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1、第12卷 增刊强激光与粒子束Vol.12,No.s02000年11月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSNov.,2000文章编号:1001—4322(2000)s0—0052—07X碘喷孔位置的变化对激光性能的影响李守先, 陈云山, 刘广华, 王元璋, 束小建(北京应用物理与计算数学研究所,北京8009-11信箱100088) 摘 要:在主、副气流流量不变的情况下,仅改变氧碘化学激光器中碘喷孔的位置,数值模拟了其混合气体流场特性和小信号增益分布等的变化。计算结果表明,碘喷孔在喷管叶片上的位置沿气流方向往下游移动,混合状况变差,光腔中小信号增益降低,输出功率减小
2、,饱和光强沿气流方向的衰减变得平缓。 关键词:COIL; 数值模拟; 碘喷孔位置; 小信号增益 中图分类号:O24211;O35413;TN24815文献标识码:A[1] 目前存在的大多数氧碘化学激光器(COIL)装置中,碘气流(碘分子I2和稀释剂He)是通过拉伐尔喷管亚音速段喷管叶片上的喷孔以声速垂直喷入氧气流的。此后,氧碘气流通过拉伐尔喷管,由亚音速流被加速成超音速流;在这一过程中,碘分子边与氧气流混合,边被氧气流分解成碘原子(I),碘原子1与O2($)发生共振传能被泵浦到激发态133O2($)+IZO2(2)+I(1)3处于激发态的碘原子(I)到达光腔后受激辐射产生激光,由激
3、发态跃迁到基态3I+nhM→I+(n+1)hM(2)1光腔中处于基态的碘原子又与O2($)发生共振传能被泵浦到激发态,上述过程重复发生,将氧气流中11O2($)所携带的能量转化成激光能。在激光能提取的整个过程中,碘原子是将储存在O2($)中的化学能转化成激光能的中介,它的多少、被泵浦到激发态上的比例以及与氧气流的混合状况等,都会影响激光能的提取效率和激射区的大小。前面提到,碘原子的来源是碘分子的分解,因此碘喷孔的位置也就直接影响光腔位置及其大小和提取效率。如果碘喷孔位置离光腔太远,则到达光腔时I2不但全部被分解,13而且I与O2($)的共振传能反应(1)式在光腔上游也会达到平衡,使I的密
4、度较高;而在COIL中,主3要的能量损耗是I被水的猝灭3I+H2O→I+H2O(3)31高I密度必然引起上述反应加快,导致化学能的较多流失,在到达光腔以前消耗更多的O2($),从而减1少了可供提取成光能的O2($),降低激光器输出功率和化学效率。如果碘喷孔离光腔太近,I2来不及与1O2($)混合均匀,也来不及全部被分解,造成光腔入口处碘原子密度小,使小信号增益(SSG)减小,激光1能的提取速率变低,此时虽然近场光强变均匀,但由于光腔大小有限,氧气流中O2($)所携带的能量来不及全部被提取就离开了光腔,致使输出功率和化学效率降低。因此,碘喷孔存在一个最佳位置(或一个范围),到达光腔时既使得
5、氧碘气流基本混合均匀,碘分子全部被分解,又使得处于激发态的碘原子的密度较大,这样激光器的化学效率和输出功率都较大。可见,碘喷孔位置的研究在优化COIL运行,提高其[2]化学效率方面,有比较重要的意义。国外在这方面已有一些实验研究,既有在跨音速位置加碘的,也有[3]在超音速段加碘的,在亚音速段变动喷管位置的研究尚未见报道。本文在主、副气流流量不变的情况下,仅改变碘喷孔在拉伐尔喷管收缩段的位置,数值模拟了COIL中混合气体流场特性、混合效应和小信号增益分布等的变化。X收稿日期:2000208220;修订日期:2000210221基金项目:国家863激光技术领域资助课题作者简介:李守先(196
6、52),男,硕士,副研,从事化学激光理论研究。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.增刊李守先等:碘喷孔位置的变化对激光性能的影响531 计算模型 本文在拉伐尔段的数值模拟采用与文献[4]相同的三维COIL理论模型,由以前和现在的数值模拟结果看,在垂直于光轴和碘喷孔的轴线方向上,氧碘气流已基本混合均匀,因此光腔的数值模拟采用的是文献[5]中给出的二维半COIL理论模型。描述COIL中化学反应的化学动力学模型,采用包含11个[6]化学反应的简化模型。[7] 数值模拟的实验装置是RotoCOIL类装置
7、。计算区选取文献[7]中所描述的微尺度计算区,计算区高度为0.1cm,包含一个碘大喷孔和一个小喷孔,上游为大喷孔,孔直径为0.5mm,轴心高度为01075cm,下游为小喷孔,孔直径为0.3mm,轴心高度为0.025cm,两孔沿气流方向的距离为0.2cm,Fig.1Schematicofcomputationaldomainsinhorizontalplane图1 气流方向和光轴方向的平面计算区示意图(如图1所示)。拉伐尔喷管段计算区
