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1、电激励红外多波段化学激光器研制及进展1袁圣付 ( 国防科技大学光电学院定向能技术研究所，湖南长沙，4 1 0 0 7 3 )摘要：介绍了多波段激光器的应用前景、实现电激励红外多波段化学激光器的基本原理，目前已经建立了多个多波段激光器的试车台，本文重点介绍在多波段激光器方面的进展情况。一、引言多波段红外化学激光器可以在红外探测器等很多方面具有非常重要的应用前景。可以用于研究红外激光的大气传输，从而探讨高能D F H F 化学激光器提供的高能激光束( 2 7微米和3 8 微米附近) 在大气中的传输和衰减效应；可以为小信号增益测量提供探针光源；可以为红外光学薄膜的质量检测和膜曾层厚度控制等提供光源，
2、而高能D F H F 激光器的腔镜镀膜是高能激光器的核心技术之一；人体内的水分对2 7 微米附近的吸收很好，所以上述激光器还可以用于研究激光生物医学。总之，红外多波段激光器可以为大气传输、小信 号增益测量、红外探测器效应、光学检测、红外物理、激光生物医学等各项研究提供各种红外波长的激光光源。二、基本原理选择合适的化学反应体系，反应形成氟化氢氟化氘和溴化氢分子振动转动态的粒子数反转和激射，并利用转移型二氧化碳化学激光器的原理形成二氧化碳分子的振动转动态反 转，从而产生包括氟化氢泛频在内的l 到5 微米和9 到I l 微米范围内的很多种红外波长连续波激光输出。对于各个波段的反应体系选择来讲：根据光
3、谱和泵浦反应放出的能量计算结果、以及现有的大量文献和实验结果，初步确定如下：激光介质名称输出波段微米反应体系泛频氟化氢1 2 1 4F + H 2 _ _ H F ( v ) + H 氟化氢_ H F2 5 3 1F + H 2 H F ( V ) + H氟化氘- D F3 4 - - 4 1F + D 2 _ D F ( v ) + D 氯化氢一H C l3 6 - 4 5C l + H I H C l + I氯化氘D C l5 0 5 6D + C 1 2 D C l + C lB r + H I H B r + IO r溴化氢4 0 - - 4 6 H + B r 2 - _ H B 什
4、B rC 0 29 1 1H D X ( v ) + C 0 2 H D X + C 0 2 ( v )1 国家自然基金资助项目( 项目号：1 0 3 0 4 0 2 5 ) 作者：袁圣付，男，1 9 7 5 1 1 月出生，副教授，主要从事化学激光器研究。一4 2 其中的卤素原子可以通过高压直流放电N F 3 S F 6 + H e ( 氦) 混合气体得到F 原子，然后与其它卤素分子的置换反应生成卤素原子和卤素互化物( 氟化氯、氟化溴等) 。三、单放电管激光器实验台的进展情况1 撑激光器( 原理机) 如图1 所示，通过研究后建立了2 群激光器，如图2 所示。 2 激光器的使用性能、安全性能、
5、激光输出性能、造价以及工程化水平等方面 均较1 撑有很大的进步。2 撑装置光腔架采用“刚性“ 设计方案，运转时无需重新 调腔；在最佳状态时曾输出近2 0 瓦的H F 、1 2 5 瓦的D F 多模激光，运行参数 如下表所示：N z S L MH e S L MS F S L M0 2 S L MH ，S L M副电压电流A腔压功率wH o S L Mk vk P a4 。2 63 4 42 5 42 o2 0 42 0 2iO 。5现4 51 。5 51 9 8通过配置光阑选横模实现基横模( T E M o o ) 输出，实现了H F 激光大于5 瓦、 D F 激光大于3 瓦左右的单横模输出；
6、通过配置选线腔选线后实现单谱线输出， 实现了“多谱线功率大于1 0 瓦，单谱线输出1 瓦”的基本性能。在激光器的性能研究过程中，为了寻找最佳的光轴位置，我们采用了扫描 光轴技术：即光腔采用平凹腔，激光器调节出光后，平镜不动，凹镜绕光轴和 流场方向( 激活区长度方向) 构成面的法线轴旋转，从而实现光轴沿着激活区长度 方向扫描，观察输出功率的变化，最大输出功率处即最佳光轴。图1 、l 激光器实验台图2 、2 激光器实验台( 多谱线)在大部分的实际应用中，光束质量和功率稳定性比提高输出功率更为重要， 因此，在获得2 0 瓦H F 激光功率输出、1 2 5 瓦的D F 激光功率输出之后，研究 重点转移
