光栅选线TEA CO2激光快速调谐技术研究

已研制了一种新型的采用直驱交流伺服电机的光栅选线TEA CO2激光器快速调谐系统,介绍了该系统的构建和设计,包括激光器快速调谐系统的硬件构成、软件设计及系统的运行流程,并进行了初步的实验研究。     

采用声光Q开关调制的脉冲Nd：YAG激光器

采用声光调制器（AOM）对脉冲Nd:YAG激光进行腔内调制，提高激光脉冲的峰值功率。获得了脉宽200ns的激光脉冲列，脉冲列的重复频率为5-50kHz，脉冲能量为30－80mJ，最大脉冲峰值功率为400kW，光束质量为3mm mrad。     

双光路快速调谐脉冲CO2激光器

报道了一种采用双路高速伺服电机驱动光栅选线的方式,实现9~11 μm CO₂激光快速调谐输出。双光路谱线切换时间小于100 μs,单光路谱线切换时间小于50 ms。激光器输出谱线达70条,其中9P （20）、9P （28）单脉冲输出能量大于100 mJ,9R （30）、9P （40）单脉冲能量大于90 mJ,激光脉冲宽度小于100 ns,重复频率为20 Hz。     

脉冲气体激光器用固态高压开关的研制

实验研制了基于磁脉冲压缩系统的脉冲气体激光器用固态高压开关,实验中通过调节复位电流大小,负载电阻大小等相关参数实现了磁压缩开关输出效率达到最大值。经两级磁开关压缩后脉宽约压缩为原来的5%。压缩后脉冲上升时间约为180 ns,幅值约为16 kV。其中第一级磁压缩效率为89.2%,第二级磁压缩效率达到97.7%,总的压缩效率达到87.2%。接激光器后测得输出激光脉冲能量约为20 mJ,输出激光脉冲半高宽约为85 ns。     

空气中激光烧蚀铝靶冲量耦合系数实验(Ⅱ)

为了研究大气条件下,正焦移距离对冲量耦合系数的影响,采用能量为15.7(16%)J 的激光脉冲聚焦于铝靶前端,通过改变激光焦点距离靶面的位置,获得了冲量耦合系数与正焦移距离的对应关系。结果表明脉冲激光在与大气环境中的铝靶相互作用时,靶面通过能量转移获得的冲量耦合系数与激光焦点距离靶面的位置呈非单调性变化。焦移距离在从0~20 mm 之间变化时,获得的冲量耦合系数从4.4810-5 Ns/J 连续下降到1.6810-5Ns/J,随着焦移距离的进一步增大,冲量耦合系数在20~35 mm 间呈缓慢上升趋势,在35 mm 处升至2.2110-5 Ns/J 后转而下降,在45 mm 处降至1.9110-5Ns/J。文中采用大气中激光支持爆轰波与固体靶面相互作用的二维模型对上述物理过程进行理论计算,获得了与实验结果较为一致的结论。     

基于调谐TEA CO2激光推进的研究

针对大气呼吸模式激光推进,采用可调谐TEA CO2激光器,选取CO2激光光谱中00^01～10^00带和00^01～02^00带中增益较强的四支潜线10P（20）、10R（12）、9P（28）及9R（14）进行了实验研究。实验结果表明,在大气呼吸模式激光推进中,空气的击穿阈值随激光波长的增大而降低．激光波长对飞行器获得的冲量耦合系数没有明显的影响。     

大气中激光烧蚀铝靶冲量耦合系数实验研究

研究了激光与铝靶相互作用过程中,大气中激光功率密度与铝靶获得的冲量耦合系数的关系,通过改变激光聚焦在靶面上的光斑大小,得到冲量耦合系数与激光功率密度的关系。实验结果表明,当入射激光功率密度为3.47×106W/cm2时,铝靶获得的冲量耦合系数最高。该入射激光功率密度最佳值与理论计算值6.14×106W/cm2符合得较好。用激光支持爆轰波(LSDW)与固体靶相互作用的二维模型理论计算得到的冲量耦合系数与实验结果比较,二者趋势相同,定量比较有较大差别,原因是所用激光光斑面积偏大,不能按照该理论的点爆炸模型来计算。     

PI参数优化实现CO2激光快速选线稳定输出

通过优化驱动光栅的电机PI控制器参数确定方法,加强了伺服电机的定位精度及稳定性,提升了单光路可调谐TEA CO2激光器的弱线输出稳定性并缩短了调谐间隔。该参数确定的方法基永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）的频域模型,推导出了伺服三环比例积分控制器（Proportional Integral,PI）的解析表达式,并根据工程实际需求设定超调量与峰值时间,求出截止频率,以此确定满足最大相位裕度的条件下的伺服三环PI控制器的参数。采用PML40-530B8ANL交流直驱电机及G-POLHOR10P100EE-E0驱动器搭建了光路实验装置对上述参数进行了验证,转台定位系统的超调量为4.86%,调节间隔为19.5 ms。基于该转台系统搭建了快调谐TEA CO2激光器,在20 ms调谐间隔下进行激光器弱线能量稳定性实验,9P（44）谱线的单脉冲能量小于74 mJ,能量波动范围小于3.35%,能量稳定度提高了3.62倍。     

新型便携式TEA CO2激光器

报道一种新型便携式横向激励大气压CO2激光器。该激光器采用4节5号充电电池直流供电,在1 Hz重复频率条件下,可连续工作1 h。激光器整机(包括电源及控制系统)尺寸为200 mm×200 mm×360 mm,质量小于8 kg。激光器使用紫外电晕预电离方式,放电均匀、稳定。自由振荡情况下,激光脉冲输出能量达到35 mJ,输出脉冲宽度为70 ns。     

磁脉冲压缩电路的仿真分析

为了提高磁脉冲压缩电路效率并减小体积,使用PSPICE电路仿真软件,采用控制变量的方法,对影响磁脉冲压缩电路的各个因素进行了理论分析和仿真验证。在以纳米晶材料作为磁芯、总压缩比为100、两级磁脉冲压缩电路体积最小的情况下进行了仿真分析。结果表明,脉冲上升时间从6.7μs压缩到67ns,符合脉冲气体激光器对于快放电时间的要求;在负载电阻为250Ω、一级复位电流在1.09A~9.80A、二级复位电流在3.27A~14.50A时,系统效率的最大值为81.9%;负载电阻的取值以及复位电流过大过小都会对效率产生影响。该研究为激光器中磁脉冲压缩电路效率的进一步提升,以及体积的小型化提供了参考。