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环柱型高能连续波HF化学激光器研究

刘文广  
【摘要】:环柱型激光器是由环形增益介质和适于环形增益介质的谐振腔构成的一种紧凑型激光器。本文研究的环柱型高能连续波HF化学激光器由环形高超音速低温喷管阵列(HYLTE)和束变换环孔腔两大部分构成,主要目的是实现激光器高功率输出的同时,保持良好的光束质量,减轻镜面热负荷的不均匀性,实现高能化学激光器的紧凑化、小型化设计,同时,轴对称的排气方案使之更加适合于天基平台使用。 束变换环孔腔结构复杂,设计难度非常大。文章给出了束变换环孔腔的设计方法,提出了使用等光程原理进行类锥形高次非球面镜设计的方法,这种方法具有快速、简洁,物理意义清晰的特点。给出了具有偏振混合效应的复杂结构环柱型激光器开腔模式的波动光学分析方法,建立了束变换环孔腔矢量形式的本征方程。通过对衍射积分方程的变换推导了实心光束传输的快速算法,使用坐标变换的方法以及合适的f参量的选取去掉了环形光场传输的偏微分方程初始条件的剧烈振荡,推导了腔内偏振混合效应的数学表达式,并给出了光场在复杂的光学元件间传输的近似处理方法。 化学激光器的增益介质分布是非均匀的,并且由于工作过程中燃烧室总压的变化以及高温气体对喷管的烧蚀作用,使得增益分布发生变化。文章建立了四种增益介质模型,通过数值模拟的手段分析了增益介质变化对束变换环孔腔的影响,结果表明束变换环孔腔对于增益介质的变化具有很好的适应能力,角向模式鉴别能力高,输出光场的相位分布均匀,远场传输能力强,光束质量接近衍射极限;腔镜上光强分布均匀,从而可以最大限度降低因热应力不均而产生腔镜破裂的可能性。 束变换环孔腔镜面众多,结构复杂,在实际装置中必然存在一定的失调。文章分析了束变换环孔腔的主要失调因素,建立了两种失调腔模型,即非共轴偏移模型和紧束段倾斜模型,数值分析的结果表明,束变换环孔腔对于非轴对称的失调较为敏感,而对轴对称的失调具有较好的抑制作用。非共轴偏移以及紧束段镜面倾斜都会使输出光场的相位分布发生跳变、剪切和扭曲,其中非共轴偏移对相位分布的影响最大;相位分布中倾斜量占主要成分,随着失调的增大,高阶像差的成分增大,使远场传输能力降低。但是这两种失调对于束变换环孔腔的能量抽取效率影响较小,这是束变换环孔腔的又一优点。同时也讨论了紧束段引入了90度光束旋转对提高谐振腔抗失调能力的作用。 环形喷管阵列可以视为线性喷管阵列的变形,文章分析了环形喷管阵列与线性喷管阵列的联系,比较了两种构成环形喷管阵列的方法,即线性喷管叶片沿角向排列的方法和环


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