王 旭,謝冀江,潘其坤,李殿軍,邵春雷,張傳勝,王春銳,邵明振

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室,吉林長春 130033; 2.中國科學院大學,北京 100049)

非鏈式脈沖氟化氘激光器的放電特性

王 旭1,2,謝冀江1*,潘其坤1,李殿軍1,邵春雷1,張傳勝1,王春銳1,邵明振1

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室,吉林長春 130033; 2.中國科學院大學,北京 100049)

為了提升非鏈式DF激光器輸出能量與電光轉(zhuǎn)換效率,使用有限元分析法,分別計算了Chang氏電極和粗糙陰極與光滑陽極組成的平板電極間的靜電場分布。對于Chang氏電極,引入了火花針尖端強電場,計算了火花針紫外預電離放電的電場分布。對于平板電極,計算了陰極表面毛刺尖端的靜電場分布,發(fā)現(xiàn)毛刺會在陰極表面形成一系列較高強度的電場區(qū)域而不會導致平板電極間電場均勻性惡化。進而對兩種電極進行了脈沖放電實驗,獲得了非鏈式脈沖DF激光器的放電特性和輸出參數(shù)。實驗結(jié)果表明：均勻電場分布有利于提高非鏈式脈沖DF激光器的輸出能量;自引發(fā)DF激光器陰極毛刺尖端強電場有利于實現(xiàn)體放電;自引發(fā)放電更適用于大體積均勻放電。

激光器;電場分析;有限元仿真;輸出特性

1 引 言

非鏈式DF激光器自上世紀六十年代開始出現(xiàn)[1],是中紅外波段(3.5～4.2μm)少數(shù)能夠提供高功率輸出的激光器,廣泛應(yīng)用于光電對抗、激光探測、激光光譜學等領(lǐng)域[2-4]。

放電引發(fā)方式是非鏈式DF激光器的核心技術(shù),對激光器的輸出能量和電光轉(zhuǎn)化效率有著巨大的影響。為了提高非鏈式DF激光器的輸出性能,國內(nèi)外科研工作者在大體積均勻放電方面開展了大量的研究工作。Inagaki等使用電子束預電離技術(shù)[5],Anderson等使用X射線預電離技術(shù)[6],柯常軍等使用側(cè)面滑閃預電離技術(shù)[7],阮鵬等使用紫外預電離技術(shù)[8-10],均實現(xiàn)了非鏈式DF激光器均勻放電,獲得了焦耳級的脈沖能量。Apollonov等使用自引發(fā)放電技術(shù)[11]獲得了325 J的單脈沖DF激光。

Tarasenko等經(jīng)過大量的實驗發(fā)現(xiàn),高強度預電離和放電區(qū)均勻的電場分布有利于產(chǎn)生均勻體放電,而均勻體放電可以加強DF分子的量子級聯(lián)效應(yīng),這將大幅提高DF激光器的能量萃取效率和電光轉(zhuǎn)換效率[12]。可見對于預電離放電而言,電場均勻性是影響非鏈式DF激光器輸出能量與電光效率的重要因素。

為了獲得非鏈式DF激光器更大體積的均勻放電,本文使用有限元仿真的方法,對火花針預電離的Chang氏電極和粗糙陰極與光滑陽極組成的自引發(fā)放電電極間靜電場做了仿真計算。對比分析了兩種放電引發(fā)方式的放電實驗現(xiàn)象與輸出性能曲線。

2 有限元分析理論與模型建立

靜電場問題可以抽象為滿足一定邊界條件的偏微分方程。有限元法是利用變分原理將求解偏微分方程的問題轉(zhuǎn)化為泛函求極小值問題,將復雜的數(shù)理方程轉(zhuǎn)化為相對簡單的代數(shù)方程[13]。電磁場微分方程泛函變分表達式如式(1)所示：

