1、第第14章化学激光器章化学激光器 14.1化学激光器的工作原理化学激光器的工作原理14.2氟化氢化学激光器氟化氢化学激光器14.3氧碘化学激光器氧碘化学激光器 第第14章化学激光器章化学激光器 14.1.1 化学激光器的特点化学激光器的特点化学激光器要产生激光必须具备如下条件：（1）有释放能量的化学反应。（2）化学反应释放的能量要变成反应产物中某个粒子的内能，使其成为激发态粒子。（3）反应生成的激发态粒子能形成粒子数反转分布。（4）要求激发态粒子的自发辐射跃迁几率足够大。14.1 化学激光器的工作原理化学激光器的工作原理 第第14章化学激光器章化学激光器 14.1.2 化学激光器的激发机理化学
2、激光器的激发机理一个由化学反应生成的分子产物体系，在非平衡激发的情况下产生受激辐射，必须满足粒子数反转条件和增益条件。1.粒子数反转条件粒子数反转条件在两个振-转能级之间的粒子数反转，要求粒子数密度满足(14-1)JJJJgNgN,第第14章化学激光器章化学激光器 在特定振动能级不同转动能级上的粒子数分布为玻耳兹曼分布(14-2)式中Qr是转动温度为Tr时的转动分配函数，E0(J)是振动能级上转动量子数J的转动能级的能量。因此式（14-1）可改写为 (14-3)(exp0,rrJJkTJEQNgN)(exp)(exp00rrrrkTJEQNkTJEQN第第14章化学激光器章化学激光器 由于在振
3、动能级中转动能级弛豫很快速，因此我们可以认为不同振动能级的转动温度相等，即 ，此外还假设转动分配函数Qr也相同，于是式（14-3）可简化为 (14-4)若在振动能级上的粒子数分布也为玻耳兹曼分布，式（14-4）可用振动温度T的表达式取代。由于 （14-5）rrTT rkTJEJENN)()(ln00)(exp0kTEQNN第第14章化学激光器章化学激光器 式中N是总分子数密度，Q是相对于T的振动分配函数，E0()是振动量子数的振动能级的能量。因此有(14-6)式中E0()-E0()0。由式（14-4）和式（14-6）合并为 (14-7)NNkTEENN)()(ln00)()()()(0000E
4、EJEJETTr第第14章化学激光器章化学激光器 2.增益条件增益条件为了产生受激辐射光放大，增益必须满足增益大于损耗，即(14-8)xIIdd第第14章化学激光器章化学激光器 14.2.1 粒子数反转分布机理粒子数反转分布机理对于放热化学反应而言，其所释放的能量在产物分子内可以任何形式分配和贮存。14.2 氟化氢化学激光器氟化氢化学激光器 第第14章化学激光器章化学激光器 对于反应 F+H2HF*()+H (14-9)在每个振动能级内部转动能级的能量分配如图14.1所示。第第14章化学激光器章化学激光器 图14.1 HF分子能量在振动-转动能级分配图第第14章化学激光器章化学激光器 由于激光
5、运转在HF分子的振动-转动能级跃迁之间，使HF化学激光具有多谱线的辐射，如图14.2所示。由图知HF激光有14条谱线，P1(4)P1(9)(6条)，P2(4)P2(9)(6条)，P3(4)P3(5)(2条)。第第14章化学激光器章化学激光器 图14.2 HF化学激光的谱线图第第14章化学激光器章化学激光器 14.2.2 连续波氟化氢化学激光器的结构和特性连续波氟化氢化学激光器的结构和特性氟化氢化学激光器可分为连续波HF化学激光器和脉冲HF化学激光器，连续波HF化学激光器又可分为电弧驱动化学激光器和燃烧驱动化学激光器。第第14章化学激光器章化学激光器 电子束引发的脉冲HF激光器（不包括放大器的振
