化學(xué)氧碘激光器的診斷

1、第9卷第3期1997年8月強(qiáng)激光與粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS.9,No.3VolAug.,1997化學(xué)氧碘激光器的診斷王建祥杜祥琬(北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所,北京8009信箱,100088)摘要將化學(xué)氧碘激光器(COI氣流混合診斷、增L)本身的診斷分述為流場(chǎng)特性診斷、益介質(zhì)診斷和光腔診斷,系統(tǒng)討論了各種診斷的要求,并分別討論了各種診斷的基本原理及方法。關(guān)鍵詞化學(xué)氧碘激光器診斷ABSTRACTThediagnosticsofthechemicaloxygen2iodinelaser(COIL)devicearediscussedsystematical

2、ly.Itisdividedintoseveraldiagnosticsubsystemssuchasflowdiagnos2.tic,oxygen2iodineflowmixingdiagnostic,gainmediumdiagnosticandresonatordiagnosticTherequirementofeverydiagnosticparameter,theirmeasureprinciplesandmetnods,aredis2cussedsystematically,somediagnosticexamplesarealsogivenrespectively.KEYWORD

3、Schemicaloxygen2iodinelaser,diagnostic化學(xué)氧碘激光器已經(jīng)發(fā)展多年,但要達(dá)到實(shí)用化的階段,還需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì),以減小體積,提高效率,增大功率并獲得良好的光束質(zhì)量。在這個(gè)過程中,診斷技術(shù)必不可少?；瘜W(xué)氧碘激光器診斷是通過測(cè)量化學(xué)碘激光器運(yùn)行的表象參數(shù),達(dá)到了解化學(xué)氧碘激光器的運(yùn)行狀況,特別是其內(nèi)部的實(shí)時(shí)信息,以便弄清產(chǎn)生某種表象的內(nèi)因,從而進(jìn)一步優(yōu)化化學(xué)氧碘激光器的設(shè)計(jì)、運(yùn)行。因此,自化學(xué)氧碘激光器誕生以來,它的診斷技術(shù)也在并行發(fā)展著。美國的化學(xué)氧碘激光器都有專門用作診斷的部件。80年代末,美國還研制了一臺(tái)小型的化學(xué)氧碘激光器(RADICALCOIL)專門用

4、來進(jìn)行診斷和優(yōu)化參數(shù)研究1。最近美國又開始特別注重診斷技術(shù)的研究,不過,到目前為止,還沒有公開發(fā)表的系統(tǒng)討論化學(xué)氧碘激光器診斷研究工作的文章。1化學(xué)氧碘激光器診斷的對(duì)象高能激光系統(tǒng)的診斷實(shí)際上可分為兩類:激光光束診斷和激光器診斷。前者討論高能激光器發(fā)射出的激光束的各種性能參數(shù)(如功率、波長、光束質(zhì)量等)的診斷,這種診斷可拋開具體的激光器技術(shù),因此各種高能激光系統(tǒng)的這類診斷技術(shù)基本上是相同的。事實(shí)上,這類診斷2技術(shù)已經(jīng)發(fā)展完備,形成了一套成熟的理論。而另一類診斷,高能激光器本身的診斷,討論激光器各種部件 子系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的診斷技術(shù)。它關(guān)注各個(gè)部件的工作性能及各個(gè)子系統(tǒng)相關(guān)過程的細(xì)節(jié)情況,以便維護(hù)和

5、優(yōu)化激光器的運(yùn)行。每種激光器的這類診斷各有特色,需要分別考慮。當(dāng)然,只有這兩種診斷綜合使用,才能達(dá)到診斷的目的。本文的討論主要局限于化學(xué)氧碘激光器的后一種類型的診斷。連續(xù)波超音速化學(xué)氧碘激光器的工作原理見圖1。單態(tài)氧發(fā)生器中,氯氣與過氧化氫堿溶國家863激光技術(shù)領(lǐng)域資助項(xiàng)目。1997年1月20日收到原稿,1997年6月10日收到修改稿。王建祥,男,1970年7月出生,碩士,助理研究員© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.438強(qiáng)激光與粒子束第9卷液反應(yīng)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的O2(1),它