式中,φ代表電場函數(shù),ρ是電荷密度,ε為相對介電常數(shù),g=?φ/?n。

通過求解式(1)的極小值就可以求得電磁場偏微分方程的解,式(1)也是電磁場數(shù)值計算的基礎(chǔ)。當式(1)的積分單元足夠小時,可認為單元內(nèi)的電場是常數(shù),用坐標的一次式可以近似表示電位φ(x,y)：

利用單元頂點處的坐標與電位可以求出系數(shù)a1、a2、a3的值,將所有單元編碼帶入式(1)即可得到關(guān)于整體電場的矩陣方程：

其中K為系數(shù)矩陣,φ是節(jié)點電勢函數(shù)矩陣,f是激勵矩陣。式(3)表示整體矩陣的每個單元都是由各個單元的貢獻疊加而成的。利用迭代的方法求出(3)式的數(shù)值解,就可以得到整個區(qū)域的電場分布。

非鏈式DF激光器放電區(qū)模型主要包括放電間隙和電極表面,若有預電離裝置還包括預電離器件表面。設(shè)激光器光軸為Z軸方向,由于放電區(qū)的對稱性,可以用XOY截面表征整個放電區(qū)的電場分布。在求解靜電場分布時,假設(shè)放電區(qū)充滿均勻線性電介質(zhì),并忽略放電不均勻漲落以及氣體成分變化造成的影響。放電區(qū)的邊界條件滿足Diriehlet邊界條件,即電極表面和預電離器表面施加電壓邊界。通過ANSYS軟件建立上述模型后,可以計算出放電區(qū)電場分布。

3 仿真結(jié)果

紫外預電離激光器采用Chang氏電極[14]作為主電極,使用火花針預電離方式,設(shè)計放電間隙為4 cm,主電極平坦部分寬度為5 cm。由于電極的對稱性,可以用放電區(qū)的1/4來表征整個放電區(qū)的電場分布。自引發(fā)放電電極采用噴砂處理的粗糙平板陰極和光滑的平板陽極。本文以微米為單位建立了由5 cm長直線和1 cm半徑圓弧組成的平板電極模型。噴砂處理的陰極表面布局大量的形狀不規(guī)則的毛刺,為了簡化計算,在建模的過程中,采用由圓弧連接形成的間隔50μm、高13 μm的錐臺型突起來模擬自引發(fā)放電陰極表面的毛刺。兩種放電方式的靜電場分布仿真結(jié)果如圖1所示。

紫外預電離放電電場分布仿真結(jié)果如圖1(a)所示,圖中電場強度以顏色梯度的形式表示。在火花針所在的位置電場獲得最大值且電場劇烈變化,強烈變化的電場會造成預電離針附近氣體電離并輻射紫外光,紫外光照射放電區(qū)氣體使其電離產(chǎn)生一定密度的初始電子分布,即形成紫外預電離。在主電極表面及放電區(qū)內(nèi)電場變化較小,當火花針距離電極中心8 cm時,電極表面最大相對電場偏差([E(x)-Emax]/Emax,Emax為電極表面最大電場強度)為0.827%,可近似認為是均勻電場。均勻電場中氣體放電遵循湯生放電和流注放電理論,所以在Chang氏電極放電區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生均勻的輝光放電,促使激光工作氣體發(fā)生化學反應(yīng)生成激發(fā)態(tài)的DF分子。

圖1 紫外預電離(a)和自引發(fā)(b)兩種引發(fā)方式的放電區(qū)電場分布Fig.1 Electric field distribution of discharge area in UV preionization(a),and self-initiated volume discharge (b)initiation process.

