1 引言

HF化学激光器的中心波长为2.7 μm^[1-2],在激光医学、激光光谱、大气光学与检测、光电对抗、激光抽运等领域有着良好的应用前景^[3-9],其中非链式HF激光器在可控性和小型化方面具有明显优势,且可实现高峰值功率脉冲输出。1967年,Deutsch^[10]首次获得单脉冲放电引发非链式HF化学激光输出,引起了世界各国的广泛关注,其也是现阶段倍受关注的中红外激光源之一。

美国、俄罗斯、法国、英国、日本等国家的学者对放电引发非链式HF激光器进行了大量研究,早期研究主要集中在激励过程的激光化学和激光光谱学,以及新型放电结构和激光工作介质等方面^[11-14]。20世纪90年代后,重复频率运行逐渐成为关注重点,Brunet等^[15]研制了高平均功率的重复频率脉冲HF激光器,平均功率在重复频率为110 Hz时达到了500 W。Lacour^[16]获得重复频率为12 Hz、单脉冲能量为20 J的HF激光输出。Harris等^[17]采用闭环方式研制了1 kHz量级的HF激光器,获得了重复频率为1.5 kHz、平均功率为2 W的HF激光输出。Velikanov等^[18]研制了一台运行频率为1.2 kHz、平均功率为25 W的HF激光器,并且通过对循环系统的优化,在2009年将该系统的运行频率提高到2 kHz,平均功率提高至 40 W。

2000年后,国内开始进行放电引发脉冲HF化学激光器技术的研究,已获得焦耳级单脉冲HF激光输出^[19-22],但是放电引发非链式HF化学激光器的重复频率还较低^[23-25],100 Hz重复频率运行的非链式HF激光器鲜有报道。本文采用三电极触发管型气体火花开关,利用自动紫外预电离的放电引发方式,建立了闭环放电引发非链式重复频率脉冲HF激光器,并实现了100 Hz重复频率的HF激光输出。

2 激光装置

放电引发非链式HF激光器采用气体火花开关控制的横向放电方式获得高功率输出,利用激光介质气体闭环流动实现激光器重复频率运行。该激光器由放电引发源、大功率气体火花开关、气体循环系统、充电电源和触发器组成,其外形结构如图1所示。

图 1. 100 Hz重复频率放电引发非链式HF化学激光器的结构示意图

Fig. 1. Structural diagram of electric-discharged non-chain HF chemical laser with 100 Hz repetition rate

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2.1 放电引发源

激光器的放电引发源采用文献[ 19]中提及的电容储能电荷转移型电路及紫外自动预电离结构,在其基础上对放电区结构进行优化设计,使放电引发电路的结构更加紧凑。主电极选用一对非对称长条形不锈钢电极,高压电极为Chang氏电极,地电极为两边倒圆角的平板结构,放电增益区的尺寸约为12 mm×17 mm×460 mm。预电离电极位于高压电极两侧,由24对不锈钢针组成,针尖与高压电极的距离均为2 mm,另一端通过峰化电容C_p耦合接地,C_p表示电容为400 pF的高压陶瓷电容器。激光器的储能电容器C₀由8个10 nF的无感陶瓷电容器并联组成。

2.2 大功率气体火花开关

激光器的开关为三电极触发管型气体火花开关,结构如图2 所示。为了使极间电场尽量均匀,提高开关工作稳定性,主电极采用类半球形结构,电极间隙为4 mm。触发电极采用冠状结构,完全置于触发孔径内,其顶部刚好与地电极表面齐平。开关绝缘筒为内径φ90 mm、高70 mm的有机玻璃筒。本实验的开关工作气体压强为0.4 MPa,保证开关具有良好的关断性能,可在20~30 kV电压范围内实现100 Hz重复频率运行。

图 2. 火花隙开关结构示意图

Fig. 2. Structural diagram of spark gap switch

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2.3 气体循环系统

为了消除脉冲放电过程对放电区混合气体的影响,实现激光器高重复频率运行,激光器采用轴流风机驱动混合气体闭环流动,轴流风机的转速为8000 r/min,最大的气体流量为4800 L/min,放电区气体流速可达到9 m/s,可满足激光器100 Hz重复频率运行中脉冲间隔时间内完成放电区气体2~3倍置换率的需求。图3所示为轴流风机转速为8000 r/min时放电引发非链式HF激光器放电区轴向气体流速分布曲线。

图 3. 激光器放电区的流场分布

Fig. 3. Flow rate distribution in discharge region of laser

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2.4 谐振腔

激光器采用正支虚共焦非稳腔提高输出激光的光束质量,正支虚共焦非稳腔由一对凹面反射镜和凸面反射镜组成,放大率M=3,其光路布局如图4(a)所示。凹面反射镜和凸面反射均为镀金全反镜,小孔光阑通光孔径在2~20 mm可调,凸透镜焦距为2 m。实验中采用热敏纸记录激光光斑,在靠近激光器侧凸透镜旁记录激光束的近场光斑,结果见图4(b),可以看到光斑阴影部分可能由腔内电极遮挡所致;在凸透镜远离激光器侧的焦点处测量激光束的远场光斑,如图4(c)所示,并计算得出放电引发非链式HF激光器的衍射极限倍数β=2.37。

图 4. 非稳腔结构示意图及光斑。(a)非稳腔结构;(b)近场光斑;(c)远场光斑

Fig. 4. Schematic of unstable cavity and beam pattern. (a) Layout of unstable cavity; (b) near-field spot; (c) far-field spot

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2.5 电源和触发器

激光器的外部电源为芜湖国睿兆伏电子科技有限公司研制的高压恒流电源,充电电压在0~30 kV内可调,最大电流为2 A,最大功率为25 kV,重复频率在0~200 Hz范围内可调。高压触发器采用成都森远科技有限公司生产的高重复频率脉冲发生器,其输出电压呈正极性,在20~50 kV内可调,前沿小于40 ns,脉冲宽度约为50 ns,最大运行频率为500 Hz。

