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1、第11卷 第3期强激光与粒子束Vol.11,No.31999年6月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJun.,1999文章编号:1001-4322(1999)03-0267-05XCOIL运行参量对激光器性能的影响陈云山,李守先,刘广华,张本爱(北京应用物理与计算数学研究所,北京8009信箱,100088) 摘 要 基于物理近似模型和以Navier-Stokes方程求解为中心的数值计算,研究了氧碘化学激光器(COIL)激光性能随一些相关运行参量的变化规律,这些结果将对器件运行条件的选取和实验分析有一定的参考价值。 关键词:COIL;运行
2、参量;激光器性能 中图分类号:O242.1;O354.3;TN248.5文献标识码:A 超音速氧碘化学激光器(COIL)是当前发展很快且很有应用前景的一种高功率、高效能化学激光器。它利用氯气(Cl2)通过过氧化氢的碱性溶液时发生化学反应,高产额地生成亚稳电11子单态氧分子O2($)气体;O2($)同碘蒸汽混合后,通过拉伐尔管,混合气体由亚音速加速到21超音速;在此过程中,碘分子(I2)受氧气流作用被分解成碘原子I(P3ö2),I再同O2($)碰撞发32生电子态共振传能产生激发态的碘原子I(P1ö2),到达光腔后实现粒子数反转和激射,产生近红外(波长K=1.315
3、Lm)的激光输出。在选定阵列喷管之后,COIL装置的激光性能(激光增益和饱和输出功率等)受多种运行参量的制约,如气流到达光腔后氧碘的混合状态、各气体组元的流量比、腔温、腔压及水分含量等都对激光器性能有重要的影响。 本文针对选定的阵列喷管的实验装置(简记为“装置A”),认为氧碘气流在拉伐尔喷管的[1]1喉部已混合均匀,利用自编的COIL-2.5D程序计算了主要运行参量(输入O2($)发生器1的Cl2流量、HeöCl2和I2öO2($)等)的变化对激光器性能的影响,并将所得结果与国外可参考[1]的数据做了比较。采用的基本理论模型是:把气体动力学、化学反应动力学和激光物
4、理学有机地结合起来,气体动力学由Navier2Stokes方程描述,混合气体由计及化学反应、扩散效应和激射效应的各组元质量守恒方程描述,激射光强的演化方程由不变频近似下沿光轴方向平均增益因子法处理。根据COIL的实际情况考虑了所涉及到的十种介质组分和相应的32个化学反应;在“二维半”几何近似下,利用时间相关法求解主控方程。11 输入O2($)发生器的Cl2流量的变化对激光器性能的影响1 在维持阵列喷管出口截面面积不变的情况下,改变输入O2($)发生器(以下简记SOG)的Cl2流量W0,保持流过拉伐尔管喉部截面的各种组分的流量比不变,计算给出饱和输出功率P和增益区峰
5、值处小信号增益gmax等的变化情况(表1)。结果表明,随着W0的增大,P和gmax单14调增大,化学效率降低(E是O2($)的激发能,9.43×10Jömol);这主要是由于在一定范围内1随着W0的增大,O2($)的偏压增大,供受激辐射产生激光的能量增加,因而P增大;同时有足1够的O2($),使得gmax与I2的密度近似成正比,gmax单调增加;但W0增大,激光器中气体的密X国家863激光技术领域资助课题1999年1月18日收到原稿,1999年4月7日收到修改稿。陈云山,男,1938年10月出生,副研©1995-2005TsinghuaTongfangOptical
6、DiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.268强激光与粒子束第11卷度和腔压也随着增加,导致激发态物质的去激活速率加快,从而引起化学效率的降低;但这一影响在本计算范围内并不十分明显。假如在增大W0的同时,光腔体积也随着线性放大(W0=36的光腔是在“装置A”的基础上放大三倍),既可保持腔温、腔压和密度等不变,g也将保持不变,饱和输出功率也做到了相似放大。Fig.1TherelativesaturationintensitydistributionFig.2Therelativesaturationoutputpoweroflaserinthefl
7、owdirectionchangesvsI12öO2($)图1 饱和相对光强I1s沿气流方向的分布 图2 饱和输出功率随I2öO2($)的变化 -ax 由图1可以看出:饱和光强Is沿气流方向随距离呈指数衰减,即Is∝e,(称a为衰减常数),这同文献[2]的结果是一致的;在光腔体积保持不变的情况下,随着W0的增大,衰减常数a增大。因此W0的增大,沿气流方向的激射区长度在缩短,即提取光能的区域越来越集中,这对光束质量是不利的。表1 光腔各参量随输入O12($)发生器的Cl2流量的变化Table1Variablechangesinresonatorvs