圖1(b)為自引發(fā)放電放電區(qū)靜電場分布的顏色梯度圖。從圖中可以看出,電極表面電場在直線和圓弧相交附近取得最大值,在電極所確定的區(qū)域內(nèi)電場較平穩(wěn)。這說明幾十微米量級的毛刺對于整個放電區(qū)電場的影響是可以忽略的,只在微米量級的尺度上對電場有影響。放大后觀察到毛刺周圍的電場分布如圖2所示。

其中圖2(a)是電場分布的顏色梯度圖,圖2(b)是對應(yīng)區(qū)域沿x方向電場變化曲線圖。從圖中可以看出,由于陰極上存在均勻毛刺,電場在突起位置附近明顯增大,在凹陷部分明顯減小,上下波動在60%左右。但這類電場畸變在距離突起100μm以外處明顯減小,對于整個放電區(qū)電場均勻度的影響微乎其微,只在電極表面形成一系列較高強度的電場區(qū)域。根據(jù)場致發(fā)射理論(Fowler-Nordheim理論)[15],金屬表面的外加電場可以降低金屬表面勢壘高度,減薄勢壘寬度。金屬內(nèi)的大量電子會在隧道效應(yīng)的影響下,逸出金屬表面形成場致電子發(fā)射。由此可知,粗糙陰極表面的毛刺形成的強電場可以使更多電子進入放電區(qū),在毛刺處形成指向陽極的電子崩。當多個電子崩同時向陽極發(fā)展時很容易形成多個放電通道,最終使反應(yīng)氣體擊穿形成自持放電。

圖2 自引發(fā)放電陰極的表面電場。(a)電場分布的顏色梯度圖;(b)沿x方向的電場變化曲線圖。Fig.2 Electric field on the cathode of self-initiated volume discharge.(a)Color gradient diagram of the electric field distribution.(b)Curve of the electric field changes along x direction.

4 放電實驗

4.1 紫外預電離放電實驗

根據(jù)仿真結(jié)果,我們加工了寬5 cm、長120 cm的Chang氏電極,火花針距離電極中心7.52 cm,采用橫向放電方式,電極間距4 cm。圖3為在非鏈式DF激光器工作氣體氣壓比P(SF6): P(D2)=10:1、總氣壓為11 kPa時記錄的電極間放電照片,圖中左方為陰極,右方為陽極。

圖3 紫外預電離放電照片F(xiàn)ig.3 Discharging photos of UV pre-ionization

圖3(a)是火花針放電照片,此時主放電還沒有發(fā)生,因而只能看到火花針間隙氣體電離發(fā)光。圖3(b)和圖3(c)是注入能量為102 J和131 J時主電極間的輝光放電照片。從圖中可以看出,輝光放電主要發(fā)生在靠近電極中心的均勻電場區(qū)域內(nèi),電極邊緣相對電場偏差較大的區(qū)域內(nèi)放電較弱。由此可知,對于火花針紫外預電離DF激光器來說,電極間的均勻電場有利于工作氣體均勻穩(wěn)定的放電,所以提高電場均勻性可以提高工作氣體放電的均勻性,從而提高激發(fā)態(tài)DF分子的產(chǎn)出,最終提高激光器的輸出能量與電光轉(zhuǎn)換效率。在注入能量為131 J時獲得的最大單脈沖能量為2.35 J,電光轉(zhuǎn)換效率為1.79%。

圖4 自引發(fā)放電照片F(xiàn)ig.4 Discharging photo of self-initiated volume discharge

4.2 自引發(fā)放電實驗

自引發(fā)放電非鏈式DF激光器使用長65 cm、寬5 cm的平板電極,電極間距4 cm。在充電電壓為43 kV、工作氣體氣壓比P(SF6):P(D2)= 10:1、總氣壓8.1 kPa時記錄了放電照片(圖4),照片左方為陰極,右方為陽極。從放電照片可以看出,在陰極附近放電形成一系列亮斑,每個亮斑對應(yīng)一個放電通道,多個放電通道疊加形成體放電。由此可知,在陰極表面毛刺處形成的強電場區(qū)域內(nèi)發(fā)生了強烈的電離,產(chǎn)生的帶電粒子在電場作用下向兩極運動,進而使放電通道內(nèi)的氣體電離,最終形成穩(wěn)定的輝光放電。

