TEA CO2激光器的大体积放电研究

摘要

高能脉冲CO2激光器由于近年兴起的激光推进、激光强场物理等应用的需求,又一次得到了人们的重视。实现稳定、均匀的大体积放电,是获得高单脉冲能量的必经途径。
　　本文较为详尽的论述了在大放电体积下TEA(Transversely Excited Atmospheric)CO2激光器的放电理论与实验研究结果。主要从放电电极、预电离方式、放电电路、放电发展过程和放电发光光谱分析出发,旨在优化放电结构,提高高气压大体积下的放电稳定性。
　　从理论上对TEA CO2激光器的均匀场放电电极进行了研究。利用有限元计算方法,计算并讨论了均匀场电极中电极面型、电极板安装结构和电极板厚度对实际电场分布影响。根据放电等离子体辉光分布,认为电极表面的电场强度分布,仅对放电的初始发展具有影响,而放电区中央的电场分布以及预电离强度,对最终放电区的均匀性具有决定性的影响。
　　对影响小信号增益的各种因素进行了实验研究。系统地讨论了电路因素(放电区结构、放电电路、充电电压等)和非电路因素(气体成分、工作气压、种子气体等)对小信号增益的基本影响规律。
　　从预电离技术和均匀场电极方面综合考虑,对预电离结构进行了优化。比较了多种电极和预电离结构组合的放电效果,其中采用近罗可夫斯基电极和紧密排列火花针预电离的组合方式能够获得更宽的放电区域和更高的小信号增益。
　　使用放电电压、电流波形以及放电区小信号增益系数作为评价手段,对Marx高压脉冲发生器放电电路进行了实验分析和改进。实验研究发现,储能相同的条件下,Marx高压脉冲发生器的结构和参数能极大地影响注入效率。在放电电路中采用峰值电容提高了初始预电离强度,最佳峰值电容与储能电容比为Cp/Cs=0.075。最终采用的单级储能电容为0.5μF的电阻隔离型三级Marx高压脉冲发生电路,对无氦工作气体,小信号增益系数最大可达3.2％cm-1。
　　为了了解放电的微观发展过程,利用ICCD相机对脉冲CO2激光器的放电区进行观测,获得了完整的放电辉光时空发展过程,并且利用发射光谱法对TEA CO2激光器放电致等离子体发光光谱进行了诊断。从实验结果来看,TEA CO2激光器中放电辉光强度、等离子体发射光谱强度和放电电压波形之间存在对应关系,都随放电电压波形而同步变化。根据测得的氮分子第二正带系发射光谱的顺序带组进行了等离子体的振动温度的拟合和计算,所得的振动温度范围在3300K～4100K之间。
　　利用本论文的研究成果,成功实现70mm和100mm放电间距的高气压稳定放电。采用电感镇流紧密排列火花塞预电离技术,近似Rogowski–Ernst混合电极,在4l的放电体积里,最大单脉冲能量达到了169J的水平。

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1 绪论

1.1 国内外高能量高平均功率脉冲CO2激光器的发展动态

1.2 高能TEA CO2激光器若干需要进一步研究的关键技术

1.3 课题来源、目的及意义

2 高气压大体积放电的基本原理

2.1 TEA CO2激光器放电概述

2.2 实现高功率CO2激光输出的预电离技术

3 TEA CO2激光器电极理论及电场计算

3.1 均匀场电极理论

3.2 几种均匀场电极的设计和理论电场分布

3.3 实际放电区静电场数值计算

3.4 本章小结

4 TEA CO2大体积放电小信号增益的非电路因素探究

4.1 小信号增益理论概述

4.2 小信号增益系数的测量方法

4.3 实验装置

4.4 非电路因素影响小信号增益系数的实验结果

4.5 本章小结

5 TEA CO2激光器电极面型和预电离方式的实验研究

5.1 紫外光预电离结构的电路分析

5.2 预电离结构的优化

5.3 几种组合方式对激光器运行特性的影响

5.4 本章小结

6 TEA CO2激光器大体积放电电路的实验研究

6.1 放电电路简介

6.2 Marx高压脉冲发生器电路

6.3 Marx高压脉冲发生器放电电路研究结果

6.4 本章小结

7 TEA CO2激光器放电过程和放电发光光谱的分析

7.1 TEA CO2激光器不同放电电路对放电过程影响的分析

7.2 TEA CO2激光器放电致等离子体发射光谱分析

7.3 本章小结

8 激光振荡实验

8.1 激光振荡实验参数

8.2 激光振荡实验结果

8.3 小结

9 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的论文目录

附录2 计算均匀场电极表面电场的源程序

附录3 辉光放电照片的分析程序

附录4 增益测量实验装置