超音速氧碘化学激光实验研究

在一台5kW超音速氧碘化学激光器装置上采用转网式单重态氧发生器,在Cl2流量为150mmol/s时输出功率已超过1kW,提出了简化预混的超音速氧碘化学激光理论模型。     

利用混合载气提高COIL化学效率

 为进一步提高氧碘化学激光器效率,提出一种不改变激光器结构,仅变换主副载气的方法。在增益区长度为11.7 cm的激光器上进行实验,以N₂, Ar和CO₂做为氧碘化学激光器的主载气或副载气,对激光器的输出功率和化学效率进行了研究。实验结果表明,平均分子质量改变对主副气流的混合是有利的,因而可以提高激光器的输出效率。当N₂为主载气,Ar为副载气时,激光器输出功率和化学效率最高,分别达到3.09 kW,30.2%。     

利用混合载气提高COIL化学效率

为进一步提高氧碘化学激光器效率,提出一种不改变激光器结构,仅变换主副载气的方法。在增益区长度为11.7 cm的激光器上进行实验,以N2, Ar和CO2做为氧碘化学激光器的主载气或副载气,对激光器的输出功率和化学效率进行了研究。实验结果表明,平均分子质量改变对主副气流的混合是有利的,因而可以提高激光器的输出效率。当N2为主载气,Ar为副载气时,激光器输出功率和化学效率最高,分别达到3.09 kW,30.2%。     

氧碘化学激光器运行模式对其脉冲化影响的模拟研究

根据氧碘化学激光器的反应机理建立了一维预混脉冲出光理论模型,从理论上研究了气体总压力在660-2660 Pa, 温度在150-400 K区间内对单脉冲能量、脉宽和峰值功率的影响.分析了气体总压和温度对出光特性影响的内在原因. 计算结果表明:增益介质温度对单脉冲能量的影响要远大于对激光脉宽的影响;增益介质温度在150 K, 气体总压在1330 Pa可以获得比温度在400 K,气体总压为2660 Pa时更高的峰值功率. 因此在不干扰超音速流动状态条件下瞬间大量产生碘原子,可以实现高效的脉冲氧碘化学激光器.     

二次喉道扩压器对COIL出光性能的影响

在氧碘化学激光器（cOIL）中，为使激光器气体顺利进入大气，激光器光腔后需要接扩压器对其进行增压，增压后的气体通过引射器或泵抽吸顺利排出。从流动机理看，超音速扩压段的主要功能是降低排气流速，增加排气静压。在扩压器中，超音速气流会通过一系列的激波恢复转变为亚音速。这一段激波恢复区称为伪激波区，伪激波区会随着扩压器背压的改变而前后移动。在背压较高时，激波区会向光腔方向移动，从而导致光腔中的气流产生扰动，影响激光器的正常输出。     

超音速氧碘化学激光实验研究

在一台５ｋＷ超音速氧碘化学激光器装置上采用转网式单重态氧发生器，在Ｃｌ２流量为１５０ｍｍｏｌ／ｓ时输出功率已超过１ｋＷ。     

化学氧碘激光器内流场亚跨超音速混合的大涡模拟研究

利用大涡模拟对化学氧碘激光器内的亚跨超音速混合过程进行模拟分析,其结果表明了大涡模拟对这种低压、低密度、亚跨超音速及夹杂多种介质的化学流场的可执行性。与传统的雷诺平均仿真结果相比较,大涡模拟能掌握更多的流场细节数据,能够对混合过程进行精准地判断和分析。在此基础上,提出了碘流反向45°入流的设计方案以增强混合程度,计算表明采用此种方案在相应出光面上平均小信号增益系数提高了5%。     

化学氧碘激光器内流场亚跨超音速混合的大涡模拟研究

 利用大涡模拟对化学氧碘激光器内的亚跨超音速混合过程进行模拟分析,其结果表明了大涡模拟对这种低压、低密度、亚跨超音速及夹杂多种介质的化学流场的可执行性。与传统的雷诺平均仿真结果相比较,大涡模拟能掌握更多的流场细节数据,能够对混合过程进行精准地判断和分析。在此基础上,提出了碘流反向45°入流的设计方案以增强混合程度,计算表明采用此种方案在相应出光面上平均小信号增益系数提高了5%。     