6、通過水蒸汽冷阱去掉大部分的水蒸汽后,在拉伐爾噴管內(nèi)與此處注入的碘分子氣流相混合,O2(1)中的能量通過一系列碰撞傳給基態(tài)碘分子而最終得到激發(fā)態(tài)的碘原子I(P2在光腔中激發(fā)態(tài)碘原子I(2P1 。1 2)。2)受激輻射而產(chǎn)生激光Fig.1distributionofmeasuredquantities圖1超音速COIL被測(cè)量分布圖整個(gè)過程涉及的物理量繁多,但基本上分為兩類:一類是系統(tǒng) 子系統(tǒng)評(píng)價(jià)參數(shù),如系統(tǒng)1的能量轉(zhuǎn)化效率、能量提取效率與化學(xué)效率、冷阱效率和光學(xué)諧振腔效率O2()發(fā)生器產(chǎn)率、等,它們是描述化學(xué)氧碘激光器的重要指標(biāo),但不能直接測(cè)量;另一類是激光器運(yùn)行中的可控制操作的物理量。前者由后者

7、決定并可通過后者表達(dá)。應(yīng)從后一類物理量中挑選物理量作為診斷對(duì)象。實(shí)際上后一類物理量也并不都是相互獨(dú)立的,需挑選那些較易于測(cè)量控制的作為獨(dú)立量,其它物理量可通過它們表達(dá)出來。各獨(dú)立量是單態(tài)氧發(fā)生器的工作溫度TG與壓力氦氣流量pG;主氣流中,氯氣罐出口處流量nCl2,氦氣出口處流量nHe1;次氣流導(dǎo)入口處碘氣、水蒸汽分壓pH2O及單態(tài)氧濃度CO2(1);冷阱出口處總p、溫度nI2,nHe2;冷阱入口處總壓p、tttO水蒸汽分壓pH2O及單態(tài)氧濃度CO2(1)、光腔壓力pC、溫度TC及光腔內(nèi)氯氣分壓pCl2。由這T、OOO些獨(dú)立量可以確定3:冷阱入口與出口處水蒸汽流量、冷阱效率、光腔中未反應(yīng)的氯氣流

8、量、單態(tài)氧發(fā)生器的產(chǎn)率、單態(tài)氧流率、基態(tài)氧摩爾流率、單態(tài)氧摩爾含量、總摩爾流量、化學(xué)效率和激光效率等物理量。對(duì)各流場(chǎng)特性物理量的監(jiān)測(cè)可基本確定激光器操作的主要特性。這種系統(tǒng)流場(chǎng)特性診斷還不能診斷涉及介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的物理量,如增益介質(zhì)的小信號(hào)增益分布與氣流流場(chǎng)折射率的不均勻分布,對(duì)它們的診斷應(yīng)分開進(jìn)行,稱之為增益介質(zhì)診斷。光腔部分是激光器中獨(dú)立的部分,它的診斷也獨(dú)立進(jìn)行。另外氧碘氣流混合技術(shù)是激光器運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù),對(duì)它要進(jìn)行特別細(xì)致的診斷。由上述可以看出,激光器診斷被分成系統(tǒng)流場(chǎng)特性、氧碘氣流混合、增益介質(zhì)和光腔等子系統(tǒng)診斷。由此就可確定整個(gè)化學(xué)氧碘激光器的性能。2化學(xué)氧碘激光器的診斷技術(shù)2.1流

9、場(chǎng)特性診斷主要包括各部分溫度、總壓力、各輸入口組分物質(zhì)流量,特別是各組分物質(zhì)濃度的測(cè)量。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第3期王建祥等:化學(xué)氧碘激光器的診斷439(1)溫度、溫度、壓力及流量按圖1標(biāo)識(shí)分別用熱電偶溫度計(jì)、壓電式或電容式壓力及流量。壓力傳感器、自動(dòng)流量計(jì)加以測(cè)量。不過,碘分子氣體的測(cè)量與控制稍微復(fù)雜一些,這與碘分子氣體的制備有關(guān)。碘分子的制備有多種方法,一般采用碘池加熱升華形成碘分子蒸氣,碘分子氣體的飽和蒸氣壓與加熱溫度有一確定的關(guān)系。因此,通過控制加熱溫度

