引发的和调Q式三种类型的脉冲氧碘化学激光器，其中放电引发最为简便、效率也较高，早期为本发明人所首创。见中国激光，Vol.15(8)455(1988)

众所周知，氧碘化学激光器主要依靠氧碘共振传能过程(1)产生激发态碘原子I^*(²P_1/2)，      (1) (波长1.315μm激光)(2)在激光腔内达到粒子数反转，再由(2)式出激光的。放电引发的脉冲氧碘化学激光器不同于一般的连续波氧碘化学激光器，也不同于光引发的脉冲氧碘化学激光器。在连续波氧碘化学激光器中使用碘分子I₂作为碘原子源。依靠碘分子与激发态氧O₂(¹Δ)发生自发的解离反应 从而获得基态碘原子I(²P_3/2)。然后按(1)(2)式出激光。但碘分子因能与O₂(¹Δ)自发反应，又有混合问题，不能事先均匀预混，因此不可能简单有效，而又快速稳定地实现脉冲运转。并且碘分子虽然能提供基态碘原子，但反过来碘分子对(1)式产生的激发态I^*(²P_1/2)产生强烈快速的猝灭作用，不利于粒子数反转，也不利于提高碘原子浓度，这是脉冲激光器所不希望的。光引发的脉冲氧碘化学激光器，则使用碘化物RI(例如CF₃I、CH₃I、C₃F₇I)作为碘原子源。碘化物对I^*(²P_1/2)猝灭慢得多了，事先又能与O₂(¹Δ)均匀混合，可进行有控制的脉冲运转，克服了上述使用碘分子的缺点。但它却是使用闪光灯发出的紫外光来引发得到碘原子I(²P_3/2)的，

然后同样按(1)(2)式进行出激光。这种光引发方法只能利用闪光灯发射的极少的紫外光，还受激光管壁材料的透明度的限制，光子能量分布又不集中，因此光引发的装置效率是很低的，引发装置的体积和重量也大而重，以及不易做到高重复频率脉冲运转等缺点。调Q式脉冲氧碘化学激光也因原则上的限制，其脉冲峰值功率不能高为其缺点。

放电引发脉冲氧碘化学激光器，虽然也同样使用碘化物代替碘分子，但它具备光引发的所有优点，也改进了光引发的所有缺点。它是在一定条件下，利用激光器内注入低能电子的办法，而低能电子对碘化物(CH3I)能更有效地发生非弹性碰撞，解离碘化物而获得碘原子，其过程如下：

其中CH₃I^*为CH₃I的预解离激发态。引发产生的碘原子，在激光腔内同样按(1)(2)式传能出脉冲激光。出了激光后的基态碘原子又继续参与(1)，发生链过程，直到链自终止。其次，这种放电引发方法是把低能电子直接射入激光增益区，不会像光那样受激光管壁材质透明度的影响，电子能量分布也较为集中。具报道，光引发脉冲氧碘化学激光化学能利用效率只有6％，电效率为0.016％，而放电引发的O₂(¹Δ)化学能利用率为12％，电效率为5.4％。

本发明的目的在于提供一种化学能利用率及电效率更高的放电引发的脉冲氧碘化学激光器。

本发明提供了一种放电引发的脉冲氧碘化学激光器，由O₂(¹Δ)化学发生器(1)、冷井(2)、碘化物供料装置(3)，激光腔等部分组成，其中激光腔由硬质玻璃或石英玻璃等制成的放电管(4)构成，放电管(4)内同轴安装一对圆筒形电极与电容器(6)串接，其间用火花隙(5)隔离，并由电控系统操作，其特征在于激光管由2～300节放电管(4)串接而成，电路并联，用一公用的火花隙开关(5)将电容器(6)与放电管(4)隔开，要求其同步放电精度达毫微秒量级，光程总长为0.5～700M。所注入的低能电子能量在1～5ev之间。进入激光腔的气体为O₂(¹Δ)、碘化物和缓冲气构成的混合气，其比例为：O₂(¹Δ)∶碘化物∶缓充气＝0.3～1∶0.5～1.5∶3～5。O₂(¹Δ)由Cl₂、H₂O₂和NaOH或KOH等碱液通过化学反应发生器所产生；碘化物为CH₃I、CF₃I、C₃F₇L、CH₂I₂等单碘烷烃、单碘氟代烃、多碘氟代烃；缓充气为N₂、Ar、He等隋性气体。

