一种增大化学激光粒子数反转的装置及其操作方法与流程

本发明涉及一种增大氟化氢或其他化学激光粒子数反转的方法，属于激光技术领域。

背景技术：

化学激光器是通过放热化学反应产生增益介质的粒子数反转并在振荡腔中获得激光的装置。自1969年美国科学家D.J.Spencer等人首次成功演示连续波(Continuous Wave，CW)氟化氘、氟化氢(Fluoride Deuterium/Fluoride Hydrogen，DF/HF)化学激光器以来，CW DF/HF化学激光器就以其特有的优势，如连续出光功率高、工程放大性能好、不需要外加电源、DF激光的波长具有良好的大气传输特性，泛频HF激光具有短波长特征等，一直倍受关注，在二十世纪七八十年代得到飞速发展。

我国从上个世纪七十年代开始从事CW DF/HF化学激光器的研究。先后研制成功电弧加热型、燃烧驱动型CW DF/HF化学激光器和泛频CW HF化学激光器。经过三十多年的努力，输出功率大幅度提高，光束质量得到了明显的改善。目前，研究人员仍在不断改进它的性能。

燃烧驱动CW DF/HF化学激光器实际就是将含氟氧化剂与含氢或氘燃料混合燃烧，燃烧引起的高温使氧化剂分解出F原子，F原子经超声速快速流动与喷管注入的D₂或H₂反应产生振动激发态的DF(v)或HF(v)产生激光。

激光器主要由4部分组成：燃烧室、喷管组件、光学谐振腔和压力恢复系统。燃烧室，也称F原子发生器，其用途在于为光腔泵浦反应提供足够的F原子。喷管在激光器中起着重要的作用，它对激光器的性能有极大的影响。为保证激光器有效运转，必须使激射物质在快速通过光腔的同时实现燃料与氧化剂有效彻底的混合，故混合性能是喷管设计需重点考虑的因素。光学谐振腔简称光腔，是喷管出来的混合物反应产生激光的装置。压力恢复系统在光腔后面，它把来自光腔的超声速、低压气流恢复为低速、高压气流，以与外界空气压力匹配。

以往为了提高HF/DF化学激光的出光能量，很多研究人员在F原子发生器，燃烧室，喷管组件设计上做了很多工作，由于其中反应温度，流速，各种混合比等很多因素都会影响增益粒子数目，是一个非常复杂的过程，需要通过不断实验摸索。本发明采用一种直接的光学的方法来增大化学反应后氟化氢产物的粒子数反转。

技术实现要素：

本发明利用一束连续波红外激光作为诱导光耦合进光腔，将氟化氢化学激光体系中的振动量子数为v＝1的特定转动量子态诱导到振动数v＝0的转动量子态上，以增大振动量子数v＝2上特定转动态与振动量子数v＝1上的特定转动态之间的粒子数反转，以增强激光输出能量。

本发明提供的增大化学激光粒子数反转的装置，装置的光路系统中包括：

可调谐连续波光源1,连续波诱导激光2,光电调制器3,偏振反射棱镜4,四分之一波片5,光腔后端镜6,光腔7，光腔外壁8，输出耦合镜9，输出光10，闭环控制系统11，光电探测器12，后端镜压电陶瓷13和压力恢复装置接口14；

可调谐连续波光源1,光电调制器3,偏振反射棱镜4,四分之一波片5,后端镜压电陶瓷13,光腔后端镜6,光腔7，输出耦合镜9依次连接，光腔外壁8包围在光腔7外，光电探测器12,偏振反射棱镜4，连接闭环控制系统11连接可调谐连续波光源1,光电调制器3,光电探测器12,光腔后端镜6，和压力恢复装置接口14在光腔外壁8上；

