专利名称：一种机载氧碘激光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氧碘激光装置，尤其是在大气层平流层中，采用太阳光激 励，适合机载的氧碘激光器。
背景技术：
迄今为止，公知的氧碘激光器是用化学反应激励的，也称为化学氧碘激光器。化学氧碘激光器Gas chemical Oxygen-Iodine laser (COIL)是从上世纪七 十年代以来逐渐发展起来的一种高效能、短波长化学激光器，其发出的激光波 长为1.315pim。它的基本原理是利用化学反应，如通过一个特殊的气液相放能化 学反应，产生亚稳态的氧激发态粒子O^Ag)，然后O^Ag)与碘原子I碰撞传递 能量，生成激发态碘1(￥1/2)，最后碘lfPi/2)跃迁到基态发出近红外的激光。化学 反应式如下
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化学氧碘激光器(COIL)的核心是产生亚稳态的氧激发态粒子O^Ag)。目 前，大功率的化学氧碘激光器(COIL)的用途主要是地对空武器和机载武器， 大功率激光器可在极短时间内烧毁各种飞行器、导弹、卫星。化学氧碘激光器 (COIL)的缺点是体积大、重量重，不适合作机载武器。另外在实验室也有用 高压电、射频、微波激励的小功率的氧碘激光器，其用途主要是科学研究。这 类氧碘激光器的缺点是激发效率低，功率小。
发明内容
为了克服化学氧碘激光器(COIL)的一系列缺点，本发明提供了一种在高 空大气层平流层中采用太阳光激励的机载氧碘激光装置。
本发明解决其技术问题的思路是利用高空大气层平流层在太阳光辐射下存 在的大量氧激发态粒子02(iAg)人为在直线轨迹加入碘原子束，碘原子束在扩散 时，与氧激发态粒子碰撞，共振转移实现碘原子束的能级反转，在外部氧碘激 光器激光的触发下，实现氧碘激光的放大。本发明解决其技术问题的原理是在 高空大气层平流层中，由于太阳光紫外辐射，大量氧分子被激发到氧激发态粒子O^Ag)。氧激发态粒子02(iAg)由于本身的强烈禁戒跃迁限制，不能通过自 发跃迁，返回基态，成为长寿命的亚稳态。这种氧激发态粒子O2 0Ag)与其它空 气分子碰撞后，也不发生反应，可谓长寿命。据有关研究结果(参考文献中 国科技大学博士学位论文)报道，其寿命可达数十分钟(资料报道平均寿命46. 7 分)。有关氧激发态粒子O^Ag)在平流层的分布，可以从卤素掩星试验(HALOE) 的观测资料中获得。
HAL0E是设置在高层大气研究卫星(ILARS)上的一个称为卤素掩星试验装 置(Halogen Occultation Experiment)的简称。它采用太阳掩星法测量大气微量气体 和气溶胶的垂直分布。即当太阳相对于某地是刚升起或落下时，HALOE测量来自 太阳方向并与大气相切高度上的太阳辐射，再由此反演该地微量气体与气溶胶 消光系数等的垂直分布。它可同时测量大气氧激发态O^Ag)、 03、 HCI、 HF、 CH4、 H20、 NO、 N02、气溶胶消光和温度等的垂直分布。它水平测量范围在南 北纬80度之间，垂直测量范围从5公里到60-130公里。其垂直分辨率在平流层约 为500m。此装置从1991年10月11日开始工作至今并发布了各种微量气体垂直分 布的资料。其观测结果曾与ATMOS (Atmospheric TraceMolecule Spectroscopy)的 观测资料对比过，非常吻合。这里引用是卤素掩星试验(HALOE)的观测资料中 垂直距离20-50km的数据。
对流层顶以上开始是平流层，大约在距地面18km-50km间。平流层的温度随 高度变化不大，也称为同温层，温度从223k到273k(参考文献j.v.iribame (加拿 大)〈大气物理学〉)。它从平流层低层向上开始增大，在25km处10kPa附近达到 臭氧混合比的极大值，再往上一直减小，到中间层的中部臭氧混合比基本上为 零。在这些层，主要的成分^和02大约分别占总数密度的79%和21%，所以空气的 平均分子重量随高度变化不大
光化学反应02+0+M—03
03+hv— 0^Ag)+0(10)
产生光化学激光的必要条件是(1)存在光化学储能反应(2)光化学储 能反应所储存的能量必须转换成碘原子的内能，使其达到激发态，形成激光的
激发介质以上两个过程就是光化学激光的泵浦(pumping)或抽运过程。(3) 不仅要产生激发态碘原子，而且要形成粒子数反转，即要求光化学泵浦速率大 于各种消激发过程的速率。这里的消激发过程主要是水分子对激发态碘原子淬灭作用。好在平流层的水分子极少，不会产生较大的消激发作用。消激发过程 的速率远小于光化学泵浦速率。
氧激发态粒子O^Ag)同其它气体分子碰撞后，不发生化学反应和能量传 递，因此有较长的寿命(数十分钟)。只有在氧激发态粒子O^Ag)与碘原子碰撞，才发生共振能量转移，获得激发态的碘1(^1/2)。激发态的碘lfPv2)受激光波长为1.315pm光辐射微扰后，激发态的碘1(￥1/2)跃迁回碘的基态，再发出波长为 L315pm的激光，实现了波长为1.315pm的激光放大。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是(l)在平流层中按预先设计的 直线轨迹人为制作能级反转(获得布居)的光放大介质.(2)用机载小型氧碘激 光触发光放大介质发出强激光。详细叙述如下