通过长期的研究，我们发现：

放电引发的脉冲氧碘化学激光器要获得成功，必须遵照如下关键要求：

1.在电负性较强的碘化物分子参与下，适当掺入缓充气体(如N₂、Ar、He)，但又不能过多，否则会影响激光功率，以同时充有O₂(¹Δ)：碘化物：缓冲气＝0.3～0.5～5；3～5为佳，电路的放电电容必须采用无感电容。电路的阻抗要小，电极表面光滑均匀。遵守这样条件才能实现快速均匀放电。

2.放电必须控制住注入激光器的电子能量，使之既能选择断裂CH₃I分子的C-I化学键，以取得氧碘传能过程所需要的碘原子，同时又要不破坏CH₃化学基团和O₂(¹Δ)的分子结构。否则放电将产生各种有害的分子碎片，会对上述的氧碘传能过程和出光产生不利影响，若电子能量控制不好，既使均匀放电也不会出光，通过很多次实验证明，出光所需要的低能电子能量平均1～5eV。

3.氧碘化学激光器又是一种低增益激光器，必须同时提高goL乘积(go为激光区的小讯号增益系数，L为增益区的长度)，才能使增益区内所含的贮能较快地被抽取转变为激光能。但在氧碘激光工作气压下，在较长的增益区内(大于0.5m)均匀放电是有一定困难的，无论对工作电压和空气绝缘都受到一定限制。虽然还可以采用横向放电(例如各种型面平板电极、尖端针状电极、片状电极)的办法来降低工作电压。但在上述增益区条件下，又会遇到在电负性较强的气体参与下大面积均匀放电的困难，必须还添加各种复杂的预电离技术(例如紫外预电离、X光预电离……)来克服均匀放电的困难性。但由于O₂(¹Δ)在放电区极易受碰撞被猝灭，因此必须注意到器壁材质、反应空间体积不能过大而又不能对O₂(¹Δ)有阻碍等严格要求下，才能完成这些预电离技术的安装。我们初步试验过，证明可以实现但又是个复杂的问题。当然在此种低增益激光器中，还可采用折叠式光路也是一个办法，但对激光腔反射境的反射率要求极高，否则在增益区中多次反射会使吸收损耗大于增益而无法实现振荡。若激光腔按此长增益光程方程式构成，则总增益光程应在0.5～700m之间。

本发明所提出的放电引发脉冲氧碘化学激光器就是基于上述几个关键要点重新设计的，其特点还要求并联电路和放电管，无论几何尺寸和电阻抗，必须精确对称。通过安装在放电管上的Rogowski线圈，测出放电管的电流波形，试验证实要达到出光必须精确同步到毫微秒量级，否则出不了激光。这是因为I^*(²P_1/2)在试验条件下寿命很短，只有2.4微秒，在增益区很长又是同轴光路的双节放电管内，必须做到高同步放电引发才能实现出激光。

试验结果每脉冲激光输出可达0.45J，O₂(¹Δ)化学能的利用效率高达34％，电效率为18％，而同样条件下，光引发脉冲氧碘化学激光器的化学能利用效率只有6％，电效率为0.016％。而早期报导的放电引发的O₂(¹Δ)化学能利用率为12％，电效率为5.4％。尤其本专利的放电引发的电效率比光引发高出1100倍。