高能COIL偏振态的实验研究

 通过两块楔镜补充衰减和中性衰减片相结合的能量衰减方法,测得了功率密度为20 W/mm² COIL的偏振态。采用角反射器作为稳定腔折返装置,提高了激光能量分布的均匀性。激光光束分别以45°的入射角入射到两块楔镜上,被楔镜反射后,垂直通过中性衰减片,最后进入偏振态测试仪。实验结果表明：在腔内没有任何偏振选择器件和不加外部电磁场的情况下,采用折叠式稳定腔的横流双模块氧碘化学激光光束呈现部分偏振性质,而且在出光过程中偏振度逐渐降低。     

COIL简化模型计算

采用简化动力学、增益模型,分析了常规虚共焦非稳腔和含屋脊镜折叠非稳腔这两种腔型在COIL中的应用,计算表明,折叠腔在改善COIL近场光强分布均匀性和提高近场输出功率方面明显优于常规腔。     

氧碘化学激光器超声速段射流工作方式性能的数值研究

氧碘化学激光器(COIL)的混合喷管内发生的是气体动力学、化学反应动力学以及光学等相互耦合的复杂过程,每个过程都对COIL性能有着至关重要的影响。利用3维计算流体动力学技术,通过求解层流Navier-Stokes方程与组分输运方程对简化的氧碘化学激光RADICL模型进行数值模拟与分析,结合10种组分和21个基元反应的化学反应模型,对COIL超声速段射流情况下喷管内的流动及混合情况,尤其是产率、分解率、泵浦率和小信号增益系数的细致3维空间分布进行研究。结果证明超声速段进行射流有利于提高COIL的性能表现,可以充分利用高增益区,光腔位置增益可以达到0.012 cm-1,与亚声速段射流相比总压恢复性能提高,混合有待加强。     

无加热氧碘化学激光器超音速喷管

针对氧碘化学激光器的金属喷管在使用过程中需加热保温且存在结构复杂、故障率高等问题,初步选择了几种可用于加工无加热喷管的非金属材料,并以kW级氧碘化学激光器为原型,以聚酰亚胺为例,对激光器运行条件下的喷管温度场进行数值模拟,以验证此种非金属无加热喷管的可行性。结果表明：与金属喷管相比,非金属喷管在不加热保温的情况下能够有效阻止热量传递,防止碘蒸气冷却凝结,满足激光器喷管的使用要求。     

化学氧碘激光器非稳腔的研究

设计并研究了适合于连续波超音速化学氧碘激光器的正支共焦非稳腔，给出了放大率、输出功率和光束质量的实验结果。     

氧碘化学激光器直线分段扩开型扩压器实验研究

研究了不同几何外形参数对直线分段扩开型氧碘化学激光器(COIL)扩压器性能的影响,实验结果表明：光腔上下壁扩开全角8°时,选取4°超扩段扩散角可获得较好的压力恢复和隔离光腔流场的能力;超扩段增加2 mm竖隔板可降低光腔后部壁面静压,且截止反压提高约12%;在相同腔压下,10°截角唇口的截止反压比直角唇口和1/4圆弧唇口截止反压高出约7.6%;超扩段入口四壁增加人工粗糙带能明显改善光腔壁面静压的分布,并有效提高扩压器效率。     

氧碘化学激光器直线分段扩开型扩压器实验研究

 研究了不同几何外形参数对直线分段扩开型氧碘化学激光器(COIL)扩压器性能的影响,实验结果表明：光腔上下壁扩开全角8°时,选取4°超扩段扩散角可获得较好的压力恢复和隔离光腔流场的能力;超扩段增加2 mm竖隔板可降低光腔后部壁面静压,且截止反压提高约12%;在相同腔压下,10°截角唇口的截止反压比直角唇口和1/4圆弧唇口截止反压高出约7.6%;超扩段入口四壁增加人工粗糙带能明显改善光腔壁面静压的分布,并有效提高扩压器效率。     

超声速氧碘化学激光(COIL)的性能分析

通过对超声速（COIL）的功率和效率计算,本文导出了适合于均匀和非均匀加宽效应同时起作用和非均匀加宽效应占优的情况,以及考虑频移效应的速率方程 (RE) 模型,得到了温度、压力、碘浓度以及频移对COIL的功率和效率的影响。