1 引言

中红外激光在激光大气探测、激光光谱、激光医学和光电对抗等领域具有良好的应用前景。目前中红外激光的主要输出设备有氟化氢/氟化氘(HF/DF)化学激光器^[1-5]、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO₂)倍频气体激光器^[6]、固体块状激光器^[7-8]、半导体激光器^[9]和光纤激光器^[10]。其中HF化学激光器可运行在放电引发非链式模式,具有高峰值功率、大能量、高重复频率等优点,是现阶段脉冲红外激光领域的研究热点之一。

放电引发非链式HF激光器起源于20世纪60年代,通过改进放电引发方式和优化气体介质,单脉冲能量得到了明显提升,已达到数十焦耳至数百焦耳,有望突破1000 J的量级。从应用需求和实用化考虑,要求激光器具有良好的重复频率运行特性,但是同时获得高能量和高重复频率激光输出的难度非常大。自20世纪90年代起,学者们致力于高功率高重复频率放电引发非链式HF激光的研究。典型的研究成果有:20世纪90年代法国Brunet等^[11]利用内循环模式以及网状电极紫外预电离结构,实现了放电激励HF激光器高功率高重复频率运行,单脉冲能量超过5 J,工作频率为100 Hz;2000年,法国巴黎大学等离子体物理实验室的Lacour等^[12]也成功研制出大脉冲能量的重复频率HF激光器,他们采用外部循环方式和网状电极紫外预电离结构,单脉冲能量大于20 J,工作频率为12 Hz;2003年,俄罗斯大电流所的Alekseev等^[13]利用紫外预电离和平板电极,研制出单脉冲能量大于1 J、重复频率为1~2 Hz的HF激光器;2010年,俄罗斯的Bulaev等^[14]研制出高功率重复频率HF激光器,在没有预电离的情况下,通过自引发体放电技术,实现了脉冲能量为67 J、重复频率为20 Hz的HF激光输出;2015年,Bulaev等^[15]采用新型全固态电源技术,在储能为880 J的情况下获得了25 Hz高功率重复频率HF激光输出,但是没有报道激光能量的具体数值。

国内在放电引发非链式HF化学激光器方面的研究工作起步较晚,主要有西北核技术研究所、中国科学院安徽光学精密机械研究所和中国科学院电子学研究所^[16-19]等单位开展了相关研究工作。目前仅西北核技术研究所获得了100 Hz高重复频率的HF激光输出,但是单脉冲能量还比较低,只有几百毫焦。

纵观国内外的研究情况,脉冲能量在焦耳级以上重复频率为100 Hz量级的高功率高重复频率HF激光器的报道比较少,仅Brunet等^[11]报道了相关工作,但是其采用的网状电极寿命较短,不满足激光器长时间应用的要求。本文利用自动紫外预电离电荷转移电路和Chang氏电极结构,建立紧凑型高功率高重复频率放电引发HF激光器,并针对激光器的输出特性和重复频率展开了实验研究,获得了重复频率为150 Hz、脉冲能量为1.35 J的HF激光输出。

2 激光装置

激光器采用电容储能的电荷转移型电路及紫外自动预电离结构,其原理电路见图1。为了获得较大的脉冲能量输出,激光器的储能电容C₀由20个电容值为10 nF的无感陶瓷电容并联组成。主电极采用一对对称的长条形Chang氏不锈钢电极,电极长600 mm,宽30 mm(其平顶部分为20 mm),电极间隙为25 mm,放电增益区的体积约为600 mm×20 mm×25 mm。为了保证激光器的电气绝缘,激光器放电腔室两端均设计有80 mm长的电气绝缘区,放电腔室长约为760 mm。