制作直线轨迹能级反转(可获得布居)的光放大介质。由高空飞行器在距 地面20km到50km处的平流层，按照卤素掩星试验(HALOE)的观测资料，结合目 标位置，设计好的直线路径发射高速炮弹或小型高速飞行器。由于高速炮弹或 小型高速飞行器沿轨迹喷洒碘原子束。细小的碘原子束在平流层扩散成粗大的 原子束。碘原子束在扩散中与激发态的氧原子碰撞，共振能量转移变成激发态 的碘原子束。激发态的碘原子束就是光放大介质。制作直线轨迹能级反转(可 获得布居)的光放大介质的技术难点在于高速炮弹或小型高速飞行器运行轨迹 的曲线性和碘原子束光放大介质的直线性的拟合。好在平流层的空气密度较小， 气压只有10kp，空气阻力很小，空气流动很小，高速炮弹或小型高速飞行器速 度变化不大，运行轨迹的曲线接近直线，再加上碘原子束的扩散为圆柱体，有 利于直线拟合。运用计算机把碘轨迹参数和碘扩散参数结合起来，拟定一条直 线性光放大介质。
本发明是由目标定向装置，碘原子束准直线轨迹抛洒装置，机载氧碘激光 触发器组成。其中目标定向装置由卫星定位，远程雷达和计算机组成。碘原子 束准直线轨迹抛洒装置由高速炮弹或小型高速飞行器组成，高速炮弹或小型高 速飞行器内部安装碘蒸气发生器，载碘量可满足数十km的抛洒。机载氧碘激光 触发器由小型氧碘激光器或碘激光器组成。目标定向装置确定碘原子束准直线 轨迹抛洒装置的抛洒轨迹的方向和位置，机载氧碘激光触发器的激光方向由目 标定向装置的计算机根据目标和碘原子束准直线轨迹确定。
机载氧碘激光触发器实际是一个小型氧碘激光器，也可以是碘激光器，它的作用是起光触发的作用。由于光触发需要一定的功率，也称阈值功率。有关 小型氧碘激光器或碘激光器，采用成熟技术和产品。机载氧碘激光触发器沿计 算机拟定的光放大介质直线发出一束激光，激光的波长和激发态的碘原子组成 的光放大介质能级相同，该激光束在光放大介质的放大下越来越强。这束激光
在100km以外可以烧毁或损坏各种飞行器。
具体实施例方式
假定在太阳光直射下，北纬25度，高度25km的甲飞行器锁定同纬度高度 100km距离200km的乙飞行器(低轨卫星)。甲飞行器按计算机预定的轨迹发射 一个高速碘炮弹，速度为6马赫接近1.8km/秒，射程约为90km，运行时间为50 秒。22km处的温度240k，空气密度10kp，几乎没有水分子。碘原子的扩散速度为 0.5m/秒，50秒后，扩散成接近为直径50米的圆柱体。扩散过程中，碘原子与激 发态的氧共振，变成激发态的碘原子。由于没有水分子或水分子极少，不会引 起激发态的碘原子的光淬灭。氧的激发态寿命长达数十分钟，客观上积聚了数 十分钟太阳的紫外辐射能量。共振转移后的激发态的碘原子，每千米的增益在 千焦以上。地球半径为4700km，按照抛物运动规律，曲线拟合直线部分接近 50km。此时甲飞行器发射一束碘激光，50km后的光功率达到上百千焦。由于强 光有自聚焦现象，聚焦后射到乙飞行器的可达到兆焦。兆焦级的光能可直接烧 毁或损坏乙飞行器。
本发明有巨大的军用应用价值，它的运用可显著增加国防能力。它的原理 有可能发展为新型高空雷达，发现并摧毁隐形飞机或各类飞行器。
权利要求
1、一种机载氧碘激光装置，其特征是由目标定向装置，碘原子束准直线轨迹抛洒装置，机载氧碘激光触发器组成，(1)在平流层中按预先设计的直线轨迹人为制作能级反转(获得布居)的光放大介质.(2)用机载小型氧碘激光触发光放大介质发出强激光。
2、 根据权利要求l所述的一种机载氧碘激光装置，其特征是目标定向装 置由卫星定位，远程雷达和计算机组成。
3、 根据权利要求l所述的一种机载氧碘激光装置，其特征是碘原子束准 直线轨迹抛洒装置由高速炮弹或小型高速飞行器组成，高速炮弹或小型高速飞 行器内部安装碘蒸气发生器，载碘量可满足数十km的抛洒。
4、 根据权利要求l所述的一种机载氧碘激光装置，其特征是机载氧碘激 光触发器由小型氧碘激光器或碘激光器组成。
5、 根据权利要求l所述的一种机载氧碘激光装置，其特征是机载氧碘激光触发器的激光方向由目标定向装置根据目标和碘原子束准直线轨迹确定。
6、 根据权利要求l所述的一种机载氧碘激光装置，其特征是机载氧碘激 光触发器的激光方向由目标定向装置根据目标和碘原子束准直线轨迹确定。
全文摘要
本发明涉及一种氧碘激光装置，尤其是在大气层平流层中，采用太阳光激励，适合机载的氧碘激光器。本发明是由目标定向装置，碘原子束准直线轨迹抛洒装置，机载氧碘激光触发器组成。机载氧碘激光触发器沿计算机拟定的光放大介质直线发出一束激光，激光的波长和激发态的碘原子组成的光放大介质能级相同，该激光束在光放大介质的放大下越来越强。这束激光在100km以外可以烧毁或损坏各种飞行器。
文档编号H01S3/09GK101174755SQ200710139529
公开日2008年5月7日 申请日期2007年9月30日 优先权日2007年9月30日
发明者磊 南, 南引明 申请人:运城学院