碘噴孔位置的變化對激光性能的影響

1、第12卷增刊強激光與粒子束Vol.12No.s02000年11月HIGHPOWERLASERPARTICLEBEAMSNov.2000文章編號:1001—4322(2000)s0—0052—07碘噴孔位置的變化對激光性能的影響Ξ李守先陳云山劉廣華王元璋束小建(北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所北京800911信箱100088)摘要:在主、副氣流流量不變的情況下僅改變氧碘化學(xué)激光器中碘噴孔的位置數(shù)值模擬了其混合氣體流場特性和小信號增益分布等的變

2、化。計算結(jié)果表明碘噴孔在噴管葉片上的位置沿氣流方向往下游移動混合狀況變差光腔中小信號增益降低輸出功率減小飽和光強沿氣流方向的衰減變得平緩。關(guān)鍵詞:COIL數(shù)值模擬碘噴孔位置小信號增益中圖分類號:O24211O35413TN24815文獻標識碼:A目前存在的大多數(shù)氧碘化學(xué)激光器(COIL)裝置[1]中碘氣流(碘分子I2和稀釋劑He)是通過拉伐爾噴管亞音速段噴管葉片上的噴孔以聲速垂直噴入氧氣流的。此后氧碘氣流通過拉伐爾噴管由亞音速流被加速成

3、超音速流在這一過程中碘分子邊與氧氣流混合邊被氧氣流分解成碘原子(I)碘原子與O2(1?)發(fā)生共振傳能被泵浦到激發(fā)態(tài)O2(1?)IΖO2(32)I3(1)處于激發(fā)態(tài)的碘原子(I3)到達光腔后受激輻射產(chǎn)生激光由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)I3nhΜ→I(n1)hΜ(2)光腔中處于基態(tài)的碘原子又與O2(1?)發(fā)生共振傳能被泵浦到激發(fā)態(tài)上述過程重復(fù)發(fā)生將氧氣流中O2(1?)所攜帶的能量轉(zhuǎn)化成激光能。在激光能提取的整個過程中碘原子是將儲存在O2(1?)中的化

4、學(xué)能轉(zhuǎn)化成激光能的中介它的多少、被泵浦到激發(fā)態(tài)上的比例以及與氧氣流的混合狀況等都會影響激光能的提取效率和激射區(qū)的大小。前面提到碘原子的來源是碘分子的分解因此碘噴孔的位置也就直接影響光腔位置及其大小和提取效率。如果碘噴孔位置離光腔太遠則到達光腔時I2不但全部被分解而且I與O2(1?)的共振傳能反應(yīng)(1)式在光腔上游也會達到平衡使I3的密度較高而在COIL中主要的能量損耗是I3被水的猝滅I3H2O→IH2O(3)高I3密度必然引起上述反應(yīng)加

5、快導(dǎo)致化學(xué)能的較多流失在到達光腔以前消耗更多的O2(1?)從而減少了可供提取成光能的O2(1?)降低激光器輸出功率和化學(xué)效率。如果碘噴孔離光腔太近I2來不及與O2(1?)混合均勻也來不及全部被分解造成光腔入口處碘原子密度小使小信號增益(SSG)減小激光能的提取速率變低此時雖然近場光強變均勻但由于光腔大小有限氧氣流中O2(1?)所攜帶的能量來不及全部被提取就離開了光腔致使輸出功率和化學(xué)效率降低。因此碘噴孔存在一個最佳位置(或一個范圍)到達

6、光腔時既使得氧碘氣流基本混合均勻碘分子全部被分解又使得處于激發(fā)態(tài)的碘原子的密度較大這樣激光器的化學(xué)效率和輸出功率都較大。可見碘噴孔位置的研究在優(yōu)化COIL運行提高其化學(xué)效率方面有比較重要的意義。國外在這方面已有一些實驗研究既有在跨音速位置加碘的[2]也有在超音速段加碘的[3]在亞音速段變動噴管位置的研究尚未見報道。本文在主、副氣流流量不變的情況下僅改變碘噴孔在拉伐爾噴管收縮段的位置數(shù)值模擬了COIL中混合氣體流場特性、混合效應(yīng)和小信號增

7、益分布等的變化。Ξ收稿日期:2000208220修訂日期:2000210221基金項目:國家863激光技術(shù)領(lǐng)域資助課題作者簡介:李守先(19652)男碩士副研從事化學(xué)激光理論研究。?19952005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.Ltd.Allrightsreserved.度的總碘密度的差別很小高度高的地方值稍大低的地方值稍小(表2)這是因為在本文的計算區(qū)域內(nèi)大噴孔在上小噴孔在下碘的大噴孔和小噴孔所對應(yīng)的高度

