电激励连续波HF/DF激光器优化设计与试验研究

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HF/DF化学激光器具有平均输出功率高、光束质量好、能量转换效率高、大气透过率好等特点,在高能激光领域具有不可替代的优势地位。电激励HF/DF化学激光器因其气流温度低、耗气量小、且能够长时间稳定运行等优点,作为常用激光光源,在许多诊断与测试中具有重要应用价值。本文基于实验室已有的一台200W电激励连续波HF/DF化学激光器试验平台,对该激光器的电源、电极和谐振腔腔镜等部分进行了研制与优化,优化后的激光器平台HF/DF波段的出光功率达到473.9W/421.7W,成为国内外报道的输出功率最高的辉光放电驱动电激励连续波HF/DF激光光源。对实验室原电激励HF/DF化学激光器试验平台的运行状态和出光性能进行了全面测试和评估,在DF输出镜透过率为20%、光轴位于喷管出口平面下游15mm处的条件下,得到了205.8W的DF激光输出。本课题任务是解决原激光器电源注入放电管的功率不高、放电电极密封性不好等问题,对激光器的电源和放电电极进行研制与优化改进,进一步提高激光器的输出功率。通过大量比较与试验验证筛选,提出了恒流电源并联驱动的设计方案。使用6台T150-HI电源并联为一个电源模块,12个电源模块构成高压恒流电源系统,为12根放电管供电。该新型电源系统输出功率大,可选择并联电源的数量,做到了输出功率可调节。针对大容量电源运行带来的电磁干扰问题,采取了传感器引压管绝缘隔离、强电与弱电分离走线、电源开关控制线分离与屏蔽等措施,并使用UPS给测控系统单独供电,解决了电源运行对测控系统的电磁干扰问题。针对原激光器放电管电极漏气的问题,对激光器的放电管电极进行了改进。优化设计加工了新结构电极,通过锥面-球头锁紧结构保证电极组件连接的密封性,使电极组件放电效率更高,抗烧蚀性能更好,且可更换。对新旧电极条件下激光器的出光结果进行了测试比对,更换新电极后HF激光器的输出功率从389W增加到473.9W,提高了约21.8%,证明新电极的优化对激光器的输出功率有较大提高。在新升级的HF/DF激光器平台上开展了一系列出光试验,对优化后的激光器平台性能进行测试。开展了不同曲率半径(全反镜)、不同光轴位置、以及不同气参数的HF优化出光试验,开展了不同透过率的DF出光试验。在光轴位置15mm、全反镜曲率半径R=10m、HF输出镜透过率为10%、较优气流参数的条件下,获得了473.9W的HF激光输出;在光轴位置15mm、全反镜曲率半径R=10m、DF输出镜透过率为5%、较优气流参数的条件下,获得了421.7W的DF激光输出。优化后的电激励连续波HF/DF激光器平台的输出功率提高至原来的2倍以上,可作为升级版强光镜片闭腔测试平台的激光光源,也可作为红外波段激光与物质相互作用研究光源,开展例如探测器标定、材料效应等研究,具有更广泛的应用前景。
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