本發(fā)明涉及一種增大氟化氫或其他化學激光粒子數(shù)反轉的方法，屬于激光技術領域。

背景技術：

化學激光器是通過放熱化學反應產生增益介質的粒子數(shù)反轉并在振蕩腔中獲得激光的裝置。自1969年美國科學家D.J.Spencer等人首次成功演示連續(xù)波(Continuous Wave，CW)氟化氘、氟化氫(Fluoride Deuterium/Fluoride Hydrogen，DF/HF)化學激光器以來，CW DF/HF化學激光器就以其特有的優(yōu)勢，如連續(xù)出光功率高、工程放大性能好、不需要外加電源、DF激光的波長具有良好的大氣傳輸特性，泛頻HF激光具有短波長特征等，一直倍受關注，在二十世紀七八十年代得到飛速發(fā)展。

我國從上個世紀七十年代開始從事CW DF/HF化學激光器的研究。先后研制成功電弧加熱型、燃燒驅動型CW DF/HF化學激光器和泛頻CW HF化學激光器。經(jīng)過三十多年的努力，輸出功率大幅度提高，光束質量得到了明顯的改善。目前，研究人員仍在不斷改進它的性能。

燃燒驅動CW DF/HF化學激光器實際就是將含氟氧化劑與含氫或氘燃料混合燃燒，燃燒引起的高溫使氧化劑分解出F原子，F(xiàn)原子經(jīng)超聲速快速流動與噴管注入的D₂或H₂反應產生振動激發(fā)態(tài)的DF(v)或HF(v)產生激光。

激光器主要由4部分組成：燃燒室、噴管組件、光學諧振腔和壓力恢復系統(tǒng)。燃燒室，也稱F原子發(fā)生器，其用途在于為光腔泵浦反應提供足夠的F原子。噴管在激光器中起著重要的作用，它對激光器的性能有極大的影響。為保證激光器有效運轉，必須使激射物質在快速通過光腔的同時實現(xiàn)燃料與氧化劑有效徹底的混合，故混合性能是噴管設計需重點考慮的因素。光學諧振腔簡稱光腔，是噴管出來的混合物反應產生激光的裝置。壓力恢復系統(tǒng)在光腔后面，它把來自光腔的超聲速、低壓氣流恢復為低速、高壓氣流，以與外界空氣壓力匹配。

以往為了提高HF/DF化學激光的出光能量，很多研究人員在F原子發(fā)生器，燃燒室，噴管組件設計上做了很多工作，由于其中反應溫度，流速，各種混合比等很多因素都會影響增益粒子數(shù)目，是一個非常復雜的過程，需要通過不斷實驗摸索。本發(fā)明采用一種直接的光學的方法來增大化學反應后氟化氫產物的粒子數(shù)反轉。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明利用一束連續(xù)波紅外激光作為誘導光耦合進光腔，將氟化氫化學激光體系中的振動量子數(shù)為v＝1的特定轉動量子態(tài)誘導到振動數(shù)v＝0的轉動量子態(tài)上，以增大振動量子數(shù)v＝2上特定轉動態(tài)與振動量子數(shù)v＝1上的特定轉動態(tài)之間的粒子數(shù)反轉，以增強激光輸出能量。

本發(fā)明提供的增大化學激光粒子數(shù)反轉的裝置，裝置的光路系統(tǒng)中包括：

可調諧連續(xù)波光源1,連續(xù)波誘導激光2,光電調制器3,偏振反射棱鏡4,四分之一波片5,光腔后端鏡6,光腔7，光腔外壁8，輸出耦合鏡9，輸出光10，閉環(huán)控制系統(tǒng)11，光電探測器12，后端鏡壓電陶瓷13和壓力恢復裝置接口14；

可調諧連續(xù)波光源1,光電調制器3,偏振反射棱鏡4,四分之一波片5,后端鏡壓電陶瓷13,光腔后端鏡6,光腔7，輸出耦合鏡9依次連接，光腔外壁8包圍在光腔7外，光電探測器12,偏振反射棱鏡4，連接閉環(huán)控制系統(tǒng)11連接可調諧連續(xù)波光源1,光電調制器3,光電探測器12,光腔后端鏡6，和壓力恢復裝置接口14在光腔外壁8上；

