專利名稱：一種放電引發(fā)的脈沖氧碘化學(xué)激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化學(xué)激光領(lǐng)域，特別提供了一種放電引發(fā)的氧碘化學(xué)激光器。
氧碘化學(xué)激光器是80年代以來國際上竟相研制的高科技項(xiàng)目，具有波長短、效率高、光束質(zhì)量好等很多優(yōu)點(diǎn)，并有很多潛在的應(yīng)用，預(yù)期可開發(fā)為高能激光器。目前連續(xù)波氧碘化學(xué)激光器已較成熟，激光功率輸出已達(dá)相當(dāng)大規(guī)模(例如35kw)。但由于在某些需要高激光功率密度的重要應(yīng)用場(chǎng)合，都以脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)為最佳選擇，非常需要脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)的氧碘化學(xué)激光器，然而其研究更為復(fù)雜困難，至今進(jìn)展緩慢。目前國際上只有光引發(fā)的，放電引發(fā)的和調(diào)Q式三種類型的脈沖氧碘化學(xué)激光器，其中放電引發(fā)最為簡(jiǎn)便、效率也較高，早期為本發(fā)明人所首創(chuàng)。見中國激光，Vol.15(8)455(1988)眾所周知，氧碘化學(xué)激光器主要依靠氧碘共振傳能過程(1)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)碘原子I*(2P1/2)，(1)(波長1.315μm激光)(2)在激光腔內(nèi)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，再由(2)式出激光的。放電引發(fā)的脈沖氧碘化學(xué)激光器不同于一般的連續(xù)波氧碘化學(xué)激光器，也不同于光引發(fā)的脈沖氧碘化學(xué)激光器。在連續(xù)波氧碘化學(xué)激光器中使用碘分子I2作為碘原子源。依靠碘分子與激發(fā)態(tài)氧O2(1Δ)發(fā)生自發(fā)的解離反應(yīng)從而獲得基態(tài)碘原子I(2P3/2)。然后按(1)(2)式出激光。但碘分子因能與O2(1Δ)自發(fā)反應(yīng)，又有混合問題，不能事先均勻預(yù)混，因此不可能簡(jiǎn)單有效，而又快速穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)。并且碘分子雖然能提供基態(tài)碘原子，但反過來碘分子對(duì)(1)式產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)I*(2P1/2)產(chǎn)生強(qiáng)烈快速的猝滅作用，不利于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，也不利于提高碘原子濃度，這是脈沖激光器所不希望的。光引發(fā)的脈沖氧碘化學(xué)激光器，則使用碘化物RI(例如CF3I、CH3I、C3F7I)作為碘原子源。碘化物對(duì)I*(2P1/2)猝滅慢得多了，事先又能與O2(1Δ)均勻混合，可進(jìn)行有控制的脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，克服了上述使用碘分子的缺點(diǎn)。但它卻是使用閃光燈發(fā)出的紫外光來引發(fā)得到碘原子I(2P3/2)的，然后同樣按(1)(2)式進(jìn)行出激光。這種光引發(fā)方法只能利用閃光燈發(fā)射的極少的紫外光，還受激光管壁材料的透明度的限制，光子能量分布又不集中，因此光引發(fā)的裝置效率是很低的，引發(fā)裝置的體積和重量也大而重，以及不易做到高重復(fù)頻率脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)等缺點(diǎn)。調(diào)Q式脈沖氧碘化學(xué)激光也因原則上的限制，其脈沖峰值功率不能高為其缺點(diǎn)。