图 1. 放电引发HF激光器的原理电路

Fig. 1. Principle circuit of electric discharge HF laser

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为了在增益区获得均匀体放电,实现均匀抽运,预电离结构尤为重要,激光器采用64个独立放电单元作为紫外预电离光源,它们均匀分布在增益区两侧,采用这64个独立放电单元产生的紫外光同步照射增益区,以获得均匀预电离效果。每个独立放电单元由一个针形预电离电极和高压电极组成,间隙距离为3 mm;预电离电极的另一端通过峰化电容C_p耦合接地,C_p为2 nF的高压陶瓷电容。采用文献[ 16]报道的方法,考虑光子能量为5~10 eV的紫外光,数值模拟了激光器的预电离效果,如图2所示,其中x表示沿电极宽度方向的尺寸,y表示沿电极长度方向的尺寸,z表示垂直于阴极表面方向的高度。在模拟过程中,紫外光源由 64个独立的预电离放电单元组成,将每个预电离放电单元简化为一个点光源。激光介质选择压强为8.5 kPa六氟化硫(SF₆)和乙烷(C₂H₆)混合气体,由于C₂H₆气体的物质的量分数较小(8%),该模型可简化为紫外光电离SF₆分子的过程,主要包括 SF₆分子的光电离和光吸收、SF₆分子的电子吸附、S F6+和电子的复合,以及 S F6-解离成为 SF₆分子和自由电子等过程。由图2(a)可知,增益区两侧越靠近预电离放电单元位置的预电离电子浓度(n_e)越大,在光轴位置(x=0)处,预电离电子浓度最小,平局值约为1.2×10⁹ cm^-3;图2(b)展现出距离阴极表面越远,预电离电子浓度越小,阳极表面附近预电离电子浓度的平均值约为1.0×10⁹ cm^-3,另外沿着光轴方向的预电离电子浓度随预电离放电单元空间分布呈周期性变化。模拟结果表明,激光器设计64个独立放电单元作为预电离点光源,在整个增益区内产生的预电离电子浓度达到了10⁹ cm^-3量级,预电离效果较为明显,对大体积均匀放电形成具有积极作用,有利于输出高重复频率大脉冲能量的放电引发非链式HF激光。

激光器运行时,主开关被击穿,主电容的电压反向,并迅速作用到激光器放电腔室的高压电极上,各个预电离间隙同步导通,形成64个独立的放电单元,在激光器放电腔内形成良好的预电离效果。同时,采用储能电容给峰化电容C_p充电,然后激光器主电极导通,在放电腔室形成均匀体放电。当激光器形成均匀体放电时,放电等离子体的荧光照片和典型放电波形见图3。

图 2. 增益区电子浓度分布。(a) z=0.6 cm;(b) x=0.75 cm

Fig. 2. Electronic concentration distributions of gain region. (a) z=0.6 cm; (b) x=0.75 cm

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图 3. 放电波形和体放电照片。(a)放电波形;(b)体放电照片

Fig. 3. Waveform of discharge and corresponding photograph of volume discharge. (a) Discharge waveform; (b) photograph of volume discharge

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激光器的光学谐振腔为一对平平镜组成的介稳腔,全反镜为镀金平面镜,耦合输出镜为平面GaF₂玻璃。实验中采用波兰VIGO公司生产的响应光谱为3~5 μm的PDI-2TE-5型碲锌铬光电探测器测量激光输出信号波形,利用热敏纸记录HF激光的近场光斑,典型实验结果如图4所示。激光器输出的激光脉冲宽度约为150 ns,近场光斑强度分布均匀,尺寸约为22 mm×23 mm。

图 4. 激光波形和光斑形貌。(a)激光波形;(b)近场光斑

Fig. 4. Laser waveform and near field light spot. (a) Laser waveform; (b) near field light spot

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由于HF激光介质属于消耗型激光介质,且放电过程中大量的废热沉积在气体中,因此在激光器重复频率运行过程中,需要对增益区气体进行快速置换,为后续脉冲提供新的激光介质气体,同时实现对增益区气体的热处理,避免介质升温对激光能量的影响。根据文献[ 17]的研究结果,要想实现增益区气体介质的有效置换,流经增益区气体的流速必须满足

v≥k1lf,(1)

式中:v为增益区气体流速;k₁为气体置换率,通常选择2~3倍;l为放电区宽度;f为激光器的重复频率。(1)式为经验公式,与放电腔的结构有直接关系,对于所设计的放电腔结构,放电区宽度应包括两侧预电离结构的宽度,故l约为36 mm。为了在增益区形成大体积流量的均匀气流,激光器采用闭环流动方式,其外形结构如图5所示,选用两台轴流风机作为气体流速驱动装置,并联驱动激光器内部混合气体快速流动,单台轴流风机的最大体积流量为150 L/s,总流量可达到300 L/s。利用皮托管测量增益区气流的总压强和静态压强差Δp,进而可计算得到增益区的气体流速,即

v=k22Δp/ρ,(2)