可调谐连续波光源1为能产生HF/DF化学激光范围内2.6～4.0μm连续可调谐的连续波激光，用于将较低振动能级上的HF/DF分子诱导到更低振动能级上；连续波诱导激光2用于将较低振动能级上的HF/DF分子诱导到更低振动能级上，它的波长与HF分子自发辐射向下跃迁相匹配；光电调制器3用于改变连续波诱导激光2的相位和频率用于将诱导激光耦合进化学激光光腔7；偏振反射棱镜4可以完全透过P光而完全反射S光；四分之一波片5用于改变激光的偏振，其快轴与线偏振的连续波诱导激光2成45°角；光腔后端镜6为平凹镜，弧度能满足实现稳定腔，对HF/DF化学激光范围(2.6～4.0μm)高度反射(反射率>99.9％)；光腔7为由光腔后端镜6和输出耦合镜9组成的稳定腔；光腔外壁8为由金属组成的腔体，上端连接喷嘴，下端连接压力恢复装置；输出耦合镜9为平凹镜，弧度能满足实现稳定腔，对HF/DF化学激光范围(2.6～4.0μm)高度反射(反射率>99％)，其反射率小于光腔后端镜6；输出光10为最终由光腔输出的化学激光；闭环控制系统11为由信号发生器，中央电脑，数据采集卡组成的系统，与可调谐连续波光源1、光电调制器3、光电探测器12、后端镜压电陶瓷13相连接；根据从光电探测器12探测到的反射光信号来调节后端镜压电陶瓷13上的电压从而改变光腔7的长度或者直接改变可调谐连续波光源1的输出波长来使连续波诱导激光2可以耦合进光腔7；光电探测器12为对HF/DF化学激光范围内(2.6～4.0μm)可响应的光电探测器，将光强信号转为电压值；后端镜压电陶瓷13为用于装载光腔后端镜6的装置，可以根据输入电压来改变长短，从而控制光腔后端镜6与输出耦合镜9之间的距离来改变光腔7的长度；压力恢复装置接口14用于与压力恢复装置相连接，将使用完的H₂，F，He等气体抽出；

所述的增大化学激光粒子数反转的装置的操作方法，其特征在于：用一束连续波红外激光作为诱导光耦合进光腔，将氟化氢化学激光体系中的振动量子数为v＝1的特定转动量子态诱导到振动数v＝0的转动量子态上，以增大振动量子数v＝2上特定转动态与振动量子数v＝1上的特定转动态之间的粒子数反转。

可调谐连续波光源1：能产生HF/DF化学激光范围内(2.6～4.0μm)连续可调谐的连续波激光，用于将较低振动能级上的HF/DF分子诱导到更低振动能级上；

连续波诱导激光2：用于将较低振动能级上的HF/DF分子诱导到更低振动能级上，它的波长与HF分子自发辐射向下跃迁相匹配；

光电调制器3：用于改变连续波诱导激光2的相位和频率用于将诱导激光耦合进化学激光光腔7；

偏振反射棱镜4：可以完全透过P光而完全反射S光；

四分之一波片5：用于改变激光的偏振，其快轴与线偏振的连续波诱导激光2成45°角；

光腔后端镜6：平凹镜，弧度能满足实现稳定腔，对HF/DF化学激光范围(2.6～4.0μm)高度反射(反射率>99.9％)；

光腔7：由光腔后端镜6和输出耦合镜9组成的稳定腔；

光腔外壁8：由金属组成的腔体，上端连接喷嘴，下端连接压力恢复装置；

输出耦合镜9：平凹镜，弧度能满足实现稳定腔，对HF/DF化学激光范围(2.6～4.0μm)高度反射(反射率>99％)，其反射率小于光腔后端镜6；

输出光10：最终由光腔输出的化学激光；

闭环控制系统11：由信号发生器，中央电脑，数据采集卡等部件组成的系统，与可调谐连续波光源1、光电调制器3、光电探测器12、后端镜压电陶瓷13相连接。根据从光电探测器12探测到的反射光信号来调节后端镜压电陶瓷13上的电压从而改变光腔7的长度或者直接改变可调谐连续波光源1的输出波长来使连续波诱导激光2可以耦合进光腔7；

