CN105281183A - 一种实现高工作压力碘激光增益介质的结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高工作压力条件下实现碘激光增益介质的方法及结构，具体地说是实现具有侧向进气、横向流出高马赫数气体的高压叶片结构。高压气体通过上侧板进入到高压叶片的进气腔中，再通过进气孔流到缓冲腔，气体再由缓冲腔流经叶片喉道，气体流过喉道后在扩张面形腔的边界条件约束下开始膨胀形成高马赫数、低温、低压气体流，实现具有高工作压力碘激光增益介质，为激光产生提供增益介质。

Description

一种实现高工作压力碘激光增益介质的结构及方法

技术领域

本发明涉及一种高工作压力碘激光增益介质的实现方法及结构设计，具体地说是一种采用高压、高马赫数的叶片和进碘蒸汽的叶片，实现具有高工作腔压COIL的方法。

背景技术

氧碘化学激光(COIL)中产生碘激光增益介质的工作压力一般为2-3torr，这有利于减小气体分子间的相互碰撞脱活，提高化学激光的效率。但由于工作腔压较低，为保障这样的工作状况，就需要相应的真空或引射器等辅助设备，将COIL的残余气体排入大气。而这些辅助设备的体积往往是相当庞大，所消耗的电能也比较高。而碘激光增益介质的工作压力越低，向大气中排出残余气体的难度就越大，而采用紧凑的一维高压喷管，就可以提高其工作压力，同时保障碘激光增益介质正常产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现高工作压力碘激光增益介质方法及结构，提高COIL激光的工作压力，提高COIL激光器***结构紧凑性，减小COIL激光体积。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种实现高工作压力碘激光增益介质的结构，包括1片以上的进碘叶片，由进碘叶片流出的碘蒸汽被激发态氧气带入氧碘激光器的氧碘混合区，在混合区碘蒸汽与激发态氧气混合、反应、产生激发态的碘原子，形成碘原子激光增益介质；

其特征在于：还包括有2片以上的一维扩张高马赫数高压叶片，它们按相互平行的阵列方式从前至后依次排布；

在相邻的每两个高压叶片之间均设置有一片进碘叶片，进碘叶片与高压叶片相互平行，高压叶片和进碘叶片均镶嵌在上侧板和下侧板之间，上、下侧板起密封作用；

高压叶片和进碘叶片间留有激发态氧气通过的空隙；高压叶片和进碘叶片位于氧碘激光器的氧碘混合区一侧；

高压气体从上侧板或下侧板上开设的与高压叶片相连通的通孔进入高压叶片中；

碘蒸汽从下侧板或上侧板上开设的与进碘叶片碘蒸汽的进气口相连通的通孔进入进碘叶片中。

一维扩张高马赫数高压叶片具有亚音速收缩面形，侧向进气腔、缓冲腔、喉道、扩张面形腔、不对称扰齿、进气孔；

其为条状体结构，以条状体的长度方向为纵向方向，条状体结构的横截面为半椭圆形，半椭圆形的外表面构成横向方向的亚音速收缩面形；

于条状体内部，从横截面的长轴端点到椭圆圆心依次纵向设置有侧向进气腔、缓冲腔、扩张面形腔；

侧向进气腔和缓冲腔间的纵向隔板上设有通孔，侧向进气腔和缓冲腔通过隔板上的通孔相连通，通孔作为进气孔；缓冲腔远离侧向进气腔一侧纵向设置有缝隙，形成喉道，缝隙向远离缓冲腔一侧逐渐平滑扩张，形成扩张面形腔；

在扩张面形腔远离缓冲腔侧的上、下两个侧壁面上均延纵向方向设有相互间隔平行的扰齿，上、下两个侧壁面上的扰齿依次交错，形成不对称扰齿。

进碘叶片为一长条形中空密闭容器，以条状体的长度方向为纵向方向，垂直于其长度方向的密闭容器左右二侧外表面的横截面为圆弧形；

在进碘叶片靠近混合区的一端设有两列通孔作为进碘孔，两列进碘孔沿气流方向(从左至右)成中心轴对称分布，两列进碘孔轴线的夹角为30-120度，这样与进碘腔内的压力有关，每列进碘孔均由2个以上的进碘通孔构成，每列进碘孔中的相邻进碘通孔之间的间距为2-3mm，密闭容器的下端设有碘蒸汽的进气口。

