Air-breathing mode laser propulsion experiment with a long-pulse transversely excited (TE) CO₂ laser is carried out, and its ignition problem is solved with the ignition needle of lightcraft. Owing to the ignition needle, an order of magnitude reduction in the ignition threshold is demonstrated. The result is compared with previous study. The momentum coupling coefficient is also measured in the experiment and its dependence upon laser pulse energy (6-14 J) and pulse width (20, 32, and 40 \mu s) is discussed.

研究了一台增益体积为2.48 L,采用pulser/sustainer放电技术激励的高功率长脉冲紫外预电离TE CO2激光器的运转特性。激光器采用普通平凹稳定腔输出或光栅谐振腔调谐输出。在20-40 kPa气压范围,10-50 μs放电脉冲宽度下,均获得均匀稳定的大体积辉光放电和大能量长脉冲激光输出。给出了激光器在不同脉冲宽度、不同气压下的典型放电电压、放电电流波形和详细的激光输出脉冲能量及电光转换效率数据;也给出了采用光栅谐振腔调谐输出时4条主要激光跃迁谱线的输出激光脉冲波形。工作在非调谐谐振腔和激光混合气气压30 kPa时,激光器以50.1 μs放电脉冲宽度工作,单脉冲输出激光能量11.1 J,相应脉冲功率达220 kW;以31.6 μs放电脉冲宽度150 Hz高重复频率工作输出平均功率达1.52 kW,相应平均脉冲能量10.0 J,脉冲功率超过300 kW。

采用光栅谐振腔,对基于Pulser/Sustainer技术的紫外预电离长脉冲TE CO2激光器的调谐特性进行了实验研究.在增益体积为1.17 L,激光混合气体比CO2:N2:He=1:5:19的条件下,比较了刻槽密度分别为80、120、150 line/mm的光栅在不同工作气压和激励电路条件下的激光器调谐特性,其中,120 fine/mm的光栅谐振腔可以输出75条激光谱线,4条主要谱线(9R(20)、9P(20)、10R(20)、10P(20))输出能量与采用全反铜镜的非调谐谐振腔激光器输出能量相当.深入实验研究了120 line/mm光栅谐振腔激励电路和工作气压对长脉冲TE CO2激光器调谐特性的影响.

当工作气体温度变化时,脉冲TEA CO2激光器的输出波长也可能发生变化,此现象称为输出波长的温度漂移。通过建立六温度理论模型,用数值计算的方法揭示了平凹稳定腔脉冲TEA CO2激光器输出波长的温度漂移规律。计算结果表明,这种激光器输出光谱为多谱线结构,工作气体温度升高,激光输出波长向长波长方向移动; 工作气体温度降低,激光输出波长向短波长的方向移动。计算结果还表明,激光输出波长随温度的漂移局限在10P支内,没有9 μm带与10 μm带之间的跨带移动,因此,采用光栅谐振腔,可抑制脉冲TEA CO2激光器输出波长的温度漂移,稳定激光输出波长。

采用光栅谐振腔,对一台基于Pulser/sustainer技术的紫外预电离长脉冲TE CO2激光器的调谐特性进行了实验研究。在增益体积为1.17 L,激光混合气体体积比V(CO2):V(N2):V(He)=1:5:19,工作气压为30 kPa条件下,实验测量了75条激光谱线的输出脉冲能量和脉冲宽度(半高全宽,FWHM),结果表明,相同的激励条件下,不同的激光波长,激光输出脉冲宽度有所不同。通过仔细观察比较四条主要谱线(9R(20),9P(20),10R(20),10P(20))的激光输出脉冲波形随放电电压、放电脉宽以及气体成分配比等的变化情况,说明基于pulser/sustainer技术激励的长脉冲可调谐TE CO2激光器的激光输出脉冲宽度随调谐波长的不同而变化。简单实验分析表明,谱线增益的变化可能是引起谱线输出脉冲宽度不同的主要原因。