6、荡器）输出能量已超过CO2激光器和钕玻璃激光器。后来在此基础上发展出的燃烧型的超音速HF/DF化学激光器，其功率可达几兆瓦，光束质量达到近衍射极限水平，成为目前世界上最大功率能量的激光器。电弧驱动连续波HF化学激光器的结构如图14.3所示。第第14章化学激光器章化学激光器 图14.3 电弧驱动连续波HF化学激光器第第14章化学激光器章化学激光器 采用的超音速喷管是单狭缝喷管，H2是在超音速喷管出口处加入的，用的是两根0.6 的铜管，在其上开了一排小孔。采用的腔镜为两块45,用其中的一块镜子中心小孔进行耦合输出。在HF化学激光器中超音速喷管的作用有：（1）使气体膨胀并加速至超音速，使光腔区尽可能
7、长；（2）使气体绝热冷却至比较低的温度，并且使F原子的浓度冻结至接近混合室的浓度；（3）使得F原子和H2在超音速状态下混合。其运行参数如表14-1所示。第第14章化学激光器章化学激光器 表表14-1 连续波连续波HF化学激光器参数化学激光器参数 第第14章化学激光器章化学激光器 电弧驱动连续波HF化学激光器，是靠电弧离解SF6产生F原子，虽然效率高，也能产生较大的功率输出，但在实际应用中不如燃烧产生的热能离解F2分子方便，于是便产生了燃烧驱动连续波HF化学激光器，其结构如图14.4。第第14章化学激光器章化学激光器 图14.4 燃烧驱动连续波HF化学激光器示意图第第14章化学激光器章化学激光器
8、 通常进入燃烧室的有三种气体：D2气、F2气和稀释剂（He气或N2气），燃烧室的主要作用是依靠D2和F2反应放出543.4 kJ/mol能量,将过量F2离解为F原子。He+D2+2F2He+2DF+2F (14-10)第第14章化学激光器章化学激光器 对于HF激光器，F原子和H2（或D2）的混合过程是控制步骤，其混合过程如图14.5所示。第第14章化学激光器章化学激光器 图14.5 F原子和H2（或D2）的混合示意图第第14章化学激光器章化学激光器 实验结果如表14-2所示，喷管型面设计多采用简单的直线代替特征线型。通常喷管型面设计时，先用特征法计算出无粘性的核心流，然后再计算边界层厚度，依靠
9、这些数据得到最终的喷管型面，这样得到的型面可以提供理想的平行出口气流。但实际的HF激光器喷管不采用这种方法，其原因是试验时燃烧室压力和温度是变化的，符合设计的条件是不多的，经常偏离设计条件，这样所设计的型面在偏离设计条件下也得不到理想的平行出口气流。为此多数采用直线代替特征线，这种设计对激光特性影响不大。第第14章化学激光器章化学激光器 表表14-2 不同横向扩散距离的三维列阵喷管实验结果不同横向扩散距离的三维列阵喷管实验结果 第第14章化学激光器章化学激光器 14.2.3 脉冲氟化氢化学激光器的结构和特性脉冲氟化氢化学激光器的结构和特性对于预混合气体存在着不希望发生的预反应和爆炸极限，这是在
10、设计脉冲HF激光器时要先考虑的问题。其反应过程如下：SF6+hSF5+F (14-11)F+H2HF*()+H (14-12)HF*()HF(-1)+h (14-13)第第14章化学激光器章化学激光器 14.3.1 氧碘化学激光器的激光跃迁及工作原理氧碘化学激光器的激光跃迁及工作原理氧碘化学激光器的基本原理是基于激发态氧与碘原子之间的近共振传能，实现碘原子的受激发射，氧、碘原子的能级图如图14.6所示，碘原子激光器的基本动力过程如下：单重态氧O2(1)化学生成过程是依靠氯气和碱性过氧化氢溶液的化学反应产生的，反应式为 Cl2+2KOH+H2O22KCl+2H2O+O2(1)(14-14)14.