下面结合附图通过实施例详述本发明。

附图1为高同步双节放电引发氧碘化学激光器示意图。

实施例

这种激光管由两节硬质玻璃制造的放电管(4)构成，内部同轴安装二对圆筒形铝电极，各自采用轴向放电形式。图上可看到二节放电管的放电电路，二者互以并联电路连接，有一公用的火花隙开关(5)将电容器(6)与放电管(4)隔开，并由电控系统同步操作。放电电压低于30KV。在激光管两端装有内腔结构的光学谐振腔。混合有缓充气体的O₂(¹Δ)气流，由O₂(¹Δ)发生器(以Cl₂、H₂O₂和碱液通过化学反应产生)经过于冰冷凝器除去水分杂质后，再与碘化物(例如CH₃I、CF₃I、C₃F₇I、CH₂I₂等单碘烷烃、单碘氟代烃、多碘烷烃、多碘氟代烃)混合，轴向流入激光管。电容器的电能通过火花隙开美瞬间并联加于两节放电管(4)的两对电极上，在电极之间形成均匀放电，所注入的电子使碘化物瞬间分解而获得大量碘原子，然后与放电管(4)内的O₂(¹Δ)，又瞬间发生(1)式传能，达到I^*(²P_1/2)的粒子数反转，在激光腔谐振条件下产生激射，直至其终止形成稳定的脉冲激光。

在以上设计的高同步双节放电引发脉冲氧碘化学激光器中(见图)，其鼓泡式O₂(¹Δ)发生器内，装有85％浓度的H₂O₂和分析纯的50％NaOH或KOH溶液的混合液使用工业纯的氯气，并以氮气作为缓充气体，N₂∶O₂(¹Δ)∶CH₃I＝3∶1∶1为佳。冷阱温度为于冰温度。所使用的碘化物为CH₃I，其纯度为98％以上。内腔式激光谐振腔之一为曲率半径10m的全反射镜，另一为波长1.315μm透过率为1％至4％的平面输出镜，腔长2m。放电管系硬质玻璃管制成，同轴安装二对铝电极。工作电压低于30KV，放电电容器为0.01μF无感电容器，系统压力用Datametrics570电容压力计测定。

Claims (5)

1.一种放电引发的脉冲氧碘化学激光器，由O₂(¹Δ)化学发生器(1)、冷井(2)、碘化物供料装置(3)，激光腔等部分组成，其中激光腔由硬质玻璃或石英玻璃等制成的放电管(4)构成，放电管(4)内同轴安装一对圆筒形电极与电容器(6)串接，其间用火花隙(5)隔离，并由电控系统操作，其特征在于激光管由2～300节放电管(4)串接而成，电路并联，用一公用的火花隙开关(5)将电容器(6)与放电管(4)隔开，要求其同步放电精度达毫微秒量级，光程总长为0.5～700M。

2.按权利要求1所述放电引发的脉冲氧碘化学激光器，其特征在于所注入的低能电子能量在1～5ev之间。

3.按权利要求1，2所述放电引发的脉冲氧碘化学激光器，其特征在于进入激光腔的气体为O₂(¹Δ)，碘化物和缓冲气构成的混合气，其比例为：O₂(¹Δ)∶碘化物∶缓充气＝0.3～1∶0.5～1.5∶3～5。

4.按权利要求1，2所述放电引发的脉冲氧碘化学激光器，放电引发的脉冲氧碘化学激光器，其特征在于O₂(¹Δ)由Cl₂、H₂O₂和NaOH或KOH等碱液通过化学反应发生器(1)所产生；碘化物为CH₃I、CF₃I、G₃F₇I、CH₂I₂等单碘烷烃、单碘氟代烃、多碘氟代烃；缓充气为N₂、Ar、He等隋性气体。

5.按权利要求3所述放电引发的脉冲氧碘化学激光器，放电引发的脉冲氧碘化学激光器，其特征在于O₂(¹Δ)由Cl₂、H₂O₂和NaOH或KOH等碱液通过化学反应发生器所产生；碘化物为CH₃I、CF₃I、C₃F₇L、CH₂I₂等单碘烷烃、单碘氟代烃、多碘氟代烃；缓充气为N₂、Ar、He等隋性气体。

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