10、可控制碘分子氣體的流量。按圖2所示放置自動(dòng)流量的控制計(jì),再加上微機(jī)控制的加熱器,可監(jiān)控碘分子氣體、氦氣的流量。Fig.2ControllingofflowrateofHeandI2圖2碘池中He與I2流量的控制Fig.3Exampleofasmallgaindiagnostic圖3小信號(hào)增益診斷示意圖(2)氯氣濃度。光腔中未反應(yīng)的氯氣含量由紫外光吸收譜來確定。光源采用氘燈,波長=325nm,或者采用汞燈,用濾波片取波長=337nm。這是氯氣分子較強(qiáng)的吸收區(qū)。按照Beer定律4,pCl2=-(1 KL)ln(Ia I0),式中L是吸收區(qū)長度,I0是入射光強(qiáng)度,Ia是透射光強(qiáng)度,可采用一些措施增加

11、吸收強(qiáng)度,如增加吸收區(qū)長度K是標(biāo)定系數(shù),由已知的pCl2來標(biāo)定K。L,或者用特殊的措施增加Ia I0的精度。(3)單態(tài)氧濃度。單態(tài)氧濃度的診斷也采用光譜吸收法,一般有兩種診斷方法。一種是直接測(cè)量單態(tài)氧在=1.265m的自發(fā)輻射,根據(jù)Schiebe-Lomakin公式確定濃度與吸收強(qiáng)度的關(guān)系5,LgI=bLgC+Lga,其中I為自發(fā)輻射強(qiáng)度,C為物質(zhì)的濃度,b為自吸收系數(shù),a為常數(shù)。不過,待測(cè)的信號(hào)極弱,需要極精密的測(cè)量,給診斷帶來很大困難。這種方法對(duì)a,b的標(biāo)定誤差很大?，F(xiàn)在常采用吸收光譜法測(cè)定基態(tài)氧的濃度。由于通過測(cè)量剩余氯氣的濃度而知道了總氧的嘗試濃度。如果忽略其它激發(fā)態(tài)氧的濃度,單態(tài)氧濃

12、度可由總氧的濃度減去基態(tài)氧的濃度而得到。吸收光譜法測(cè)定基態(tài)氧的濃度仍然是依據(jù)Beer定律,光源采用AlGaAs二極管激光器,波長760nm。由于這條譜線實(shí)際上是自旋禁戒的,因此信號(hào)也極弱?？刹捎米屘綔y(cè)光在光腔內(nèi)多次反射的方法來增加吸收區(qū)長度L,從而增強(qiáng)吸收信號(hào)。目前,還找不到更好的方法。(4)微量水蒸汽濃度。化學(xué)氧碘激光器診斷中另一個(gè)困難是微量水蒸汽濃度的診斷。目前較好的方法仍然是吸收光譜法。有兩個(gè)波長可供選擇:一是=2.6m,為水的最強(qiáng)吸收波長;二是=1.39不過,信號(hào)仍然極弱,需采用特殊的技術(shù)。m,水的較強(qiáng)的一個(gè)振動(dòng)譜區(qū)。2.2氧碘氣流混合診斷拉伐爾噴管段氧碘混合的診斷具有特別重要的意義。

13、因?yàn)閱螒B(tài)氧與碘分子之間的共振傳能過程非?？?因而,兩種氣流的混合過程實(shí)際上決定了增益介質(zhì)激發(fā)態(tài)碘原子的產(chǎn)生狀況。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.440強(qiáng)激光與粒子束第9卷氣流混合診斷就是要把混合流場(chǎng)可視化,來定性或定量觀察混合過程。為使混合流場(chǎng)可視化,現(xiàn)在最常用的方法是激光誘發(fā)熒光法(LIF)6,也就是在一種組分中加入少量“種子”物質(zhì),在混合前,用一定波長的激光照射“種子”物質(zhì),使其產(chǎn)生激發(fā)。激發(fā)態(tài)的“種子”物質(zhì)會(huì)自發(fā)輻射出熒光,探測(cè)混合過程中的熒光變化,從而實(shí)現(xiàn)混合流場(chǎng)