可調諧連續(xù)波光源1為能產生HF/DF化學激光范圍內2.6～4.0μm連續(xù)可調諧的連續(xù)波激光，用于將較低振動能級上的HF/DF分子誘導到更低振動能級上；連續(xù)波誘導激光2用于將較低振動能級上的HF/DF分子誘導到更低振動能級上，它的波長與HF分子自發(fā)輻射向下躍遷相匹配；光電調制器3用于改變連續(xù)波誘導激光2的相位和頻率用于將誘導激光耦合進化學激光光腔7；偏振反射棱鏡4可以完全透過P光而完全反射S光；四分之一波片5用于改變激光的偏振，其快軸與線偏振的連續(xù)波誘導激光2成45°角；光腔后端鏡6為平凹鏡，弧度能滿足實現(xiàn)穩(wěn)定腔，對HF/DF化學激光范圍(2.6～4.0μm)高度反射(反射率>99.9％)；光腔7為由光腔后端鏡6和輸出耦合鏡9組成的穩(wěn)定腔；光腔外壁8為由金屬組成的腔體，上端連接噴嘴，下端連接壓力恢復裝置；輸出耦合鏡9為平凹鏡，弧度能滿足實現(xiàn)穩(wěn)定腔，對HF/DF化學激光范圍(2.6～4.0μm)高度反射(反射率>99％)，其反射率小于光腔后端鏡6；輸出光10為最終由光腔輸出的化學激光；閉環(huán)控制系統(tǒng)11為由信號發(fā)生器，中央電腦，數(shù)據(jù)采集卡組成的系統(tǒng)，與可調諧連續(xù)波光源1、光電調制器3、光電探測器12、后端鏡壓電陶瓷13相連接；根據(jù)從光電探測器12探測到的反射光信號來調節(jié)后端鏡壓電陶瓷13上的電壓從而改變光腔7的長度或者直接改變可調諧連續(xù)波光源1的輸出波長來使連續(xù)波誘導激光2可以耦合進光腔7；光電探測器12為對HF/DF化學激光范圍內(2.6～4.0μm)可響應的光電探測器，將光強信號轉為電壓值；后端鏡壓電陶瓷13為用于裝載光腔后端鏡6的裝置，可以根據(jù)輸入電壓來改變長短，從而控制光腔后端鏡6與輸出耦合鏡9之間的距離來改變光腔7的長度；壓力恢復裝置接口14用于與壓力恢復裝置相連接，將使用完的H₂，F(xiàn)，He等氣體抽出；

所述的增大化學激光粒子數(shù)反轉的裝置的操作方法，其特征在于：用一束連續(xù)波紅外激光作為誘導光耦合進光腔，將氟化氫化學激光體系中的振動量子數(shù)為v＝1的特定轉動量子態(tài)誘導到振動數(shù)v＝0的轉動量子態(tài)上，以增大振動量子數(shù)v＝2上特定轉動態(tài)與振動量子數(shù)v＝1上的特定轉動態(tài)之間的粒子數(shù)反轉。

可調諧連續(xù)波光源1：能產生HF/DF化學激光范圍內(2.6～4.0μm)連續(xù)可調諧的連續(xù)波激光，用于將較低振動能級上的HF/DF分子誘導到更低振動能級上；

連續(xù)波誘導激光2：用于將較低振動能級上的HF/DF分子誘導到更低振動能級上，它的波長與HF分子自發(fā)輻射向下躍遷相匹配；

光電調制器3：用于改變連續(xù)波誘導激光2的相位和頻率用于將誘導激光耦合進化學激光光腔7；

偏振反射棱鏡4：可以完全透過P光而完全反射S光；

四分之一波片5：用于改變激光的偏振，其快軸與線偏振的連續(xù)波誘導激光2成45°角；

光腔后端鏡6：平凹鏡，弧度能滿足實現(xiàn)穩(wěn)定腔，對HF/DF化學激光范圍(2.6～4.0μm)高度反射(反射率>99.9％)；

光腔7：由光腔后端鏡6和輸出耦合鏡9組成的穩(wěn)定腔；

光腔外壁8：由金屬組成的腔體，上端連接噴嘴，下端連接壓力恢復裝置；

輸出耦合鏡9：平凹鏡，弧度能滿足實現(xiàn)穩(wěn)定腔，對HF/DF化學激光范圍(2.6～4.0μm)高度反射(反射率>99％)，其反射率小于光腔后端鏡6；

輸出光10：最終由光腔輸出的化學激光；

閉環(huán)控制系統(tǒng)11：由信號發(fā)生器，中央電腦，數(shù)據(jù)采集卡等部件組成的系統(tǒng)，與可調諧連續(xù)波光源1、光電調制器3、光電探測器12、后端鏡壓電陶瓷13相連接。根據(jù)從光電探測器12探測到的反射光信號來調節(jié)后端鏡壓電陶瓷13上的電壓從而改變光腔7的長度或者直接改變可調諧連續(xù)波光源1的輸出波長來使連續(xù)波誘導激光2可以耦合進光腔7；

