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1、第14卷 第3期强激光与粒子束Vol.14,No.32002年5月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMay,2002文章编号:100124322(2002)0320341204XCOIL简化模型计算杜燕贻, 刘兴荣, 束小建, 王元璋, 李守先(北京应用物理与计算数学研究所,北京100088) 摘 要:采用简化动力学、增益模型,分析了常规虚共焦非稳腔和含屋脊镜折叠非稳腔这两种腔型在COIL中的应用,计算表明,折叠腔在改善COIL近场光强分布均匀性和提高近场输出功率方面明显优于常规腔。 关键词:氧碘化学激光;增益介质;折叠非稳腔 中图分类号
2、:TN248,O437文献标识码:A 激光器近场光束质量的高能性,均匀性和稳定性是靶上光束质量的重要基础。本文采用COIL简化增益模[1,2]型,研究了常规虚共焦非稳腔和含屋脊镜的折叠虚共焦非稳腔对改善COIL近场光束质量,获得高能激光输出光束的可行性。计算分析表明,常规虚共焦型非稳腔的优点是可以直接得到准直平面波输出,但对于低增-1益激光器,如COIL,其小信号增益系数为1%cm左右,要得到高光束质量输出有其局限性:放大率M不可能做得很大,故要达到几十甚至上百万瓦的高输出功率比较困难。实际激光器其增益介质沿流方向的不均匀性导致近场光强分布的倾斜。而折叠腔在这两方面有
3、着明显的优点:可以实现气体增益区上下游介质区的增益交流从而改善沿气流方向的输出光束的不均匀性;有效的增益区长度增加,再适当提高放大率,可以较大的提高近场激光输出功率;从而明显改善近场光束质量。1 理论模型[3] 模型建立依据:(1)为计算非稳腔内光场的传输,耦合与衍射问题,采用快速Fourier变换方法(FFT)。[4]同时用基于非稳腔球面波理论的展宽坐标系统来解决非稳腔中球面波传输时其光束扩散性造成入射和出射面网格点划分不均匀的困难。(2)考虑流动的气体增益介质,根据超音速氧碘化学激光理论模型,虽然碰撞加宽等均匀加宽和多普勒非均匀加宽都存在,但由于是多纵模运行,故采
4、用了均匀饱和增益机制。在氧碘均匀混[1]合的预混近似条件下,建立了随气流方向变化的COIL增益模型。(3)由于COIL是低增益激光装置,其增[3]益系数仅有1%左右,故可以采用薄层增益近似法。基于上述考虑,形成了COIL简化模型,编制了相应程序,结合国内外重要实验进行了计算,得到了合理的计算结果。Fig.1Sketchofnormaltype(a)andfoldtype(b)图1 常规腔(a)与折叠腔(b)平面示意图1.1 折叠腔模型 本文采用的常规虚共焦非稳腔和含屋脊镜的折叠虚共焦非稳腔的示意图见图1(d1,d2分别是耦合光斑内[5]外半径),常规腔以前讨论过。对于
5、折叠腔,90°屋脊型平面反射镜(roof2topmirror)使光束沿气流方向两次通过增益区,可见屋脊镜起折叠光路,增加有效腔长的作用。即可相对增加增益介质的长度,提高输出功率。同X第六届全国激光科学技术青年学术交流会优秀论文。收稿日期:201211215;修订日期:2002202222基金项目:国家863激光技术领域资助课题(86324102424)作者简介:杜燕贻(19652),女,硕士,副研,从事激光物理研究;北京8009211信箱;E2mail:du-yanyi@mail.iapcm.ac.cn。©1995-2005TsinghuaTongfangOptical
6、DiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.342强激光与粒子束第14卷时还有使第二次进入增益区的光束“翻转”作用。即一个来源于上游区的光束经过屋脊镜的反射后能够和下游区的光束相互作用,实现近场输出光强和相位分布更趋均匀。1.2COIL简化增益模型 假设气流到达谐振腔前,碘分解完成,则有腔内[I0]不变。增益系数可表示为3AKm733g=([I]-0.5[I])=D([I]-0.5[I])(1)8P2PkT12-171ö2D=(7ö12)×1.29×10×(300öT)(2)这里考虑的主要动力学过程及激射过程见表1。表1 光抽运的动力学模型Table1
7、Kineticsmodelforopticalextraction3-1)notationNo.reactionrateö(cm·s133-81.I+O2($)→I+O2(2)2.33×10öTkf331(401.42öT2.I+O2(2)→I+O2($)kfö0.75ekr=kföke3-12k3.I+H2O→I+H2O2.0×10H2O311-243.8700öT4.I+O2($)→I+O2(2)4×10Tekp1311-135.I+O2($)→I+O2($)1.1×10kp23136.I+O2($)→I+O2(2)0kp337.I+