光电探测器12：对HF/DF化学激光范围内(2.6～4.0μm)可响应的光电探测器，将光强信号转为电压值；

后端镜压电陶瓷13：用于装载光腔后端镜6的装置，可以根据输入电压来改变长短，从而控制光腔后端镜6与输出耦合镜9之间的距离来改变光腔7的长度；

压力恢复装置接口14：用于与压力恢复装置相连接，将使用完的H₂，F，He等气体抽出；

本发明具有以下优点：

简单直接，不依赖于反应温度、流速、各反应气体混合比以及喷嘴种类等出光条件，直接扩大振动量子数v＝2上特定转动态与振动量子数v＝1上的特定转动态之间的粒子数反转。

附图说明

图1是本发明的原理图；

其中，1可调谐连续波光源,2连续波诱导激光,3光电调制器,4偏振反射棱镜,5四分之一波片,6光腔后端镜,7光腔，8光腔外壁，9输出耦合镜，输出光10，闭环控制系统11，12光电探测器，13后端镜压电陶瓷，14压力恢复装置接口；

图2是HF化学激光的HF产物粒子布居与辐射示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

实施例1

可调谐连续波光源,光电调制器,偏振反射棱镜,四分之一波片,后端镜压电陶瓷,光腔后端镜,光腔，输出耦合镜依次连接，光腔外壁包围在光腔外，光电探测器,偏振反射棱镜，连接闭环控制系统连接可调谐连续波光源,光电调制器,光电探测器,光腔后端镜，和压力恢复装置接口在光腔外壁上。

实施例2

在HF化学激光燃烧室反应之后经过光腔时的HF产物布居如图2所示，HF产物最主要分布在振动量子数为v＝2的各转动量子态上，在振动量子数为v＝1的各转动量子态上有较少的分布，HF产物是粒子数部分反转的。其中由HF(v＝2,j＝4)到HF(v＝1,j＝5)的P₂(5)支辐射(波长约为2804nm)为较强的化学激光辐射。

本发明的方法就是利用一束连续波诱导激光2来耦合进光腔7，它的波长正好等于HF(v＝1,j＝5)到HF(v＝0,j＝6)的P₁(6)支辐射(波长约为2710nm)。当HF产物进入光腔时，由于受到诱导光2的作用，HF(v＝1,j＝5)态上的产物会向HF(v＝0,j＝6)态跃迁并增强连续波诱导激光2，而由于此时光腔7的长度正好与诱导光2相匹配，诱导光(P₁(6)支辐射)能得到极大的增强，HF(v＝1,j＝5)态上的产物会雪崩般向下跃迁到HF(v＝0,j＝6)态；最终造成了HF(v＝2,j＝4)与HF(v＝1,j＝5)之间的粒子数反转扩大，从而在光腔7中能产生更强的化学激光输出(P₂(5)支辐射)。

将连续波诱导激光2(P₁(6)支辐射，波长约为2710nm)耦合进光腔7所采用的方法有两种实施方式(由于化学激光由于压力和碰撞导致的辐射线宽较宽(数GHz)，同时光腔长度较长导致光腔纵模间距较小(<1GHz)，使得将连续波诱导激光2只要耦合进光腔就能有效诱导HF分子向下跃迁)：

1)扫描波长：先将连续波诱导激光2的波长调节至将P₁(6)支辐射附近(1GHz以内)，再从光腔后端镜6反射入光电探测器12所产生的信号输入闭环控制系统11，通过闭环控制系统来反馈输出给可调谐连续波光源1来调节连续波诱导激光2的波长使之与光腔7相匹配而耦合进光腔；

2)扫描腔长：先将连续波诱导激光2的波长调节至将P₁(6)支辐射对应的准确波长，再从光腔后端镜6反射入光电探测器12所产生的信号输入闭环控制系统11，通过闭环控制系统来反馈输出给后端镜压电陶瓷13来调节光腔7长度，使之与连续波诱导激光2的波长相匹配而耦合进光腔。