式中:k₂为皮托管系数,约为0.99;ρ为气体密度。增益区沿光轴方向的气体流速分布见图6,可以看到,激光器增益区的气体流速可达到16 m/s,且流场均匀性较好,计算得到激光器重复频率达到150 Hz时增益区的气体置换率为3倍。

图 5. 放电引发HF激光器的结构图

Fig. 5. Structural diagram of electric discharge HF laser

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图 6. 增益区气体流速分布

Fig. 6. Flow speed distribution in gain region

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3 激光输出特性

非链式脉冲HF激光器采用SF₆和C₂H₆混合气体作为工作介质,其中C₂H₆气体的物质的量分数为8%,不同电压和气压条件下的激光能量见图7。激光器的电光效率可表示为

η=2WC0U02×100%,(3)

式中:W为激光脉冲能量;U₀为储能电容的充电电压。各实验条件下激光器的电光效率η如图8所示。从图7可以看出,当电压一定时,改变激光器混合气体气压,激光能量先增大后减小,存在一个最大值。这可能是因为当气压较低时,电弧放电融入到体放电阶段,致使沉积到体放电阶段的能量显著降低,产生的F原子和激发态的HF分子的数量较少,激光能量较小;随着气压逐渐增大,电弧放电效应逐渐减弱,沉积在体放电中的能量随之增加,解离的F原子和生成的激发态HF分子的数量增多,激光能量增大;当气压达到特定值时,电弧放电效应基本消除或与体放电完全分离,沉积到体放电阶段的能量最大,激光能量最高,定义此处的气压为该电压下的最佳气压,其所对应的折合场强E/p(激光器主电极间电场强度E与气压p的比值)为临界E/p_opt;继续提高气压,电子的平均自由程减小,电场加速电子的作用减弱,SF₆气体吸附电子的能力加强,导致体放电强度降低,剩余电压增大,沉积到体放电阶段的能量减少,从而降低F原子产额和减少激发态HF分子的数量,致使激光能量降低,最终激光能量随气压的增大呈现出先增大后减小的趋势。提高电压,激光器的最佳气压随之增加,激光能量迅速增大,最大能量约2.3 J,对应的峰值功率约为12.7 MW。从图8可以看出,在临界E/p_opt条件下,激光器的电光效率最佳,但是激光器的最佳电光效率却随电压的增加略有降低。例如:当工作电压为23 kV时,激光器的最佳电光效率约2.87%;而当电压为29 kV时,激光器的最佳电光效率约为2.75%。从图9可以看出,在激光器工作电压范围内,不同电压下的临界E/p_opt基本相同,约为1.32 kV/(cm·kPa),因此认为激光器处于临界E/p_opt状态时,各电压下激光器的储能均被沉积到体放电阶段。但是当电压较高时,放电电子碰撞离解SF₆分子时产生的F离子的概率有所增加,同时随着混合气体气压的增大,SF₆等气体分子碰撞淬灭的概率增大,故激光器的最佳电光效率会有所降低。

