4-3  5 kW氧碘化学激光器研制

宋影松  刘  军  蔡光明  陈永亮  卓红艳  桑凤亭  金玉奇

描述了研制的5 kW氧碘化学激光器的系统组成和工作方式，并给出了调试的实验结果。研制该激光器主要用于超扩段性能优化研究和光腔气动参数对激光能量提取影响的研究，因此该装置各单元尽可能采用较成熟技术，系统组成主要包括单重态氧发生器、超音速喷管阵列、光学谐振腔、超扩段、供气系统、控制系统、真空系统、冷却系统。

氧发生器采用技术成熟的转盘式发生器，设计氯气流量0.4~0.6 mol/s，氦气流量2.0~ 3.0 mol/s，发生器工作压力(35~40)´133.33 Pa；喷管采用亚音速区碘双排孔注入的阵列式喷管（RotoCOIL）形式，喷管高度60 mm，阵列长度200 mm，设计气流出口马赫数为Ma=2，喷管的压力比约为10，面积比为2。激光谐振腔采用大体积的平凹稳定腔，可实现双轴输出和折叠腔输出两种工作方式。为了便于超扩段性能优化研究，增益区设计为60 mm´ 200 mm´170 mm，对应的超扩段设计采用8°扩张角直壁加隔板方式。该设计获得了良好的超扩段压力恢复效果，实现了超扩段出口背压达到12.9´133 Pa，激光器稳定工作，光腔压力保持665 Pa以下。

激光器出光调试一是调节各种气体的最佳进气流量，二是调节激光谐振腔的最佳输出耦合率。按照5 kW输出激光功率要求，确定氯气气体流量。即激光输出功率P_L=hE(¹D)M= (a-a₀)bgE(¹D)M，其中P_L是激光输出功率、h是器件总化学效率(约14%)、E(¹D)为氧激发态能量94 kJ/mol、M为氯气摩尔流量、(a-a₀)为激光器阈值、b为提取效率、g 为氯气利用率85%。计算出氯气流量为0.45 mol/s。实验得到在低流量时出光功率随氯气流量增加而增大，当氯气流量为0.57 mol/s时激光器输出功率达到最高6.75 kW，化学效率为13%，之后随氯气流量增加而降低。实验了贯穿系数对出光功率的影响，当贯穿系数在0.23~0.25时出光功率最高。通过进气参数的优化调试，实现了激光器稳定运行，输出激光功率大于5 kW。