14、可視化。不過,在氧碘氣流混合流場(chǎng)中,碘分子本身就是一種極好的熒光物質(zhì),在單態(tài)氧與碘分子混合過程中,單態(tài)氧把能量傳給碘分子會(huì)形成中間產(chǎn)物I2(B),這個(gè)中間產(chǎn)物會(huì)發(fā)出在可見光波段的熒光。因此,只需用功能強(qiáng)大的探測(cè)系統(tǒng)來捕獲這些熒光,并將這些數(shù)據(jù)送計(jì)算機(jī)處理,就可以實(shí)時(shí)地將氧碘混合流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值化成像。2.3增益介質(zhì)診斷增益介質(zhì)的診斷主要是考察增益介質(zhì)的小信號(hào)增益與氣流流場(chǎng)不均勻性顯示(折射率不均勻性)。小信號(hào)增益的測(cè)量一般直接利用小信號(hào)增益的定義,g=(1 L)ln(I I0),其中,g為小信號(hào)增益,光強(qiáng)I0足夠小的探測(cè)光,經(jīng)過長為L的激活介質(zhì)后,光強(qiáng)為I。圖3為用這種方法自動(dòng)檢測(cè)小信號(hào)增益二維空

15、間分布7的示意圖。其中探測(cè)激光由小型化學(xué)氧碘激光器發(fā)射。激光通過50%透過率的鏡子分成兩束。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)鏡面系統(tǒng)使探測(cè)光以適當(dāng)頻率和格式掃描增益介質(zhì)。兩個(gè)凹面鏡M5,M6的作用是使光束掃描時(shí),光源與探測(cè)器都可固定。探測(cè)器D2測(cè)量整個(gè)區(qū)域掃描完后,可由計(jì)算機(jī)I0,探測(cè)器D1測(cè)量I,測(cè)量數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入計(jì)算機(jī)。給出類似圖4的增益分布圖8。氣流流場(chǎng)不均勻性顯示的是沿激光諧振腔一光束路徑積分的積分介質(zhì)非共振折射率的二維空間分布。這個(gè)量描述介質(zhì)不均勻所引起的光程差不均勻,從而導(dǎo)致出射激光的相位不均勻,它會(huì)嚴(yán)重影響激光的光束質(zhì)量。針對(duì)折射率不均勻的氣流流場(chǎng)不均勻顯示一般采用干涉測(cè)量法9。該法是將一束平行

16、光分成兩束,其中一束通過測(cè)試介質(zhì)成為探測(cè)光束,另一束作為參考光束,然后兩束光發(fā)生干涉。干涉條紋用光電探測(cè)器來接收并進(jìn)行處理。為了在實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)顯示氣流流場(chǎng)的二維分布情況,實(shí)驗(yàn)中應(yīng)采用數(shù)字外差干涉儀10。圖5顯示的是化學(xué)激光介質(zhì)典型的數(shù)字外差全息干涉測(cè)量折射率圖。Fig.4Spatialdistributionofasmallsignalgain圖4典型小信號(hào)增益空間分布圖Fig.5Flowfieldofchemicallaser圖5典型化學(xué)激光器氣流流場(chǎng)© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights res