进碘叶片镶在上侧板和下侧板之间，而进碘叶片在下侧板或上侧板一侧留有进气口，留有进气口一侧的进碘叶片外壁面与下侧板或上侧板间采用耐高温胶密封，防止碘蒸气从进气口端与下侧板或上侧板的间隙中泄漏，混入到激发态氧气中。

在上侧板和下侧板之间镶有高压叶片和进碘叶片，高压叶片和进碘叶片等间距排列，高压叶片与上侧板接触面采用焊接密封，于上侧板上留有与高压叶片进气腔相连通的通孔，而在下侧板与高压叶片进气腔间设有盲板密封。

高压气体作为引射气体首先流入高压叶片中的侧向进气腔、再通过进气孔流到缓冲腔，气体再由缓冲腔流经叶片喉道，气体流过喉道后在扩张面形腔的边界条件约束下开始膨胀形成高马赫数、低温、低压气体流(低压、高速的超音速气流)；实现对工作氧气和碘蒸汽的引射作用；

而碘蒸汽则从与高压气体相对的一侧(下侧板或上侧板一侧)流入进碘叶片的进气腔，再从进碘叶片上的进碘孔流入到混合区，进碘孔在进碘叶片靠近高压叶片扩张面形腔的一侧端(靠近混合区的一端)，进碘孔为两列中心轴对称的通孔，两列进碘孔的轴线夹角呈30°-120°，在混合区碘蒸汽与激发态氧气混合、反应、产生激发态的碘原子，形成碘原子激光增益介质；

激发态氧气从靠近高压叶片侧向进气腔一侧、经过高压叶片和进碘叶片间的空隙流入到混合区。

在高压引射气体和激发态氧气比例方面，可以通过调整高压叶片间距来调整两者的通气截面积，另外可以通过压力控制二者的流量比；这种高马赫数喷管叶片的起动时其总压与混合区压力比在25-50：1。

高压引射气体一般采用氮气、氩气、氦气中的一种或二种以上，其温度在60-200摄氏度。

高压气体通过侧向进气腔进入到叶片中，再通过进气孔流到缓冲腔，气体再由缓冲腔流经叶片喉道，气体流过喉道后在扩张面形腔的边界条件约束下开始膨胀形成高马赫数、低温、低压气体流；实现对其它气体引射作用；不对称扰齿起着增强混合效率作用，不对称扰齿的间夹角一般在15-30度，不对称扰齿末端间距离在1.5～2.5mm，扰齿宽度在2.3～2.7mm之间。

高压叶片平行排列结构紧凑，并且通过调整叶片间距控制高压叶片内的引射气体和高压叶片外的被引射气体的通气截面，具有调节通气截面方式简单。

采用2片以上的一维扩张高马赫数高压叶片(简称：高压叶片)，它们按相互平行的阵列方式从前至后依次排布，并且通过调整叶片间距控制引射气体和被引射气体的通气截面，具有调节通气截面方式简单。在相邻的每两个高压叶片之间均设置有一片进碘叶片，进碘叶片与高压叶片相互平行，高压叶片和进碘叶片均镶嵌在上侧板和下侧板之间，上、下侧板起密封作用。高压叶片和进碘叶片间留有激发态氧气通过的空隙。高压叶片和进碘叶片位于氧碘激光器的氧碘混合区一侧。高压气体从上侧板或下侧板上开设的与高压叶片相连通的通孔进入高压叶片中。碘蒸汽从下侧板或上侧板上开设的与进碘叶片碘蒸汽的进气口相连通的通孔进入进碘叶片中。

高压气体作为引射气体首先流入高压叶片中的侧向进气腔、再通过进气孔流到缓冲腔，气体再由缓冲腔流经叶片喉道，气体流过喉道后在扩张面形腔的边界条件约束下开始膨胀形成高马赫数、低温、低压气体流(低压、高速的超音速气流)；实现对工作氧气和碘蒸汽的引射作用。而碘蒸汽则从与高压气体相对的一侧流入进碘叶片的进气腔，再从进碘叶片上的进碘孔流入到混合区，进碘孔在进碘叶片靠近高压叶片扩张面形腔的一侧端，进碘孔为两列中心轴对称的通孔，两列进碘孔的轴线夹角呈30°-120°，在混合区碘蒸汽与激发态氧气混合、反应、产生激发态的碘原子，形成碘原子激光增益介质。激发态氧气从靠近高压叶片侧向进气腔一侧，经过高压叶片和进碘叶片间的空隙流入到混合区。

