Miniaturized axial flow non-chain pulsed deuterium fluoride laser

放电引发非链式脉冲氟化氘（DF）化学激光器输出波段处于大气传输窗口，且它在3.5~4.2 μm范围内拥有数十条激光谱线，在大气污染远程监测、激光遥感雷达等方面具有独特的优势^[1-2]。另外，该激光器采用无毒、无腐蚀性气体为工作介质，且操作方便无爆炸危险，可重复频率运转，在国防领域也具有重要的应用前景^[3]。该体制激光器是目前中红外波段最有潜力输出高功率/能量的光源，备受国内外关注。法国马克西斯激光工业公司的Brunet采用增益介质横向流动结合光触发放电技术，以SF₆和C₆D₁₂为工作物质，获得了8 J的单脉冲能量输出，并在65 Hz重复频率运转时实现平均功率450 W的DF激光输出^[4]。俄罗斯激光国家实验研究中心的Bulaev运用各向异性的阻性电极替代金属电极，以SF₆和C₃H₈+C₄H₁₀为工作物质，获得了12 J的单脉冲能量输出，并在重复频率为100 Hz时获得了平均功率1200 W的横流HF激光输出^[5]。俄罗斯核物理研究所得Aksenov采用三个串联的放电模块，以SF₆和D₂为工作介质，实现了单脉冲40 J的能量输出，并在工作气体横向流动时实现了平均功率400 W、10 Hz的DF激光输出^[6]。英国国防评估研究所的Michael采用电晕预电离放电技术，以SF₆和D₂为工作物质，在工作气体横向流动时实现了DF激光器1 kHz重复频率运转，获得了平均功率为2.5 W的DF激光输出^[7]。中科院电子学研究所的柯常军采用侧面滑闪预电离放电技术，以SF₆和D₂为工作物质，实现了单脉冲1.2 J的能量输出，并在3 Hz运转时实现了平均功率3.6 W的横流DF激光输出^[8]。西北核技术所的易爱平采用紫外预电离放电技术，以SF₆和C₂H₆为工作物质，实现了横流HF激光器50 Hz重复频率稳定运转^[9]。长春光机所在横流式非链式脉冲DF激光器方面开展了大量的实验研究，实现了重复频率50 Hz，平均功率100 W量级的激光输出^[10-12]。

国内外在非链式横流脉冲DF激光器方面开展了大量的研究，输出性能得到了巨大提升，但其体积庞大是其工程化应用所面临的核心难题。文中提出了一种轴流式非链式脉冲DF激光器思想，可极大压缩系统体积，并展望非链式横流脉冲DF激光器高重频稳定运转前景，为国防与工程领域提供了一种高性能的中红外激光技术途径。

实验中采用的小型化轴流非链式脉冲DF激光器实验装置原理示意如图1所示：它由激光器泵浦单元、放电腔和谐振腔镜等核心组件组成。激光器泵浦单元采用自引发放电电路构成的脉冲激励源，它能够为激光头提供脉宽百纳秒量级的高电压，总储能电容量为120 nF，充电电压20 kV时的储能量约24 J。在闸流管开关被打开的瞬间脉冲激励源输出高压击穿主放电电极，实现能量的高效注入。放电腔为DF激光器高压放电提供一种真空密封环境，且放电电极、激光谐振腔、工作气体进出口等固定在放电腔上，放电腔内充入的工作气体为SF₆和D₂。放电电极由粗糙的阴极和光亮的阳极组成，电极工作面尺寸为120 cm×2 cm，电极间距为2 cm，放电体积为520 cm³。光学谐振腔采用了由镀金凹面全反射镜与反射率为30%的CaF₂平面输出镜构成的稳定腔，腔长1.8 m。气体循环系统直接决定了DF激光器的重频工作性能，其主要功能为在相邻两个脉冲间，将放电产物清除出放电区域，确保每个脉冲的工作物质成分不受上一个脉冲的影响。文中采用了一个小型化的离心风机，在放电腔两端侧面分别开进气口和排气口，实现工作气体在狭窄的放电腔内轴向循环流动。相比于横流式非链式脉冲DF激光器，它避开了体积巨大的循环流道结构，工作气体在放电腔内轴向流动，可极大压缩系统体积。

Figure 1.  Cross sectional drawing of the laser

非链式脉冲DF激光器脉冲能量受工作气体气压、气体配比和电压等因素影响。在前期自引发放电的工作基础，文中选取总气压为8 kPa，混合气体分压比SF₆∶D₂=10∶1，研究了轴流DF激光器的放电特性，在充电电压在16~20 kV的范围内均可得到稳定的辉光放电，采用Nikon公司的COOLPIX相机拍摄的放电照片如图2所示。

Figure 2.  Uniform stable glow discharge

采用Gentec-eo公司的QE50LP-H-MB型能量计对输出的单脉冲能量进行测试，获得的脉冲能量与电光转换效率随充电电压的变化关系如图3所示。首先单脉冲输出能量随充电电压呈近似线性上升，在充电电压20 kV时，获得的最大单脉冲输出能量800 mJ。电光转换效率随充电电压的升高呈明显的先上升后下降趋势，且在19 kV时，电光效率达到3.4%，与能量随充电电压变化趋势相符。高电压时过大的注入能量引起的工作气体过度电离导致的强烈的消激发及过高的温升可能是电光转换效率下降的主要原因。文中的电光转换效率高于之前报道的3.12%^[10]。