8、就有0.8mm大、小噴孔之間只有011mm需要靠分子擴散來填充顯然在到達光腔前在豎直方向上已全部充滿碘其它物理量在z方向上差別也很小可以認為到達光腔時豎直方向(z方向)已混合均勻。碘氣流與氧氣流的混合主要靠碘氣流的穿透效應(yīng)碘氣流垂直射入氧氣流的穿透深度?y表示為?y=Α[Θsv2s?Θpv2p]1?2D其中ΘpΘs為氧、碘氣流的密度vpvs為氧、碘氣流的速度D為碘氣流噴孔直徑Α為一常數(shù)。而貫穿參數(shù)?定義[1]為?≡?yAsΑDAp=As

9、mαsvsΘpmα2p1?2=Β’[Θp]1?2“≡”之后的表達式為?的定義與第一個“=”之后的表達式等價Ap、As為氧、碘氣流的通道面積mαpmαs分別為氧、碘氣流的質(zhì)量流量由第一個“=”之后的表達式可以看出要提高碘氣流的貫穿參數(shù)?一方面可以增加碘氣流的通道面積(增加碘噴孔數(shù)目)加大碘氣流流量(主要是增加載流氣體He的流量)和碘氣流流速(升高碘氣流溫度、增加載流氣體He的流量或碘噴孔采用擴張形狀即提高碘氣流的聲速值或使其為超音速)另一

10、方面可以減少氧氣流的質(zhì)量流量(主要是減少載流氣體He的流量)、增加碘噴孔附近的氧氣流質(zhì)量密度(在Mach數(shù)較低處注入碘)等。在氧碘氣流的流量不變、各組分的流量比不變且碘噴孔內(nèi)的溫度也不變的前提下可得到碘氣流的出口流速不變這樣即得到了第二個“=”之后的表達式Β’=[Asmαsvs?mα2p]1?2為常數(shù)從?的最后表達式可以看出?與主氣流在碘噴孔附近的密度的平方根成正比碘噴孔附近主氣流的密度大?就大氧碘氣流就混合好一些反之就差一些。本文的計

11、算結(jié)果(表3、圖2)也說明了這一點。表3碘噴孔附近氧氣流的密度Θp和拉伐爾噴管出口處碘氣流的穿透深度?yTable3TheprimaryflowmassdensityΘpneartheiodineinjecttheperationdepth?yofthesecondaryflowatthenozzleexitplanemodel012345Θp?(gcm3)2.19e51.8e51.75e51.73e51.67e51.6e5?y?cm0

12、.4690.430.420.410.4060.39由表3可以看出隨著碘噴孔往下游移動碘噴孔附近氧氣流的密度越來越小這是由拉伐爾噴管內(nèi)流場氣體動力學(xué)性質(zhì)決定的氣流流經(jīng)拉伐爾噴管逐漸被加速由亞音速流變成超音速流即Mach數(shù)沿氣流方向在逐漸增大沿氣流方向不同位置處(即不同Mach數(shù)處Mai)的密度Θi可表達為Θi=Θ01Χ12Ma2i1?(Χ1)其中Θ0為滯止密度Χ為定壓定容比熱容比(在流量相同、各組分的流量比不變的情況下它們的值不變)。由上

13、述表達式可以看出Mach數(shù)大的地方氣流的密度低即在拉伐爾噴管內(nèi)沿氣流方向氣流的密度越來越低。在我們計算的情況中碘氣流雖然對氧氣流有影響但影響不大碘噴孔位置沿氣流方向移動其附近氧氣流的密度Θp也隨著減小。從表3還可以看出隨著碘噴孔位置沿氣流方向移動拉伐爾噴管出口處碘氣流的穿透深度?y隨著減小并且?y與(Θp)1?2確實成比例驗證了?的最后表達式。由圖2可以看出碘原子開始出現(xiàn)的位置隨碘噴孔位置的變化而變化不管碘噴孔的位置在何處基態(tài)碘原子的分

14、布更靠近噴管葉片而激發(fā)態(tài)碘原子的分布離噴管葉片要遠一些。這是因為碘原子只能出現(xiàn)在氧碘氣流的混合區(qū)內(nèi)混合區(qū)隨碘噴孔的位置的變化而變碘噴孔的位置無論在何處靠近噴管葉片附近的區(qū)域碘氣流的成分多一些氧氣流的成分少一些O2(1?)將碘分子分解就消耗得差不多了沒有更多的O2(1?)將基態(tài)的碘原子泵浦到激發(fā)態(tài)上去而遠離噴管葉片的地方氧氣流的成分多一些碘氣流的成分少一些O2(1?)不但能將碘分子全部分解而且還有更多的O2(1?)將部分基態(tài)的碘原子泵浦到