氧碘化学激光器(Chemical oxygen-iodine laser,简称COIL)是目前波长最短的大功率化学激光器,其激射波长为1.315μ m,属于碘原子的电子跃迁。COIL的激光功率高、波长短、光束质量好,同时激光波长具有较高的光纤耦合率与较低的传输损耗,适合光纤远距离传输,这些特点使其在激光加工工业有广泛的应用前景。长脉冲高峰值功率的脉冲激光在激光打孔、切割和焊接等方面都具有明显的优势。因此实现大功率COIL的高峰值功率脉冲化输出具有非常重要的意义。COIL脉冲化的研究方向主要有两类：其一是通过气体脉冲放电解离或者脉冲光解碘代物瞬间产生高密度碘原子实现COIL脉冲输出；其二是在超音速连续波COIL上进行脉冲调制输出。碘甲烷与氮气、氧气(基态氧和单重态氧)组成的混合气体脉冲放电产生不同的活性物种,同时产生一定密度的基态碘原子。化学反应生成的单重态氧与基态碘原子通过近共振传能过程将基态碘原子泵浦到激发态,激发态碘原子与基态碘原子之间形成粒子数反转,在光学谐振腔作用下产生激光。该项研究的关键问题是在技术上解决含有多种电负性气体(碘甲烷、氧气和氯气等)的大体积均匀辉光放电和在基础理论方面认识脉冲气体放电的等离子体特性和出光过程中各物种密度配比及光学参量对激光特性的影响。针对以上问题进行了放电电极结构、预电离方式和放电电路对大体积均匀放电影响的研究和在不同的放电电极结构和预电离方式上进行了脉冲出光实验研究。根据CH3I与CF3I结构的相似性,采用一维流体力学模型进行了CF3I-He混合气体脉冲放电等离子体特性研究。采用预混化学动力学出光模型进行了不同气体组分配比和光腔温度等对激光特性影响的理论研究。通过机械调Q、磁调Q和增益调制等脉冲调制方法实现超音速连续波COIL脉冲化输出的研究中碘蒸气流量变化对激光能量和激光脉冲的影响非常敏感,因此需要实时在线准确测量碘蒸气的流量。针对采用吸收光谱法测量碘蒸气流量的窗口污染问题进行了实验研究,分析了窗口污染的原因并提出了对应的解决方案。本文分别采用侧面自由火花预电离、侧面滑闪火花预电离、面阵火花滑闪预电离结合近罗科夫斯基电极进行了大体积均匀辉光放电稳定性和均匀性研究。通过比较不同预电离方式的放电辉光效果和出光情况得知滑闪预电离的稳定性和均匀性要优于自由火花预电离。由于侧面火花预电离在空间扩散局限的限制,使其不适用于宽电极长间距的大体积气体放电。本文提出的面阵滑闪预电离组合电极成功解决了宽电极的大体积放电,放电电极可以在其表面的二维方向上按任意比例放大。预电离与电极本身的一体化设计使得电极的可靠性和稳定性优于网状电极。对面阵滑闪预电离的关键设计参数进行了实验研究。研究结果表明面阵滑闪火花预电离的紫外光利用效率更高。放电回路中的峰化电容Cp能够有效地减小回路电感,提高了放电电压和电流的峰值,能够使储能电容的电能以更快的速度注入到等离子体中。对不同的电极结构和预电离方式进行了脉冲出光实验研究。重点研究了放电参数、气体组分配比和压力、发生器PO2τ值和输出耦合率对激光能量和脉宽的影响。面阵滑闪火花预电离组合电极在出光稳定性和出光能量等方面表现出良好的性能。通过实验参数的优化,单脉冲能量达到了4.3J,化学效率为11%,体积效率为2.1J/L,电效率为50～60%,其中前三项技术指标在气体放电引发脉冲COIL研究中处于世界领先。根据实验参数进行的CF3I-He混合气体脉冲放电理论模拟研究中发现等离子体鞘层区和等离子体正柱区,具有明显的辉光放电特征。放电产生的碘原子主要通过高能电子直接碰撞解离CF3I产生。碘原子密度随脉冲电压幅值和脉冲宽度的增大而增大。在混合气体总气压不变的条件下,对于碘原子密度存在最佳的CF3I/He组分配比,脉冲电压幅值越高最佳的CF3I分压也越高。采用预混出光理论模型计算了各物种密度、配比和光腔参量(如：输出耦合镜透射率和腔长)对激光特性的影响。提高碘原子密度能够有效增大激光能量和缩短激光脉宽。对于激光能量和激光峰值功率存在不同的最佳碘原子密度。不同光学谐振腔长度下输出耦合率对激光能量的影响不同。计算结果与实验数据进行了对比,一些计算结果和发展趋势与实验结果吻合的较好。根据超音速连续波COIL脉冲化研究中碘蒸气腐蚀性和供给的特点,提出采用双波长吸收光谱法在线测量碘流量,有效解决了吸收光谱法测量碘流量过程中窗口污染问题。非碘蒸气吸收波长监测窗口污染导致的探测光损失,碘蒸气吸收波长监测总的探测光损失,从而使得吸收光谱法在窗口轻度污染的情况下也可以准确测量激光器运行过程中碘流量的变化。同时,独特的碘蒸气吸收测试池设计解决了碘蒸气在测试窗口上的凝结。