为了测量稳定运行时超声速自由旋涡气动窗口(ADW)产生的像差,评价ADW的光学性能,提出了一种基于一维自准直Shack-Hartmann传感器,用拼接法进行波前复原测量气动窗口的方法。采用671 nm光源作为测试光源,高帧频CCD面阵相机采集经Shack-Hartmann波前传感器聚焦的子光斑阵列,采用拼接法进行波前复原。讨论分析了波前像差中沿y方向的倾斜量、波前峰谷(PV)值和均方根(RMS)值与气动窗口工作状态的对应关系。实验结果表明,压力稳定时长曝光PV值为0.1729λ,RMS值为0.0578λ。实验数据说明了Shack-Hartmann传感器拼接法对测量ADW光学性能的可行性,对ADW的进一步优化和实际应用具有重要的工程指导意义。

建立自由旋涡气动窗口全流场仿真模型，对大密封压比气动窗口的全流场展开数值研究，得到自由旋涡气动窗口的流场结构，发现大密封压比气动窗口形成的自由旋涡射流在光束输出通道内无明显的波系结构.根据模拟结果对自由旋涡气动窗口的性能进行优化，对自由旋涡喷管上壁面型线进行二次粘性修正.优化自由旋涡射流场后，激光器输出光束通道内压力分布稳定上升；增加扩压器外端壁吹气1.19 MPa、内端壁吹气1.68 MPa时，自由旋涡射流总能提高，气动窗口密封压力从37.5 torr降低至6 torr.该研究结果对自由旋涡气动窗口技术的发展具有参考意义.

为提高压力恢复系统效率,设计并制造了一台高翅管换热器。采用滚扎而成的整体式螺旋高翅片管,代替套片式圆形普通翅片管,翅片管材料为紫铜,管束按等腰三角形叉排布置,管内强制水冷。测试了高翅管换热器的阻力特性,对比分析了加入换热器前后压力恢复系统性能的变化。结果表明: 随着背压的提高,该换热器流阻逐渐降低,当背压达到9.366 kPa时,换热器流阻为0.133 kPa,仅占换热器入口激光尾气压力的1.4%;与不加换热器相比,加入高翅管换热器后的引射器混合室入口压力降低了12.95%,压力恢复系统的效率得到了提高。

针对采用主动式扩压器的自由旋涡气动窗口, 实验考察了扩压器入口面积比对扩压器压力恢复性能及自由旋涡气动窗口密封性能的影响。结果表明：入口面积比是影响扩压器压力恢复性能的重要因素;通过优化扩压器入口面积比,可以提高气动窗口密封压比和稳定性。主动式扩压器比传统扩压器具有更小的最佳入口面积比, 使气动窗口射流更接近于理想自由旋涡射流;主动式扩压器最佳入口面积比约为2.03。在最佳入口面积比情况下, 扩压器内端壁吹气临界驻室压力最低, 外端壁吹气压力对密封压力基本没有影响。

为减小激光束透过超声速自由旋涡气动窗口时的退化畸变,提高光束质量,基于气动窗口(ADW)射流外侧剪切层与环境折射率和压力同时匹配理论,提出N2/He双组元混合气射流工质方案,讨论了混合气组分比例确定方法。对N2和N2/He混合气两种射流工质分别进行了实验,以波长为0.6328 μm的He-Ne激光器为光源,用哈特曼波前传感器采集数据,给出了激光束透过射流时的波像差峰谷(PV)值。结果表明,N2为射流工质时,波前畸变峰谷值约为0.18 μm;N2/He混合气为射流工质时,波前畸变峰谷值约为0.13 μm,说明N2/He混合气取代N2作为射流工质,可以有效提高气动窗口的光学质量。