Figure 3.  The relationship of the output energy and electric efficiency versus the charging voltage

非链式脉冲DF化学激光器的工作物质一般为SF₆和D₂或碳氘化合物的混合物。其工作机理为：主电极被放电击穿后，电极间的高能电子（电子能量大于5 ev）碰撞六氟化硫产出F原子，化学活性极强的F原子与D₂发生化学反应生成激发态的DF分子，进而受激跃迁形成震荡输出。由上述机理可知：工作物质的消耗是不可逆的，且放电产物的消激发作用严重影响电光转换效率。因此如何快速更新工作气体是实现轴流非链式脉冲DF激光器重复频率运转的核心问题。

放电区风速直接决定了工作气体更新速度，放电区清洗系数是表征工作气体更新能力的量化参数，它由下式给出：

式中：υ为流经放电区的风速；S为放电区截面积；f为激光器重复频率；V为放电区体积。放电区的风速υ可采用多普勒测试仪或皮托管等设备测试，但测试过程较为复杂。文中依据风机额定流量（0.016 m³/s）对风速进行估算，在激光器重复频率20 Hz时，计算的清洗系数约为1.5，它表征在两次放电时间隙有1.5倍的放电气体被抽走，保障了每次放电之前工作区气体的更新。总气压为8 kPa，混合气体分压比SF₆∶D₂=10∶1，充电电压为19 kV条件下，开展轴流非链式脉冲DF激光器重复频率运转，重复频率20 Hz时，采用Gentec-eo公司的UP55N-300F-H12型功率计对输出的平均功率进行测试，获得的激光器平均功率为13.1 W，如图4所示。受风机性能影响，未开展更高重复频率运转实验。

Figure 4.  Power test at 20 Hz repetition

在20 Hz时，采用Vigo公司的PVM-10.6-T08型HgCdTe光电探测器测试的激光脉冲波形如图5所示。图5（a）为重复频率激光波形，激光脉冲能量存在随机的波动，但整体稳定性较好，没有脉冲丢失现象，激光脉冲幅值差优于±5%。放电区工作气体涡流引起的非均匀放电及折射率变化，吸附于器壁的残余放电产物的消极发作用等因素是导致脉冲能量抖动的主要因素。图5（b）为单个脉冲的波形，其全波半高宽约为120 ns，由此估算该轴流DF激光器输出脉冲峰值功率为6.67 MW。

Figure 5.  Pulse trains (a) and typical shapes (b) of the DF laser

放电激励是实现非链式脉冲DF激光器高重复频率运转的最佳方式。泵浦单元重复频率、电极间放电稳定性、放电区工作介质的流速及其稳定性是影响轴流非链式脉冲DF激光器重频运转的主要因素，解决上述问题可实现非链式脉冲DF激光器高重频运转。

泵浦单元重复频率主要受充电电源功率和开关的重复频率限制。泵浦单元内的储能元件（储能电容阵列）在放电之前由充电电源充电，充电电源功率越大，单个储能电容越小，越有利于提升充电速度，缩短充电时间。旋转火花开关或闸流管作为激光器泵浦电路常用开关，它们工作频率可达数kHz量级，能够满足轴流DF激光器高重频运转需求。

电极间稳定的辉光放电是实现高效率非链式脉冲DF激光工作的基础。DF激光器的工作介质SF₆具有较强的电负性，实现大体积稳定辉光放电是一项技术挑战。文中采用自引发放电方式，在无预电离的情况下可实现稳定的辉光放电，其带来的有益效果是可成倍地降低单次放电消耗的工作气体，有利于实现轴流脉冲DF激光器高重频运转。

DF激光器实现稳定的放电后，其重复频率输出特性主要受工作介质流速决定。将公式（1）变换，重复频率可表示为： f=υ∙S/ k V。因而选用较大流量的风机以提供足够的风速是获得较高重复频率的保证。实验室现有的莱宝风机流量达到0.550 m³/s，在清洗系数为1.5时，其支持的DF激光器重复频率约700 Hz。通过优化放电区流场均匀性，降低清洗系数到工程常用的1.2~1.4，并进一步提升风机流量，轴流非链式脉冲DF激光器的工作频率可达kHz量级。

提出了一种新的轴流式非链式脉冲DF激光器，并搭建了小型化的实验装置，在16~20 kV充电电压范围内获得了正常的辉光放电，在充电电压为20 kV时，单脉冲能量800 mJ，电光转换效率达到3.4%。在重复频率20 Hz运转条件下，获得了平均功率为13.1 W的DF激光稳定输出，脉冲宽度约为120 ns。进而并从充放电、快速工作气体更新等方面展望了轴流式非链式脉冲DF激光器实现kHz量级高重频运转的可行性，为小型化高重频大能量中波激光器提供了新的技术途径。