一维扩张高马赫数高压叶片(专利号：201110413688.2，专利名称：一种一维扩张高马赫数喷管叶片及其加工和应用)具有亚音速收缩面形，侧向进气腔，缓冲腔，喉道，扩张面形，不对称扰齿，进气孔。其为条状体结构，以条状体的长度方向为纵向方向，条状体结构的横截面为半椭圆形，半椭圆形的外表面构成横向方向的亚音速收缩面形；于长条体内部，从横截面的长轴端点到椭圆圆心依次纵向设置有侧向进气腔、缓冲腔、扩张面形腔；侧向进气腔和缓冲腔的纵向隔板上设有通孔，侧向进气腔和缓冲腔通过隔板上的通孔相连通，通孔作为进气孔；缓冲腔远离侧向进气腔一侧纵向设置有缝隙，形成喉道，缝隙向远离缓冲腔一侧逐渐平滑扩张，面形扩张面形腔。在扩张面形腔远离缓冲腔侧的的上、下两个侧壁面上均延纵向方向设有相互间隔平行的扰齿，上、下两个侧壁面上的扰齿依次交错，形成不对称扰齿；侧向进气腔的前后方向的一端或两端为进气端。侧向进气腔的横截面为半椭圆形，隔板侧为其短轴；叶片的宽度为椭圆短轴；扰齿为一端弯折的长条形，扩张面形腔上、下两个侧壁面上的扰齿弯折端相对交错设置；不对称扰齿位于扩张面形的末端，起着增强混合效率作用，扩张面形腔上、下两个侧壁面上的扰齿间的夹角15-25度，上、下两个侧壁面上的对应扰齿末端间距离在1.5～2.5mm；扰齿宽度在2.3～2.7mm之间，每个侧壁面上的相邻扰齿中心距为扰齿宽度的2倍。扩张面形其线形为多义线，如果采用氮气做工作气体，多义线各坐标点为喉道尺寸乘以表一的对照点坐标系数，即可得到扩张面形。

进碘叶片为一长条形中空密闭容器，密闭容器左右二侧外表面的横截面为圆弧形；在进碘叶片靠近混合区的一端设有两列通孔作为进碘孔，两列进碘孔沿气流方向成中心轴对称分布，两列进碘孔轴线的夹角为30-120度，这样与进碘腔内的压力有关，每列进碘孔均由2个以上的进碘通孔构成，每列进碘孔中的相邻进碘通孔之间的间距为2-3mm，密闭容器的下端设有碘蒸汽的进气口。

本发明是采用高压叶片实现具有侧向进气、横向流出高马赫数气体的结构，增强其工作压力；同时通过进碘叶片，注入碘分子。高压气体通过上侧板或下侧板进入到高压叶片的进气腔中，再通过进气孔流到缓冲腔，气体再由缓冲腔流经叶片喉道，气体流过喉道后在扩张面形腔的边界条件约束下开始膨胀形成高马赫数、低温、低压气体流。在相邻高压叶片间设有进碘叶片，碘蒸气及其载气通过下侧板或上侧板，进入到进碘腔，进碘叶片上有两排对称的进碘孔，进碘腔中的碘蒸气再通过小孔射入到激发态氧中，与氧气流进行混合，产生激发态碘原子，这股混合气流再与高压喷管叶片喷出高马赫数、低温、低压气体流进行混合，实现具有高工作压力碘激光增益介质，为提供COIL高压碘增益介质。

本发明能够在工作压力5-30torr的压力条件下，产生碘增益介质，这样减轻了工作气体排入大气负担，有利于减小COIL的***体积、规模和重量。

附图说明

图1高工作压力碘激光增益介质实现原理示意框图(俯视的剖面图)；

图2高工作压力碘激光增益介质实现方法结构示意图(正视图)；

图3一维扩张高马赫数高压叶片结构示意图；

图4进碘叶片结构示意图。

具体实施方式

发明中采用新型高压引射式喷管，在结构上(见图2结构示意图)具有上下侧板及左右侧板，气体仅能沿一个方向流动(从左至右)，在上侧板1和下侧板2之间镶有高压叶片3和进碘叶片4，高压叶片3和进碘叶片4等间距依次交替排列，高压叶片3与上侧板1接触面采用焊接密封，于上侧板1上留有与高压叶片3进气端12相连通的通孔，而在下侧板2与高压叶片3进气腔间设有盲板密封。

