碘喷孔位置的变化对激光性能的影响

　　缓。

　　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），碘原子与（么）发生共振传能被泵浦到激发态处于激发态的碘原子（I）到达光腔后受激辐射产生激光，由激发态跃迁到基态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Oh）所携带的能量转化成激光能能在激光能提取的整个过程中，碘原子是将储存在O2（h）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，而且I与O2（h）的共振传能反应（1）式在光腔上游也会达到平衡，使f的密度较高；而在COIL中，主要的能量损耗是I被水的猝灭高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（），从而减少了可供提取成光能的“（么），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O2（h）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，使小信号益（SSG）减小，激光能的提取速率变低，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（h）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，提高其化学效率方面，有比较重要的意义国外在这方面己有一些的分布，所有情况，氧碘气流都没混合好，只是碘喷孔位置在上游的情况，氧碘气流混合得相对好一些从我们的计算结果还可以看出，碘喷孔的位置沿气流方向越往后，气流流速越大，使得供碘分子分解的时间缩短，到达光腔时碘分子的分解越来越不彻底并且模型13计算给出的基态碘原子和激发态碘原子的密度高的区域都在碘喷孔附近；而模型5给出的基态碘原子和激发态碘原子的密度高的区域都在碘喷孔的下游较远区域，碘喷孔附近区域几乎没有碘原子。这是因为模型13碘喷孔处气流的Mach数较低，此时02（A）的密度较大，碘分子分解的速度较快，所以碘分子一喷入氧气流就被分解成碘原子，然后部分基态碘原子被2（h）泵浦到激发态；而模型5碘喷孔处气流的Mach数较高，碘喷孔与喷管喉部离得很近，使得碘一喷入就和氧气流一起急剧膨胀，2（搡）的密度降低，碘密度也降低见（见），且氧碘气流混合得较差，导致2（搡）能量积聚反应（4）和碘分子分解反应（5）~（7）的速度非常慢，所以碘分子喷入氧气流需经过较长的距离才能慢慢被分解成碘原子，然后部分基态碘原子被2（A）泵浦到激发态，当处于激发态的碘原子达到一定量后，由于激发态碘原子的参与碘分子的分解速度就逐渐加快，因此得到了模型5的结果。

　　35三种情况计算给出的Mach数的分布从图上可以看出，不管碘喷孔在何位置，Mach数起始变化快的地方都出现在碘喷孔附近，由此可知，碘气流对氧气流有一定的作用，一方面碘气流的质量动量和能量对混合区域有直接的贡献，另一方面碘气流对氧气流有明显的阻塞作用，使氧气流在此处的流截面变小，氧气流流经此处被加速，Mach数发生较大变化当气流流过拉伐尔喷管喉部后，所有情况计算给出的Mach数分布基本相同，它们都在拉伐尔喷管的喉部前为亚音速，喉部附近达到声速，喉部之后达到超音速3光腔模拟结果与讨论碘喷孔位置和氧碘气流混合状态的选择，最终还需由激光性能来决定从上述计算得到的混合状况看，在拉伐尔喷管的出口处氧碘气流在竖直方向（z方向）上己基本混合均勾。因此在研究光腔时可以不再考虑各物理量在竖直方向的变化，本文采用二维半COIL理论模型（其中激射采用平行平面腔模型），对COIL光腔进行了数值模拟35计算得到的沿光轴方向平均的小信号益g随气流方向（x方向）的分布。

　　表4给出了模型0 1234和5计算得到的沿光轴方向平均的最大小信号益（g*m）和饱和输出功率。

　　从和表4可以看出，SSG从模型0到模型5依次降低，这与其混合状况是一致的。小信号益既依赖于当地的碘原子密度，也依赖于当地的2（A）产额；当混合不好时，碘原子密度高处，2（）产额低，而分必）产额高处，碘原子密度低，这样就不会得到高的沿光轴方向平均的小信号益，由前面的计算。+71994-20Chinacaaemicjoitectromcrubl结果知模型0到5混合状况依次变差，所以其小信号益就依次降低由还可以看出，SSG的分布曲线后半段稍微上翘，这是因为本文数值模拟的情况在到达光腔时，氧碘气流都没有混合好，随着气流在光腔中流动，氧碘气流分子间相互扩散，混合状况有所改善，但由于光腔中气体流速较快，供分子扩散的时间较短，混合状况改善得不大，因而SSG也只稍有大从表4还可以看出，模型0到5的饱和输出功率依次降低；这是由于在混合不好的情况下，氧碘气流混合速率较慢，而气体流速较快，光腔大小有限，氧碘气流来不及混合均匀、02（A）所携带的能量也来不及被完全提取就离开了光腔；混合越不好，流失的能量越多，其饱和输出功率就越f氏5模型x方向的分布for模型5碘总质量密度分布模型1 35的光强沿x方向的分布表4不同碘喷孔位置计算得到的gmax和饱和输出功率Pout 35计算得到的光强随气流方向（x方向）的分布。从可以看出，三条线都沿气流方向单调衰减，这是由于在光腔上游，O2（h）密度大，致使泵浦反应的速率快，快的泵浦速率必将产生高的饱和光强，以便使泵浦反应的速率和受激辐射速率相当，得到一个稳定的光强分布。随着气流往下流动，02（么）密度越来越低，饱和光强也就越来越小而饱和光强与我们用预混模型得到的结果不同，不再是沿气流方向的纯指数衰减，这是因为在本文的数值模拟中，氧碘气流混合得并不好。在光腔中对碘原子的影响除了化学反应和激射外，还有混合效应，沿气流方向氧碘气流混合得越来越好，致使可供提取成激光能的2（）多，因此饱和光强沿气流方向衰减的速率越来越小。同时由于模型1 35的SSG依次减小，导致光腔入口处激光能提取速率依次降低（饱和光强依次降低），而其混合潜力却依次大，混合速率也依次大，因此其饱和光强曲线沿气流方向依次变平缓。

　　由以上数值模拟可得：在氧碘气流流量、成分不变时，仅沿气流方向往下游移动碘喷孔在喷管叶片上的位置，混合状况越来越差，光腔中小信号益越来越低，输出功率越来越小，饱和光强沿气流方向的衰减越来越平缓以上结果是在混合不好的情况下得到的，我们将在混合好的情况下（至少在一个位置上，氧碘气流混合好），对上述结论做进一步验证致谢写作过程中桑风亭研宄员给予了许多有益的建议和指导，在此表示感谢！