图 7. 不同条件下的激光能量

Fig. 7. Pulse energies under different conditions

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图 8. 不同条件下HF激光器的电光效率曲线

Fig. 8. Electro-optical efficiency curve of HF laser under different conditions

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图 9. 不同气压下的E/popt

Fig. 9. E/popt under different gas pressures

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4 重复频率运行结果

为了实现高重复频率的激光输出,理想情况下放电引发非链式脉冲HF激光器应选择运行在临界E/p_opt状态下,然而在激光器重复频率运行过程中,放电腔室很难实现完全恢复,难以保证临界E/p_opt条件下激光器重复频率运行中每个脉冲均形成稳定的体放电,这不利于激光能量稳定输出。为此当激光器重复频率运行时,通常会降低E/p值,实验中选择25 kV电压和8.5 kPa的混合气体压强来开展HF激光重复频率输出特性的研究。当增益区气体流速约为16 m/s时,激光器不同重复频率连续输出50个脉冲的能量曲线见图10;激光器重复频率为150 Hz时连续输出50个脉冲的放电叠加波形和激光信号波形序列如图11。从图10可以看出,在当前的实验条件下,HF激光器在重复频率为50~150 Hz范围内均实现了稳定输出,但是随着重复频率的增大,激光器的平均能量有所下降,当激光器重复频率达到150 Hz时,激光器的平均能量约为1.35 J,比50 Hz重复频率运行的平均能量(1.55 J)降低了12.9%。这可能是因为在放电引发非链式HF激光器重复频率运行过程中,除气体置换速率外,脉冲能量还与单位体积内的沉积能量有关。在相同的重复频率下,单位体积内沉积的能量越多,实现激光器脉冲能量稳定输出需要的气体置换率越大。黄珂等^[18]和Brunet等^[11]所报道的激光器单位体积内沉积能量分别为2 J/(mL·atm)和1.67 J/(mL·atm),atm表示标准大气压,1 atm=101.325 kPa,且以上两台激光器实现100 Hz重复频率能量稳定输出相应的气体置换率分别为5倍和3倍。本实验中激光器单位体积内沉积能量为2.45 J/(mL·atm),较文献[ 18]和文献[ 11]的报道结果分别提升了22.5%和46.7%。当激光器的重复频率为50Hz时,气体置换率约为8.8倍,明显大于文献[ 18]和文献[ 11]报道的气体置换率,增益区气体置换较为充分,后续脉冲能量与初始脉冲能量差异较小,平均能量大;当重复频率增大时,脉冲间隔时间变短,气体置换速率降低;当激光器重复频率达到150 Hz时,气体置换率降至2.9倍,低于上述两篇文献报道的气体置换率,由图11(a)可知,此时激光器的气体流速达到了高压放电绝缘恢复要求,激光器150 Hz重复频率放电稳定,考虑到激光器单位体积内沉积能量较大,受脉冲放电影响,增益区气体状态(气压和气体成份)不能恢复到初始状态,使得后续脉冲激光能量有所降低,平均能量降低,但在增益区气体状态达到动态平衡后,激光能量可稳定在平均值附近。

图 10. 不同重复频率时HF激光器的能量曲线。 (a) f=50 Hz;(b) f=100 Hz;(c) f=120 Hz;(d) f=150 Hz

Fig. 10. Curves of pulse energy for HF laser with different repetition rates. (a) f=50 Hz; (b) f=100 Hz; (c) f=120 Hz; (d) f=150 Hz

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图 11. 放电引发HF激光器重复频率为150 Hz时50个脉冲的实验波形。(a)叠加的放电波形;(b)激光脉冲序列

Fig. 11. Experimental waveforms of 50 pulses for electric discharge HF laser with repetition rate of 150 Hz. (a) Overlaid discharge waveform; (b) pulse sequence waveform

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5 结论

利用自动紫外预电离放电引发方式和Chang氏电极结构,建立闭环重复频率焦耳级HF激光器。理论分析了激光器的紫外预电离效果,当增益区预电离电子浓度达到了10⁹ cm^-3量级时,预电离效果较为明显,可以促进激光器在强电负性气体(SF₆和C₂H₆混合气体)中实现大体积均匀体放电。

在23~29 kV电压范围内获得了HF激光器的输出特性,发现在每个电压下均存在一个气压使得激光器的电光效率最高,即此时激光器工作在临界E/p_opt状态,且在所研究的条件下激光器的临界E/p_opt基本不变,约为1.32 kV/(cm·kPa)。保持激光器处于临界E/p_opt状态,提高电压,激光器的电光效率略有降低,但激光能量迅速增大,故选择HF激光器运行在高电压的临界E/p_opt状态,能有效提升激光器的输出能量。实验中,当激光器运行在29 kV电压的临界E/p_opt条件时,激光能量达到2.3 J,脉冲宽度约为150 ns,峰值功率约为15.3 MW,电光效率为2.73%。

增益区气体快速均匀置换是HF激光器重复频率稳定输出的重要技术途径,利用两台并联快轴流风机驱动激光器内部气体介质快速循环流动,使得增益区气体流速达到16 m/s,激光器的150 Hz重复频率对应的气体置换率为2.9倍。在电压为25 kV、气体压强为8.5 kPa的条件下,HF激光器实现了50~150 Hz重复频率稳定运行。由于所设计的激光器单位体积沉积能量较大,重复频率运行过程中增益区气体状态(气压和气体成份)不能恢复到初始状态,平均能量随重复频率的增大而降低;当重复频率为150 Hz时,激光器的平均能量约为1.35 J,对应的平均功率约为200 W。