进碘叶片4镶在上侧板1和下侧板2之间，而进碘叶片4在下侧板2一侧留有进气口16，留有进气口16一侧的进碘叶片4外壁面与下侧板2间采用耐高温胶密封，防止碘蒸气从进气口16端与下侧板2的间隙中泄漏，混入到激发态氧气中，而激发态氧由前段氧发生器提供。

高压叶片3在设计中如果喷管喉道8的宽度、使用气体和马赫数确定，通过气动力学的计算(如表1，厚道为1，气体为氮气，马赫数为5)就可以按比例确定出扩张面形腔5的面形，即确定喷管扩张段的尺寸；增加一定的壁厚(一般在0.4-0.8mm之间)即可确定喷管总的宽度；喷管亚音速收缩面形5的面形为半椭圆，叶片的宽度为椭圆短轴，侧向进气腔6为椭圆部分，其短轴为扩展面形腔7末端宽度，通过改变椭圆长轴尺寸，来改变侧向进气腔6的面积，使侧向进气腔6面积满足大于喉道8实际进气面积3.5倍。在侧向进气腔6所在的半椭圆面中还包括扩张面形腔9、喉道8、缓冲腔7，侧向进气腔6和缓冲腔7通过进气孔11相连通，缓冲腔7从截面看半封闭腔，缓冲腔7出口为圆角过度、半角60度收缩及圆弧过度为水平方向，形成喉道8，对接扩张面形腔9(根据表1，按厚道比例即可得到面型坐标数据)。

在高压引射气体和激发态氧气比例方面，可以通过调整高压叶片(3)间距来调整两者的通气截面积，另外可以通过压力控制二者的流量比。这种高马赫数喷管叶片的起动时其总压与混合区压力比在25-50：1左右，高压引射气体一般采用氮气、氩气、氦气，其温度在100-200摄氏度。

从左侧流入的激发态氧通过高压叶片3和进碘叶片4之间间隙，流向前端真空***过程中，进碘叶片4通过进碘孔注入碘蒸汽，与激发态氧发生碰撞反应，产生激发态碘原子，而高压叶片3提供高马赫数、高总压、低静压、低温的混合气体，提高氧气流的总压，降低氧气流的温度，能够实现具有较高浓度的碘激光增益介质，同时工作环境压力可以达到10-25torr，这样将减轻残余气体的排出负担。

Claims (10)

1.一种实现高工作压力碘激光增益介质的结构，包括1片以上的进碘叶片(4)，由进碘叶片(4)流出的碘蒸汽被激发态氧气带入氧碘激光器的氧碘混合区，在混合区碘蒸汽与激发态氧气混合、反应、产生激发态的碘原子，形成碘原子激光增益介质；

其特征在于：还包括有2片以上的一维扩张高马赫数高压叶片(3)，它们按相互平行的阵列方式从前至后依次排布；

在相邻的每两个高压叶片(3)之间均设置有一片进碘叶片(4)，进碘叶片(4)与高压叶片(3)相互平行，高压叶片(3)和进碘叶片(4)均镶嵌在上侧板(1)和下侧板(2)之间，上、下侧板起密封作用；

高压叶片(3)和进碘叶片(4)间留有激发态氧气通过的空隙；高压叶片(3)和进碘叶片(4)位于氧碘激光器的氧碘混合区一侧；

高压气体从上侧板(1)或下侧板(2)上开设的与高压叶片(3)相连通的通孔进入高压叶片(3)中；

碘蒸汽从下侧板(2)或上侧板(1)上开设的与进碘叶片(4)碘蒸汽的进气口(16)相连通的通孔进入进碘叶片(4)中。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：

一维扩张高马赫数高压叶片(3)具有亚音速收缩面形(5)，侧向进气腔(6)、缓冲腔(7)、喉道(8)、扩张面形腔(9)、不对称扰齿(10)、进气孔(11)；

其为条状体结构，以条状体的长度方向为纵向方向，条状体结构的横截面为半椭圆形，半椭圆形的外表面构成横向方向的亚音速收缩面形(5)；

于条状体内部，从横截面的长轴端点到椭圆圆心依次纵向设置有侧向进气腔(6)、缓冲腔(7)、扩张面形腔(9)；

侧向进气腔(6)和缓冲腔(7)间的纵向隔板上设有通孔，侧向进气腔(6)和缓冲腔(7)通过隔板上的通孔相连通，通孔作为进气孔(11)；缓冲腔(7)远离侧向进气腔(6)一侧纵向设置有缝隙，形成喉道(8)，缝隙向远离缓冲腔一侧逐渐平滑扩张，形成扩张面形腔(9)；

