稀释气对COIL输出功率的影响

　　氧碘化学激光器[1](COIL)具有化学效率高、波长短、大气传输性能好等诸多优点,有着广阔的应用前景。从COIL反应机理可以看出,反应过程并不涉及稀释气,但是,稀释气在COIL的运行过程中却必不可少[2]。在氧碘化学激光器中,稀释气的作用主要有:提高气体流速,减小气体驻留时间;通过稀释和增大热容,缓解由于化学反应释放出的热量所引起的气体温度上升;提高激光器上游气体压力,有利于建立超音速流场。因此,稀释气对激光器输出功率影响的研究具有非常重要的意义。

　　1978年,W.E.McDermott等人首次使用氩气作载气演示成功氧碘化学激光器[3],输出功率4 mW。在接下来的很多年里,氦气由于其较小的相对分子质量,较大的比热容比而成为载气的首选[4]。但是,氦气价格昂贵,消耗量又非常大(通常是氯气流量的4倍),对于高功率、长时间运转的COIL,耗费问题尤其突出,这在一定程度上限制了He-COIL的实用化和工业化。20世纪90年代出现了N2-COIL,该激光器可以应用低温吸附装置[5]。N2-COIL不但在化学效率、操作稳定性和恢复压力方面比拟He-COIL,而且操作成本低廉。但由于N2液化温度低(-196℃),因而在吸附过程中需要消耗大量的液氮,需要的分子筛的量比较大,而且吸附罐结构太复杂,液氮消耗量也成倍增长,加大了分子筛再生难度。而无稀释气的氧碘化学激光器虽然可以减轻吸附系统的体积和质量,但是对吸附系统的压力仍然存在较高的要求[6]。本文在N2-COIL上进行实验,分别考察了不同稀释气以及稀释气进气位置对COIL输出功率的影响,为稀释气的研究提供了初步实验资料。

　　1　实验装置

　　实验是在kW级立式[7]N2-COIL上进行的,如图1所示。单重态氧是由逆流式方管[8]射流氧发生器(SOG)产生,反应区截面积为10 cm×7.2 cm,反应的比表面积为3.6 /cm。BHP液体由25 kg的H2O2(质量分数50%)和30 kg的KOH溶液(质量分数50%)组成,采用泵循环的方式驱动,驱动压力7 N/cm2,射流速度为11m/s。液体温度维持在-15℃左右。碘分子蒸气由加热碘池产生,随着二股气一起进入,碘的流量为(3.3±0.2)mmol/s。氯气从发生器两侧进入,流量为155 mmol/s。激光器腔长60 cm,输出镜耦合率为2.2 %,全反镜为曲率半径2 m的凹面镜。喷管马赫数为2.5,增益区长11.7 cm。

　　2　实验结果和讨论

　　2.1　稀释气进气位置及稀释比对输出功率的影响

　　在保持氯气流量155 mmol/s不变的情况下,将二氧化碳稀释气分别从发生器和发生器出口(图2中thefirst primary buffer gas和the secondary primary buffergas)进入激光器。激光器输出功率与进气位置以及稀释比的关系如图2所示。从图2可见,第一部分,即从发生器进入的主稀释气,对输出功率的提高有很大的促进作用,并且随着稀释比的不断增大,输出功率随之增加。但是当稀释比增大到1以后,输出功率的增加已不明显,甚至有开始下降的趋势。而第二部分,即从发生器出口进入的主稀释气,对输出功率的影响则完全相反:这一部分稀释气的加入,导致输出功率下降,并且稀释比越大,下降的趋势越明显。这是因为,当稀释气从发生器进入激光器时,稀释气体使O2(1Δ)分子的驻留时间τ变短,根据p-τ值与O2(1Δ)产率的关系[9]可知,在不冲液的前提下,提高稀释比有利于O2(1Δ)产率的提高。当稀释比增加到1以后,气流中夹带的水汽不断增加,加剧了对单重态氧、激发态碘原子、激发态碘分子的淬灭,从而造成输出功率不再增大[1]。而从发生器出口进入激光器的稀释气,可以看作是发生器出口的气帘,减缓了气流的速度,使O2(1Δ)分子的驻留时间τ变长,O2(1Δ)分子的淬灭严重,因此功率下降。但是,这一部分稀释气的加入对于提高发生器的稳定性和提升上游的压力却是非常有利的。