放電引發(fā)脈沖氧碘化學(xué)激光器，雖然也同樣使用碘化物代替碘分子，但它具備光引發(fā)的所有優(yōu)點(diǎn)，也改進(jìn)了光引發(fā)的所有缺點(diǎn)。它是在一定條件下，利用激光器內(nèi)注入低能電子的辦法，而低能電子對(duì)碘化物(CH3I)能更有效地發(fā)生非彈性碰撞，解離碘化物而獲得碘原子，其過程如下
其中CH3I*為CH3I的預(yù)解離激發(fā)態(tài)。引發(fā)產(chǎn)生的碘原子，在激光腔內(nèi)同樣按(1)(2)式傳能出脈沖激光。出了激光后的基態(tài)碘原子又繼續(xù)參與(1)，發(fā)生鏈過程，直到鏈自終止。其次，這種放電引發(fā)方法是把低能電子直接射入激光增益區(qū)，不會(huì)像光那樣受激光管壁材質(zhì)透明度的影響，電子能量分布也較為集中。具報(bào)道，光引發(fā)脈沖氧碘化學(xué)激光化學(xué)能利用效率只有6％，電效率為0.016％，而放電引發(fā)的O2(1Δ)化學(xué)能利用率為12％，電效率為5.4％。
本發(fā)明的目的在于提供一種化學(xué)能利用率及電效率更高的放電引發(fā)的脈沖氧碘化學(xué)激光器。
本發(fā)明提供了一種放電引發(fā)的脈沖氧碘化學(xué)激光器，由O2(1Δ)化學(xué)發(fā)生器(1)、冷井(2)、碘化物供料裝置(3)，激光腔等部分組成，其中激光腔由硬質(zhì)玻璃或石英玻璃等制成的放電管(4)構(gòu)成，放電管(4)內(nèi)同軸安裝一對(duì)圓筒形電極與電容器(6)串接，其間用火花隙(5)隔離，并由電控系統(tǒng)操作，其特征在于激光管由2～300節(jié)放電管(4)串接而成，電路并聯(lián)，用一公用的火花隙開關(guān)(5)將電容器(6)與放電管(4)隔開，要求其同步放電精度達(dá)毫微秒量級(jí)，光程總長為0.5～700M。所注入的低能電子能量在1～5ev之間。進(jìn)入激光腔的氣體為O2(1Δ)、碘化物和緩沖氣構(gòu)成的混合氣，其比例為O2(1Δ)∶碘化物∶緩充氣＝0.3～1∶0.5～1.5∶3～5。O2(1Δ)由Cl2、H2O2和NaOH或KOH等堿液通過化學(xué)反應(yīng)發(fā)生器所產(chǎn)生；碘化物為CH3I、CF3I、C3F7L、CH2I2等單碘烷烴、單碘氟代烴、多碘氟代烴；緩充氣為N2、Ar、He等隋性氣體。
通過長期的研究，我們發(fā)現(xiàn)放電引發(fā)的脈沖氧碘化學(xué)激光器要獲得成功，必須遵照如下關(guān)鍵要求1.在電負(fù)性較強(qiáng)的碘化物分子參與下，適當(dāng)摻入緩充氣體(如N2、Ar、He)，但又不能過多，否則會(huì)影響激光功率，以同時(shí)充有O2(1Δ)碘化物緩沖氣＝0.3～0.5～5；3～5為佳，電路的放電電容必須采用無感電容。電路的阻抗要小，電極表面光滑均勻。遵守這樣條件才能實(shí)現(xiàn)快速均勻放電。
2.放電必須控制住注入激光器的電子能量，使之既能選擇斷裂CH3I分子的C-I化學(xué)鍵，以取得氧碘傳能過程所需要的碘原子，同時(shí)又要不破壞CH3化學(xué)基團(tuán)和O2(1Δ)的分子結(jié)構(gòu)。否則放電將產(chǎn)生各種有害的分子碎片，會(huì)對(duì)上述的氧碘傳能過程和出光產(chǎn)生不利影響，若電子能量控制不好，既使均勻放電也不會(huì)出光，通過很多次實(shí)驗(yàn)證明，出光所需要的低能電子能量平均1～5eV。
