烟火泵浦激光器原理与实验研究

论文摘要

受化学物质氧化-还原反应发出强闪光的启发,以烟火药燃烧发光机理研究为基础,进行了烟火药特征辐射光谱与激光介质吸收光谱匹配的尝试和新配方烟火泵浦源药剂的研究,继而设计制备了烟火泵浦激光器实验装置并对其结构和出光性能作出改进,并与气体放电灯和阳光泵浦源比较,探讨了这种激光器的应用前景。出于研制新型高效烟火光源的需要,对各种类型氧化剂和可燃剂进行总体和针对性实验,发现了氧化剂、可燃剂与辐射强度、发射光谱之间定性的对应关系。用CEA（Chemical Equilibrium with Applications）计算了烟火药燃烧平衡态热力学参数和产物组成,并与实验结果对照,进而对烟火药的发光机理作出分析,认为烟火药的连续谱和分立谱都是热激发的结果,受黑体辐射定律支配,连续谱体现为燃烧体系的平衡温度,分立谱强度由偏离平衡的局部瞬态高温决定,特征波长分布由气体发射率本征分布决定。这个结论对认识烟火药发射光谱的本质和指导药剂研究具有重要意义。由于烟火药的发射光谱轮廓对激光器的光泵浦效率影响较大,本文分析了烟火药发射光谱轮廓的成因和影响因素,并对照激光介质吸收光谱随激活离子和基质结构变化的规律,在综合考虑了物理、化学、光学性能和技术现状后,选择了磷酸盐Nd玻璃为本文实验的激光介质。针对该介质研制了一组发射混合光谱的烟火泵浦源药剂,与以前报道的完全不同,其中A#配方能够稳定出光,其主要化学组成为:RbNO3、Ba（NO3）2、KClO 4、NaNO3和Al/Mg。在药剂研究的基础上,设计制备了烟火泵浦激光器实验装置。通过引入雾化Mg粉部分取代Al/Mg合金成功提高了燃烧速度、峰值辐射强度以及能量转化效率。考虑到光束的空间传播特性和燃烧产物中凝聚态成份对光路的影响,研究了激光能量随质量和分布的变化规律,发现大量药柱集中在少量电阻丝上的排布方式能量利用率高,药柱间距小于药柱到介质保护管表面距离时,泵浦比较均匀。出光实验得到结果为:用2.52g药剂反应获得1.053μm激光1.012 J,脉宽约40ms。将烟火泵浦源与其它光泵浦源比较,认为其总辐射强度低于Xe灯,但光谱效率可能超过Ke灯和碱金属灯,总的来说其泵浦效果应该能与气体放电灯相当;烟火泵浦源和阳光光源一样,在电能不便利的场合十分有用,前者在使用上更加灵活、方便。在对烟火药发光特征和激光器结构研究的基础上,提出提高现有烟火光源的燃烧速度和点火同步性以获得高峰值辐射强度,并且降低自吸效应以提高光谱效率及能量利用率的泵浦源改进方法,以改进后的泵浦源激励掺Nd3+氟化物激光陶瓷的烟火泵浦激光器方案将大大提高现有烟火泵浦激光器的能量和峰值功率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 烟火药发光及其对光泵浦激光器研究的启示
• 1.1.1 烟火光源及其用途
• 1.1.2 光泵浦源概述
• 1.1.3 烟火泵浦方式的可行性分析和主要技术难题
• 1.2 烟火泵浦激光器研究概述
• 1.2.1 烟火泵浦激光器采用的介质
• 1.2.2 烟火泵浦源的药剂体系
• 1.2.3 泵浦结构对发光强度的影响
• 1.2.4 烟火泵浦激光器的应用
• 1.3 论文选题依据和研究内容
• 参考文献
• 第二章 烟火药制备及发光性能实验研究
• 2.1 烟火药剂的制备和测试方法
• 2.1.1 烟火药剂制备方法概述
• 2.1.2 实验用烟火药剂的制备和测试
• 2.2 二组分药剂实验
• 2.2.1 保持氧化剂不变的实验
• 2.2.2 保持可燃剂不变的实验
• 2.3 多组分药剂实验
• 2.3.1 含添加剂的情况
• 2.3.2 增加一种主氧化剂的情况
• 2.4 烟火药发光性能的其它影响因素
• 2.4.1 氧平衡变化对发光强度和燃烧时间的影响
• 2.4.2 原料粒度对发光的影响
• 2.4.3 高分子化合物作可燃剂的可行性探索
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 烟火药发光机理研究
• 3.1 烟火反应历程
• 3.2 烟火反应的能量特性
• 3.2.1 研究烟火反应能量特性的意义
• 3.2.2 化学闪光泡的能量特性
• 3.2.3 固体烟火药反应的能量特性
• 3.3 烟火药发光机理
• 3.3.1 CEA 与其它利用最小自由能原理求解方法的比较
• 3.3.2 CEA 计算烟火泵浦源的燃烧性能
• 3.3.3 计算结果对实验现象的解释
• 3.3.4 烟火药发光机理分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 泵浦光与激光介质的相互作用及烟火泵浦源的研制
• 4.1 泵浦光与介质的相互作用
• 4.1.1 烟火光源辐射谱线的加宽机制
• 4.1.2 激光介质的光谱展宽
• 4.1.3 泵浦光与固体激光介质的相互作用
• 4.2 烟火光源激励Nd 玻璃介质研究
• 4.2.1 氧化物玻璃
• 4.2.2 含氟化合物玻璃
• 3+材料分析'>4.2.3 烟火光源激励掺杂Nd³⁺材料分析
• 4.3 烟火光源激励含Tm 介质分析
• 4.4 烟火泵浦源的研制
• 4.4.1 制备思路和实验结果
• 4.4.2 制备条件的控制
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 烟火泵浦Nd 玻璃激光器及其性能优化
• 5.1 烟火泵浦Nd 玻璃激光器的结构
• 5.2 激光器的出光性能
• 5.2.1 激光能量和泵浦效率分析
• 5.2.2 脉宽波形
• 5.2.3 激光光斑与光束质量
• 5.3 烟火泵浦激光器性能的影响因素
• 5.3.1 药剂组分与激光性能的关系
• 5.3.2 雾化Mg 粉在烟火药剂中的作用
• 5.3.3 烟火药柱的结构、质量及空间分布对激光能量的影响
• 5.3.4 泵浦腔反射壁
• 5.3.5 药剂点火方式
• 5.4 大尺寸Nd 玻璃用于烟火泵浦激光器的实验
• 5.4.1 激光器的结构和基本参数
• 5.4.2 烟火泵浦源激励大尺寸Nd 玻璃棒的实验
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 烟火泵浦源的应用及前景分析
• 6.1 烟火泵浦放大器的结构
• 6.1.1 实验装置及光路
• 6.1.2 放大前后的光斑比较
• 6.1.3 烟火泵浦放大器的性能评价
• 6.2 烟火泵浦激光器的应用前景
• 6.2.1 烟火泵浦源与气体放电灯发光方式的比较
• 6.2.2 阳光泵浦方式的发展现状及与烟火泵浦方式的比较
• 6.3 实现单脉冲高能输出的方案和可行性分析
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 全文总结
• 附录A 主要试剂
• 附录B 测试方法和仪器
• 作者攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