7、到提高激光器的光束质量提高和功率稳定性两个方面。采用热敏纸和红外热像仪( 8 1 2 微米波段，测二次热效应) 两种方式观测和 记录光斑，能够方便、准确地观测到激光器所输出的光斑，如图3 和图4 所示j在功率稳定性方面，我们采用了量热型功率计和红外热敏电阻探测器( 如图4 3 5 ) 两种采集方法。其中量热型功率计采用热积分方式，红外热敏电阻探测器的 响应时间为毫秒级。D F 激光器输出功率能稳定在5 以内( 一般可以到3 ， 如图6 所示) ，对于职激光输出时，功率稳定性更好。 从运转时间的角度来看。我们目前研制的电激励激光器可以长时间运转( 单 次连续运转4 个小时以上) 。图3 、热敏纸
8、观测到的多横模光斑图4 、热像仪采集的单横模光斑强度分布图0 枷椰- 1 枷 1 绷 1 1 m 蚰J lC d h d n h图5 、R M 5 A 热敏电阻红外探测器图6 、红外探测器输出电压随时间变化曲线口T 曲线)四、六根放电管激光器实验台的进展情况在单放电管激光器l 捍和2 撑实验台上，我们积极开展了基于链式反应体系的 H C I 和H B r 激光体系的实验研究，但遗憾的是没有激光输出。分析结果表明： 是1 撑和2 桴激光器的增益太小，而光腔的损耗又比较大，激光器振荡条件不满足。 因此，从提高增益系数和降低光腔损耗两个方面着手。在理论计算的基础上， 我们开展了6 根放电管的电激励红
9、外多波段激光器试验台( 称之为：3 撑激光器， 如图7 所示) 的研制。3 撑激光器的设计采用了六根放电管，根据理论模拟和实验4 4 ，们鸲如侣”咕，p古Jo&|葛导o结果对气流通道初步进行了优化设计，相关的设计也根据1 拌和2 群激光器的使用 情况进行了相应改进。增益区的长度是1 样和2 撑激光器的2 6 倍，最大达到了6 0 厘米，可以近似地认为最大总增益系数大小为l 撑和2 撑激光器的6 倍。目前在3 拌 激光器上，实验表明：2 管获得了4 1 W 的D F 激光输出，6 管获得了1 0 0 W 左右 的激光输出，演示成功D F H F 双波段激光输出，正在进行C 0 2 H C l H
10、 B r 泛频 H F 等波段的演示。图7 、3 撑激光器照片( 分别以6 管和2 管运行状态)五、结束语本项目研究在国内的应用需求是相当急迫的，需求主要集中在D F C 0 2 ( 3 5 微米和8 12 微米) a nH F H B r ( 2 7 微米和4 3 微米) 两个双波段或者单波段。前者 对应于红外对抗的应用需求，后者对应于某种信标光源。因此，从应用需求牵 引的角度来讲，在基本演示成功多波段激光器后，未来考虑着重开展D F C 0 2 和H F H B r 两种波段双波段激光器的研究。参考文献 1 R w F 格罗斯，J F 博特化学激光手册 2 袁圣付连续波D F H F 化学
11、激光器新型增益发生器的理论设计工学博 士学位论文国防科技大学研究生院2 0 0 2 年3 月。 2 侯振宁美国天基红外系统( S B I R S ) 的发展现状光机电信息第8 期2 0 0 2 年 4 黄瑞平，孙以珠“小型连续波H F 化学激光器“中国激光1 9 8 2 年 5 J J H i n c h e n ，O p e r a t i o no fas m a l ls i n g l e m o d es t a b l eC Wh y d r o g e n f l u o r i d el a s e r ，J o u r n a lo fA p p l i e dP h y s i c s ，V 0 1 4 5 ，N o 4 ，1 9 7 4 6 D J S p e n c e r ，J A B e g g s ，H a r o l dM i r e l s ，S m a l 卜s c a l ec wH Fc h e m i c a l l a s e r ，J o u r n a lo fA p p l i e dP h y s i c s ，V 0 1 4 8 ，N o 3 ，1 9 7 7 7 W K e r c h n e r 固体激光工程( 中译本)4 5