3.氧碘化學(xué)激光器又是一種低增益激光器，必須同時(shí)提高goL乘積(go為激光區(qū)的小訊號(hào)增益系數(shù)，L為增益區(qū)的長度)，才能使增益區(qū)內(nèi)所含的貯能較快地被抽取轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽?。但在氧碘激光工作氣壓下，在較長的增益區(qū)內(nèi)(大于0.5m)均勻放電是有一定困難的，無論對(duì)工作電壓和空氣絕緣都受到一定限制。雖然還可以采用橫向放電(例如各種型面平板電極、尖端針狀電極、片狀電極)的辦法來降低工作電壓。但在上述增益區(qū)條件下，又會(huì)遇到在電負(fù)性較強(qiáng)的氣體參與下大面積均勻放電的困難，必須還添加各種復(fù)雜的預(yù)電離技術(shù)(例如紫外預(yù)電離、X光預(yù)電離……)來克服均勻放電的困難性。但由于O2(1Δ)在放電區(qū)極易受碰撞被猝滅，因此必須注意到器壁材質(zhì)、反應(yīng)空間體積不能過大而又不能對(duì)O2(1Δ)有阻礙等嚴(yán)格要求下，才能完成這些預(yù)電離技術(shù)的安裝。我們初步試驗(yàn)過，證明可以實(shí)現(xiàn)但又是個(gè)復(fù)雜的問題。當(dāng)然在此種低增益激光器中，還可采用折疊式光路也是一個(gè)辦法，但對(duì)激光腔反射境的反射率要求極高，否則在增益區(qū)中多次反射會(huì)使吸收損耗大于增益而無法實(shí)現(xiàn)振蕩。若激光腔按此長增益光程方程式構(gòu)成，則總增益光程應(yīng)在0.5～700m之間。
本發(fā)明所提出的放電引發(fā)脈沖氧碘化學(xué)激光器就是基于上述幾個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)重新設(shè)計(jì)的，其特點(diǎn)還要求并聯(lián)電路和放電管，無論幾何尺寸和電阻抗，必須精確對(duì)稱。通過安裝在放電管上的Rogowski線圈，測(cè)出放電管的電流波形，試驗(yàn)證實(shí)要達(dá)到出光必須精確同步到毫微秒量級(jí)，否則出不了激光。這是因?yàn)镮*(2P1/2)在試驗(yàn)條件下壽命很短，只有2.4微秒，在增益區(qū)很長又是同軸光路的雙節(jié)放電管內(nèi)，必須做到高同步放電引發(fā)才能實(shí)現(xiàn)出激光。
試驗(yàn)結(jié)果每脈沖激光輸出可達(dá)0.45J，O2(1Δ)化學(xué)能的利用效率高達(dá)34％，電效率為18％，而同樣條件下，光引發(fā)脈沖氧碘化學(xué)激光器的化學(xué)能利用效率只有6％，電效率為0.016％。而早期報(bào)導(dǎo)的放電引發(fā)的O2(1Δ)化學(xué)能利用率為12％，電效率為5.4％。尤其本專利的放電引發(fā)的電效率比光引發(fā)高出1100倍。
下面結(jié)合附圖通過實(shí)施例詳述本發(fā)明。
附

圖1為高同步雙節(jié)放電引發(fā)氧碘化學(xué)激光器示意圖。
實(shí)施例這種激光管由兩節(jié)硬質(zhì)玻璃制造的放電管(4)構(gòu)成，內(nèi)部同軸安裝二對(duì)圓筒形鋁電極，各自采用軸向放電形式。圖上可看到二節(jié)放電管的放電電路，二者互以并聯(lián)電路連接，有一公用的火花隙開關(guān)(5)將電容器(6)與放電管(4)隔開，并由電控系統(tǒng)同步操作。放電電壓低于30KV。在激光管兩端裝有內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的光學(xué)諧振腔?；旌嫌芯彸錃怏w的O2(1Δ)氣流，由O2(1Δ)發(fā)生器(以Cl2、H2O2和堿液通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生)經(jīng)過于冰冷凝器除去水分雜質(zhì)后，再與碘化物(例如CH3I、CF3I、C3F7I、CH2I2等單碘烷烴、單碘氟代烴、多碘烷烴、多碘氟代烴)混合，軸向流入激光管。電容器的電能通過火花隙開美瞬間并聯(lián)加于兩節(jié)放電管(4)的兩對(duì)電極上，在電極之間形成均勻放電，所注入的電子使碘化物瞬間分解而獲得大量碘原子，然后與放電管(4)內(nèi)的O2(1Δ)，又瞬間發(fā)生(1)式傳能，達(dá)到I*(2P1/2)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在激光腔諧振條件下產(chǎn)生激射，直至其終止形成穩(wěn)定的脈沖激光。