11、3 氧碘化学激光器氧碘化学激光器 第第14章化学激光器章化学激光器 基态碘原子产生过程是依靠碘分子离解得到的，反应式为 nO2(1)+I2nO2（1）+2I(2P1/2)n=25 (14-15)激发态碘原子的能量来自于基态碘原子与激发态O2(1)的近共振传能，反应式为 O2(1)+I(2P1/2)I*(2P3/2)+O2(3)(14-16激发态碘激射过程反应式为 I*(2P3/2)+hI(2P1/2)+2h (14-17)第第14章化学激光器章化学激光器 图14.6 氧、碘原子的能级图第第14章化学激光器章化学激光器 14.3.2 氧碘化学激光器的结构和特性氧碘化学激光器的结构和特性 现以转盘
12、式超音速氧碘化学激光器为例说明氧碘化学激光器的工作原理。超音速氧碘化学激光器结构示意图如图14.7所示。第第14章化学激光器章化学激光器 图14.7 超音速氧碘化学激光器 第第14章化学激光器章化学激光器 1.单重态氧发生器单重态氧发生器单重态氧发生器为激发态氧发生器，BHP和氯气的反应是一种典型的气-液反应，如何使BHP和氯气尽可能充分反应，生成氧气，并要求和BHP液体接触的时间尽可能短，成为设计激发态氧发生器所面临的重大挑战。气液反应系统如图14.8所示。第第14章化学激光器章化学激光器 图14.8 气液反应系统第第14章化学激光器章化学激光器 对于一个小气泡而言，整个气泡球面界面会发生下
13、列反应 Cl2+2KOH+H2O22KCl+2H2O+O2(1)(14-18)第第14章化学激光器章化学激光器 反应在氯气和液体的界面完成，很显然，氯气喷头深入液面的深度h0越深，气泡在BHP中停留的时间就会越长，反应越完全。同时，O2(1)在BHP中停留时间越长，它被BHP猝灭的机会就越多，在其离开BHP液面时O2(1)就越少。这两者之间存在矛盾，则必然存在一个氯气喷头深入液面的最佳深度，见图14.9所示。第第14章化学激光器章化学激光器 图14.9 单重态氧的产生率与氯气喷头插入深度的关系第第14章化学激光器章化学激光器 2.碘蒸气发生器碘蒸气发生器在COIL系统中碘分子I2来源于碘蒸气发
14、生器，主要给COIL提供碘蒸气。碘在常温下是固体，虽然固体能升华，产生碘分子I2蒸气，其蒸气压在室温时不到133.322 Pa,随着温度的升高，升华速度加快，I2分压强增加。I2蒸气压和温度关系见表14-3。第第14章化学激光器章化学激光器 表表14-3 I2蒸气压和温度关系蒸气压和温度关系 第第14章化学激光器章化学激光器 3.氧碘混合喷管和扩压器氧碘混合喷管和扩压器从第一台COIL激光器诞生以来，1982年，ReCOIL输出功率已经达到4 kW，但是其体积太大，增益介质长度为4 m，单位流动面积输出功率仅有几瓦每平方厘米水平。目前在设计COIL时，多半将喷碘和超音速管统筹考虑，大多数的结构
15、是二者合为一体，如图14.10所示。第第14章化学激光器章化学激光器 图14.10 氧碘混合喷管第第14章化学激光器章化学激光器 4.I2的离解的离解在COIL中，I2的离解依靠O2(1)，实际上一个O2(1)分子的能量不足以使I2离解。而从能量的角度看，O2(1)分子可以将I2离解为碘原子。实际上O2(1)虽然存在，但也很少，特别是有H2O存在的条件下，O2(1)非常快的被H2O猝灭掉。这就说明另外存在I2的接力通道。Heidner对I2离解问题研究后提出以下离解机理：O2(1)+I2（X）I2*(=3040)+O2(3)(14-19)第第14章化学激光器章化学激光器 其中反应速率常数k1=
16、710-15 cm3/(mols)O2(1)+I2*(X)2I(2P3/2)+O2(3)(14-20)其中反应速率常数k2310-11 cm3/(mols)。由于I(2P3/2)与O2(1)是近共振传能，能级差为279 cm-1。O2(1)+I(2P3/2)2I(2P1/2)+O2(3)(14-21)I(2P1/2)+I2（X）I2*(=3040)+I(2P3/2)(14-22)第第14章化学激光器章化学激光器 5.光学谐振腔结构光学谐振腔结构光学谐振腔结构如图14.11所示，其平面镜作为耦合输出镜，反射率为81%99.5%，全反射镜的曲率为2 m，镜子直径为50.8 mm。典型耦合率为2%。第第14章化学激光器章化学激光器 图14.11 光学谐振腔结构示意图 第第14章化学激光器章化学激光器 14.3.3 化学氧碘激光器的发展化学氧碘激光器的发展1998年6月，TRW公司设计的几十万瓦级单个激光模块成功进行首次地面光试验，出光持续了5秒。2000年4月，美国国防部会同空军、弹道导弹防御局及有关研制单位，对机载激光器计划进行了最终的设计审查，认为其技术风险可以接受，并正式确定了机载激光器系统的结构设计。