在扩张面形腔(9)远离缓冲腔侧的上、下两个侧壁面上均延纵向方向设有相互间隔平行的扰齿，上、下两个侧壁面上的扰齿依次交错，形成不对称扰齿(10)。

3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：

进碘叶片(4)为一长条形中空密闭容器，以条状体的长度方向为纵向方向，垂直于其长度方向的密闭容器左右二侧外表面的横截面为圆弧形；

在进碘叶片(4)靠近混合区的一端设有两列通孔作为进碘孔(13)，两列进碘孔沿气流方向(从左至右)成中心轴对称分布，两列进碘孔(13)轴线的夹角(15)为30-120度，这样与进碘腔(13)内的压力有关，每列进碘孔(13)均由2个以上的进碘通孔构成，每列进碘孔中的相邻进碘通孔之间的间距为2-3mm，密闭容器的下端设有碘蒸汽的进气口(16)。

4.根据权利要求1或3所述的结构，其特征在于：

进碘叶片(4)镶在上侧板(1)和下侧板(2)之间，而进碘叶片(4)在下侧板(2)或上侧板(1)一侧留有进气口(16)，留有进气口(16)一侧的进碘叶片(4)外壁面与下侧板(2)或上侧板(1)间采用耐高温胶密封，防止碘蒸气从进气口(16)端与下侧板(2)或上侧板(1)的间隙中泄漏，混入到激发态氧气中。

5.根据权利要求1或2所述的结构，其特征在于：

在上侧板(1)和下侧板(2)之间镶有高压叶片(3)和进碘叶片(4)，高压叶片(3)和进碘叶片(4)等间距排列，高压叶片(3)与上侧板(1)接触面采用焊接密封，于上侧板(1)上留有与高压叶片(3)进气腔(6)相连通的通孔，而在下侧板(2)与高压叶片(3)进气腔间设有盲板密封。

6.一种实现高工作压力碘激光增益介质的方法，其特征在于：采用权利要求1、2、3、4或5任一所述结构；

高压气体作为引射气体首先流入高压叶片(3)中的侧向进气腔(6)、再通过进气孔(11)流到缓冲腔(7)，气体再由缓冲腔(7)流经叶片喉道(8)，气体流过喉道(8)后在扩张面形腔(9)的边界条件约束下开始膨胀形成高马赫数、低温、低压气体流(低压、高速的超音速气流)；实现对工作氧气和碘蒸汽的引射作用；

而碘蒸汽则从与高压气体相对的一侧(下侧板(2)或上侧板(1)一侧)流入进碘叶片(4)的进气腔，再从进碘叶片(4)上的进碘孔(13)流入到混合区，进碘孔(13)在进碘叶片(4)靠近高压叶片(3)扩张面形腔(9)的一侧端(靠近混合区的一端)，进碘孔(13)为两列中心轴对称的通孔，两列进碘孔的轴线夹角呈30°-120°，在混合区碘蒸汽与激发态氧气混合、反应、产生激发态的碘原子，形成碘原子激光增益介质；

激发态氧气从靠近高压叶片(3)侧向进气腔(6)一侧、经过高压叶片(3)和进碘叶片(4)间的空隙流入到混合区。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在高压引射气体和激发态氧气比例方面，可以通过调整高压叶片(3)间距来调整两者的通气截面积，另外可以通过压力控制二者的流量比；这种高马赫数喷管叶片的起动时其总压与混合区压力比在25-50：1。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：高压引射气体一般采用氮气、氩气、氦气中的一种或二种以上，其温度在60-200摄氏度。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

高压气体通过侧向进气腔(6)进入到叶片中，再通过进气孔(11)流到缓冲腔(7)，气体再由缓冲腔(7)流经叶片喉道(8)，气体流过喉道后在扩张面形腔(9)的边界条件约束下开始膨胀形成高马赫数、低温、低压气体流；实现对其它气体引射作用；不对称扰齿(10)起着增强混合效率作用，不对称扰齿的间夹角一般在15-30度，不对称扰齿末端间距离在1.5～2.5mm，扰齿宽度在2.3～2.7mm之间。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

高压叶片(3)平行排列结构紧凑，并且通过调整叶片间距控制高压叶片(3)内的引射气体和高压叶片(3)外的被引射气体的通气截面，具有调节通气截面方式简单。