在以上設(shè)計(jì)的高同步雙節(jié)放電引發(fā)脈沖氧碘化學(xué)激光器中(見圖)，其鼓泡式O2(1Δ)發(fā)生器內(nèi)，裝有85％濃度的H2O2和分析純的50％NaOH或KOH溶液的混合液使用工業(yè)純的氯氣，并以氮?dú)庾鳛榫彸錃怏w，N2∶O2(1Δ)∶CH3I＝3∶1∶1為佳。冷阱溫度為于冰溫度。所使用的碘化物為CH3I，其純度為98％以上。內(nèi)腔式激光諧振腔之一為曲率半徑10m的全反射鏡，另一為波長1.315μm透過率為1％至4％的平面輸出鏡，腔長2m。放電管系硬質(zhì)玻璃管制成，同軸安裝二對(duì)鋁電極。工作電壓低于30KV，放電電容器為0.01μF無感電容器，系統(tǒng)壓力用Datametrics570電容壓力計(jì)測(cè)定。
權(quán)利要求
1.一種放電引發(fā)的脈沖氧碘化學(xué)激光器，由O2(1Δ)化學(xué)發(fā)生器(1)、冷井(2)、碘化物供料裝置(3)，激光腔等部分組成，其中激光腔由硬質(zhì)玻璃或石英玻璃等制成的放電管(4)構(gòu)成，放電管(4)內(nèi)同軸安裝一對(duì)圓筒形電極與電容器(6)串接，其間用火花隙(5)隔離，并由電控系統(tǒng)操作，其特征在于激光管由2～300節(jié)放電管(4)串接而成，電路并聯(lián)，用一公用的火花隙開關(guān)(5)將電容器(6)與放電管(4)隔開，要求其同步放電精度達(dá)毫微秒量級(jí)，光程總長為0.5～700M。
2.按權(quán)利要求1所述放電引發(fā)的脈沖氧碘化學(xué)激光器，其特征在于所注入的低能電子能量在1～5ev之間。
3.按權(quán)利要求1，2所述放電引發(fā)的脈沖氧碘化學(xué)激光器，其特征在于進(jìn)入激光腔的氣體為O2(1Δ)，碘化物和緩沖氣構(gòu)成的混合氣，其比例為O2(1Δ)∶碘化物∶緩充氣＝0.3～1∶0.5～1.5∶3～5。
4.按權(quán)利要求1，2所述放電引發(fā)的脈沖氧碘化學(xué)激光器，放電引發(fā)的脈沖氧碘化學(xué)激光器，其特征在于O2(1Δ)由Cl2、H2O2和NaOH或KOH等堿液通過化學(xué)反應(yīng)發(fā)生器(1)所產(chǎn)生；碘化物為CH3I、CF3I、G3F7I、CH2I2等單碘烷烴、單碘氟代烴、多碘氟代烴；緩充氣為N2、Ar、He等隋性氣體。
5.按權(quán)利要求3所述放電引發(fā)的脈沖氧碘化學(xué)激光器，放電引發(fā)的脈沖氧碘化學(xué)激光器，其特征在于O2(1Δ)由Cl2、H2O2和NaOH或KOH等堿液通過化學(xué)反應(yīng)發(fā)生器所產(chǎn)生；碘化物為CH3I、CF3I、C3F7L、CH2I2等單碘烷烴、單碘氟代烴、多碘氟代烴；緩充氣為N2、Ar、He等隋性氣體。
全文摘要
一種放電引發(fā)的脈沖氧碘化學(xué)激光器，由O
文檔編號(hào)H01S3/097GK1118943SQ94112509
公開日1996年3月20日 申請(qǐng)日期1994年9月12日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月12日
發(fā)明者張榮耀, 陳方, 宋雪琴, 桓長清, 許慶洲 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所