3 激光输出特性

六氟化硫(SF₆)气体安全无毒,作为F原子的施主可以获得较高的激光能量和电学效率;乙烷(C₂H₆)气体可以有效抑制气体放电的不稳定性,增强激光器重复频率运行稳定性。100 Hz重复频率放电引发非链式HF激光器采用SF₆和C₂H₆混合气体作为工作介质,气体摩尔分数之比n_SF6∶n_C2H6=92∶8,可在很宽的气压范围(8~20 kPa)内获得激光输出,图5所示为不同总气压条件下激光能量和效率随电压的变化曲线。1)同一气压条件下,激光能量随工作电压的增大而增加,且达到某一工作电压后激光能量增速变缓,但在激光器的工作电压范围内没有出现激光能量大幅降低的现象。这主要是因为增加工作电压,放电强度增大,F原子产额增加,激光能量增大;然而电压达到一定数值后,激光器出现电弧放电,放电沉积到气体中的能量沉积效率降低,激光能量增速变缓;另外非对称电极的应用与激光介质气体的优选,提高了激光器的放电稳定性,即使在高电压、低气压条件下,电弧放电亦没有融入体放电过程导致激光能量大幅降低。2)激光器的每个电压均存在一个最佳工作气压,使得该电压条件下激光输出能量最高,效率最大;且激光器的最佳工作气压随电压增大而增大。当电压为21 kV时,其最佳工作气压P为8 kPa,对应的激光能量为477 mJ,效率为2.7%;电压增至29 kV时,最佳工作气压变为14 kPa,相应的激光能量为796 mJ、效率为2.54%。由于激光器的电源电压受限,当气压大于14 kPa时,激光器无法运行在最佳状态,效率下降,当气压为20 kPa时,激光工作在29 kV电压下的激光能量约为633 mJ、效率只有1.88%。因此,为获得高功率、高效率HF激光,在所述实验条件下,放电引发脉冲HF激光适合的气压为14 kPa。

图 5. 不同气压下的激光能量和电效率。(a)激光能量;(b)电效率

Fig. 5. Pulse energy and electric efficiency under different gas pressures. (a) Laser energy; (b) electric efficiency

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4 重复频率实验结果

为了实现高功率的100 Hz重复频率HF激光输出,选择气压为14 kPa、电压为29 kV,此时气体循环系统中轴流风机的转速选择8000 r/min,对应的激光器放电区的气体流速为9 m/s。激光器连续输出50个脉冲的能量曲线如图6(a)所示,与之对应的放电波形见图7(a)。由图6(a)可知,当气压为14 kPa、电压为29 kV时,激光器100 Hz重复频率运行过程中激光能量不断下降。其放电波形表明,重复频率运行过程中,除初始几个脉冲外,其他脉冲放电过程均出现了电弧,且电弧融入了体放电过程,融入程度随着重复频率运行时间的增加而不断增大,使得后续脉冲体放电的持续时间不断减小,激光脉冲宽度不断减小,激光能量不断降低。分析认为:工作电压为29 kV所对应的激光器放电区的储能密度约为358.5 J/L,其折合气压能量密度约为25.6 J/(L·kPa),比文献[ 12]中HF激光器的折合气压能量密度[14.4 J/(L·kPa)]大得多,激光器放电更加剧烈,脉冲间隔内气体不能完全恢复,导致后续脉冲放电状态变差,电弧放电不断提前,激光能量不断降低。本实验还通过降低激光器工作电压来改善激光器重复频率的放电状态,图6(b)、(c)和图7(b)、(c)所示分别为工作电压U为27 kV和25 kV时,激光器重复频率为100 Hz的激光能量曲线和放电波形。实验结果表明:减小工作电压,激光器的放电状态逐渐改善,当工作电压减小到25 kV时,重复频率运行激光器的放电过程中未观测到电弧放电现象,能量稳定性明显改善,峰峰波动可小于±4%,100 Hz重复频率脉冲HF激光的平均功率约为50 W,其折合气压能量密度约为18.9 J/(L·kPa)。

图 6. 不同电压下100 Hz重复频率脉冲HF激光器的能量曲线。(a) U=29 kV;(b) U=27 kV;(c) U=25 kV

Fig. 6. Pulse energy curves of HF laser with 100 Hz repetition rate under different voltages.(a) U=29 kV; (b) U=27 kV; (c) U=25 kV

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图 7. 不同电压下HF激光器100 Hz重复频率运行的叠加波形。(a) U=29 kV;(b) U=27 kV;(c) U=25 kV

Fig. 7. Overlaid waveforms of HF laser with 100 Hz repetition rate under different voltages.(a) U=29 kV; (b) U=27 kV; (c) U=25 kV

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5 结论

利用非对称电极和紫外预电离电路研制出紧凑型闭环100 Hz重复频率脉冲HF激光器。选择摩尔分数之比为92∶8的SF₆和C₂H₆混合气体作为工作介质,在较宽的气压范围(8~20 kPa)内实现了HF激光输出,获得激光能量随气压、电压的变化规律;激光器的最大脉冲能量为845 mJ,最高效率为2.7%,激光光束衍射极限倍数β为2.37。

实现了100 Hz重复频率HF激光输出,获得了该重复频率下HF激光输出能量稳定性随电压的变化规律;通过减小电压,降低激光器放电区的折合气压能量密度,在气体置换速率为9 m/s、气体介质气压为14 kPa、工作电压为25 kV条件下,激光器100 Hz重复频率运行的平均能量约为50 W,效率约1.92%,激光能量波动小于±4%。