光電探測器12：對HF/DF化學激光范圍內(2.6～4.0μm)可響應的光電探測器，將光強信號轉為電壓值；

后端鏡壓電陶瓷13：用于裝載光腔后端鏡6的裝置，可以根據(jù)輸入電壓來改變長短，從而控制光腔后端鏡6與輸出耦合鏡9之間的距離來改變光腔7的長度；

壓力恢復裝置接口14：用于與壓力恢復裝置相連接，將使用完的H₂，F(xiàn)，He等氣體抽出；

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

簡單直接，不依賴于反應溫度、流速、各反應氣體混合比以及噴嘴種類等出光條件，直接擴大振動量子數(shù)v＝2上特定轉動態(tài)與振動量子數(shù)v＝1上的特定轉動態(tài)之間的粒子數(shù)反轉。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的原理圖；

其中，1可調諧連續(xù)波光源,2連續(xù)波誘導激光,3光電調制器,4偏振反射棱鏡,5四分之一波片,6光腔后端鏡,7光腔，8光腔外壁，9輸出耦合鏡，輸出光10，閉環(huán)控制系統(tǒng)11，12光電探測器，13后端鏡壓電陶瓷，14壓力恢復裝置接口；

圖2是HF化學激光的HF產物粒子布居與輻射示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

實施例1

可調諧連續(xù)波光源,光電調制器,偏振反射棱鏡,四分之一波片,后端鏡壓電陶瓷,光腔后端鏡,光腔，輸出耦合鏡依次連接，光腔外壁包圍在光腔外，光電探測器,偏振反射棱鏡，連接閉環(huán)控制系統(tǒng)連接可調諧連續(xù)波光源,光電調制器,光電探測器,光腔后端鏡，和壓力恢復裝置接口在光腔外壁上。

實施例2

在HF化學激光燃燒室反應之后經(jīng)過光腔時的HF產物布居如圖2所示，HF產物最主要分布在振動量子數(shù)為v＝2的各轉動量子態(tài)上，在振動量子數(shù)為v＝1的各轉動量子態(tài)上有較少的分布，HF產物是粒子數(shù)部分反轉的。其中由HF(v＝2,j＝4)到HF(v＝1,j＝5)的P₂(5)支輻射(波長約為2804nm)為較強的化學激光輻射。

本發(fā)明的方法就是利用一束連續(xù)波誘導激光2來耦合進光腔7，它的波長正好等于HF(v＝1,j＝5)到HF(v＝0,j＝6)的P₁(6)支輻射(波長約為2710nm)。當HF產物進入光腔時，由于受到誘導光2的作用，HF(v＝1,j＝5)態(tài)上的產物會向HF(v＝0,j＝6)態(tài)躍遷并增強連續(xù)波誘導激光2，而由于此時光腔7的長度正好與誘導光2相匹配，誘導光(P₁(6)支輻射)能得到極大的增強，HF(v＝1,j＝5)態(tài)上的產物會雪崩般向下躍遷到HF(v＝0,j＝6)態(tài)；最終造成了HF(v＝2,j＝4)與HF(v＝1,j＝5)之間的粒子數(shù)反轉擴大，從而在光腔7中能產生更強的化學激光輸出(P₂(5)支輻射)。

將連續(xù)波誘導激光2(P₁(6)支輻射，波長約為2710nm)耦合進光腔7所采用的方法有兩種實施方式(由于化學激光由于壓力和碰撞導致的輻射線寬較寬(數(shù)GHz)，同時光腔長度較長導致光腔縱模間距較小(<1GHz)，使得將連續(xù)波誘導激光2只要耦合進光腔就能有效誘導HF分子向下躍遷)：

1)掃描波長：先將連續(xù)波誘導激光2的波長調節(jié)至將P₁(6)支輻射附近(1GHz以內)，再從光腔后端鏡6反射入光電探測器12所產生的信號輸入閉環(huán)控制系統(tǒng)11，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)來反饋輸出給可調諧連續(xù)波光源1來調節(jié)連續(xù)波誘導激光2的波長使之與光腔7相匹配而耦合進光腔；

2)掃描腔長：先將連續(xù)波誘導激光2的波長調節(jié)至將P₁(6)支輻射對應的準確波長，再從光腔后端鏡6反射入光電探測器12所產生的信號輸入閉環(huán)控制系統(tǒng)11，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)來反饋輸出給后端鏡壓電陶瓷13來調節(jié)光腔7長度，使之與連續(xù)波誘導激光2的波長相匹配而耦合進光腔。