17、erved.第3期王建祥等:化學(xué)氧碘激光器的診斷4412.4光學(xué)諧振腔診斷光學(xué)諧振腔子系統(tǒng)由諧振腔反射鏡、窗口、光學(xué)基座與輔助反射鏡支架及相關(guān)硬件(用于調(diào)準(zhǔn)等)組成。高輻照度載荷要求使用帶有特殊介電膜層的反射光學(xué)系統(tǒng)。窗口用來隔離外界氣壓與工作低氣壓。光學(xué)基座為光學(xué)裝置提供隔振能力,并將光學(xué)裝置保持在適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)直狀態(tài)下。光學(xué)諧振腔子系統(tǒng)的診斷包括反射鏡在輻照度載荷下的熱變形的觀測(cè)及反射鏡在噪聲下振動(dòng)的診斷。熱變形通常難以觀測(cè),可以考慮用全息干涉法測(cè)量。反射鏡的運(yùn)動(dòng)用加速度表來觀測(cè)。光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)直狀態(tài)希望能得以隨時(shí)糾正,用自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)傳感器來測(cè)量抖動(dòng)和硬件引起的光束漂移。國內(nèi)已研究出用數(shù)控技術(shù)控制光腔

18、準(zhǔn)直性的技術(shù),但還缺乏自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)傳感器技術(shù)與之配合。上面,將氧碘激光器診斷分成了幾大塊,但實(shí)際上整個(gè)診斷是一個(gè)系統(tǒng)綜合的過程。許多物理量需要同時(shí)測(cè)量,整個(gè)診斷系統(tǒng)最好用計(jì)算機(jī)整體加以控制。計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集,并實(shí)時(shí)處理,計(jì)算出所有的物理量,并用圖形直觀給出某些處理結(jié)果。一些隨時(shí)間和空間變化的物理量可及時(shí)顯示其分布。最重要的是,診斷過程通常需要有目的地控制改變某些量的變化,觀察變化的結(jié)果。這就需要對(duì)激光器運(yùn)行采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù),這是激光器自動(dòng)化不可缺少的環(huán)節(jié)。另外,綜合診斷還涉及各個(gè)診斷測(cè)量精度之間的合理匹配,這需要另外的文章加以討論。參考文獻(xiàn)1MurdoughMPandHelmsCA.

19、Stabilizediodineflowforlongruntimechemicaloxygen-iodinelasers.AD-A257,760,19922WhiteFHnadNeefhamGA.SPIE,LaserDiagnostics,1982,3433GeorgesEetal.SPIE,8thinternationalsymposiumonGasFlowandChemicalLasers,1990,13974張?jiān)饰涞染幹?分子光譜學(xué).合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1988.95張銳等編著.原子光譜分析.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1991.3086JonesYD,PlummerD,W

20、atkinsLJandHagerGD.O2-ILaserMixingStudiesUsingLIF.AD-A186667,19867OttoWFetal.Anautomatedgainmeasurementsystemforhigh-energychemicallasers.SPIE,Advancesinlasertechnology(Emphasizinggaseouslasers),1978,1388HartloveJS.Digitalheterodyneholographicinterferometryofflowfields,opticsinfourdimensions.ICOconf

21、.,Ense2nada,BajaCalifornia,Mexico,August4-8,19809GoldsteinRichardJ.Fluidmechanicsmeasurements.NewYork,HemispherePublishingCorporation,1983.37742210VestCM.Holographicinterferometry.JohnWiley&Sons,1979CHEMICALOXYGEN-IODINELASERDEVICEDIAGNOSTICSWangJianxiang,DuXiangwanInstituteofAppliedPhysicsandCo

22、mputationalMathematics,P.O.Box8009,Beijing100088Therearetwokindsofdiagnosticsforchemicaloxygen2iodinelaser(COIL)system,laserdevicediagnos2.Inthispaper,weonlydiscussedsystematicallytheformerwhichdidntreferticsandlaserbeamdiagnosticstolaserbeam.Westudiedtheminseveraldiagnosticsubsystemssuchasflowdiagn

23、ostic,oxygen2iodineflow.mixingdiagnostic,gainmediumdiagnosticandresonatordiagnosticInflowdiagnostic,weselectedsomespecialindependentandeasy2measuredvariablesfromphysicalvariablessuchastemperatures,pressures,© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.442強(qiáng)激光與粒子束第9卷flowratesanddensitiesofcompositionstocontrolandmeasure.Fromthesediagnostics,wecanobtainmo