自引發(fā)放電非鏈式DF化學激光器由于存在與SF6氣體性質(zhì)有關(guān)的電流密度限制機制[11],通過每個放電通道的電流密度存在極限。當先擊穿的通道內(nèi)電能達到一定值時,電能將會進入旁邊沒有導通的放電通道內(nèi),各個放電通道依次擊穿,由于各個放電通道獲得的電能相近,可以疊加形成穩(wěn)定的體放電,因此自引發(fā)放電在電極邊緣的強電場區(qū)域內(nèi)也可以形成穩(wěn)定的輝光放電。在上述實驗條件下,注入能量為110.94 J時獲得最大單脈沖能量為3.45 J,電光轉(zhuǎn)換效率為3.11%。

實驗結(jié)果表明,紫外預電離DF激光器只能在電極中心附近電場均勻區(qū)內(nèi)實現(xiàn)輝光放電,而自引發(fā)DF激光器在電極中心電場均勻區(qū)及電極邊緣電場變化較大的區(qū)域都能形成穩(wěn)定的輝光放電。由此可知,當電極尺寸相同時,自引發(fā)放電將具有更大體積的穩(wěn)定輝光放電區(qū)域。

圖5 兩種激光器的輸出性能Fig.5 Output performance of the lasers

5 兩種引發(fā)方式的激光輸出性能

圖5給出了紫外預電離與自引發(fā)放電DF激光器在不同注入能量時的單脈沖能量和相應(yīng)的電光轉(zhuǎn)換效率。紫外預電離DF激光器提供2.4 L的增益體積。預電離電極由80對側(cè)面放置的雙側(cè)火花針陣列組成,預電離針間距為8 mm。光學諧振腔由反射率為99%的凹面鍍金反射鏡和反射率為80%的CaF2平面輸出耦合鏡組成,腔長為2.2 m。在P(SF6):P(D2)=10:1、總氣壓為11 kPa、注入能量為182 J時,獲得最大單脈沖能量為5.1 J。自引發(fā)放電DF激光器放電體積為1.3 L。光學諧振腔采用了由鍍金凹面全反射鏡與反射率為30%的CaF2平面輸出鏡構(gòu)成的平凹穩(wěn)定腔,腔長1.9 m。在P(SF6):P(D2)=10:1、總氣壓為8.1 kPa、注入能量為122 J時,獲得最大單脈沖能量為3.62 J。

從圖5可以看出,兩種激光器的單脈沖能量都隨注入能量的增大而逐漸增大。這是由于氣體輝光放電時,陰極輻射的電子在平均自由程內(nèi)獲得的能量隨注入放電區(qū)的電能增大而增大,而更高能量的電子促使SF6裂解生成F原子,使F原子的產(chǎn)出效率變大,生成更多的激發(fā)態(tài)DF分子,從而提高激光器的單脈沖輸出能量。但注入能量不能無限提高,當注入能量過高時,工作氣體會進入弧光放電階段,形成大量的消激發(fā)粒子使激光器的輸出能量變得十分不穩(wěn)定。

在電光轉(zhuǎn)換效率方面,自引發(fā)放電優(yōu)于紫外預電離放電DF激光器。這是由于自引發(fā)粗糙陰極表面的強電場加強了陰極的場致發(fā)射,使更多的電子進入放電區(qū),從而提高了SF6分子的電離幾率,增加了激發(fā)態(tài)DF分子的產(chǎn)出效率。而且由于存在電流密度限制機制,自引發(fā)放電在電場均勻性較差的區(qū)域內(nèi)也可以形成穩(wěn)定放電,增大激光工作物質(zhì)穩(wěn)定放電體積,從而提高激光輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率。

綜上所述,紫外預電離DF激光器需要使用特殊面型的均勻場電極(Chang氏電極、Ernst電極)才能實現(xiàn)體放電,但大面積特殊面型電極的加工十分困難,加之SF6對紫外光的強吸收作用,在增益體積很大時難以得到足夠強度的預電離,因此紫外預電離放電非鏈式DF激光器增益體積難以增大,限制了激光輸出能量的提高。而自引發(fā)放電使用更易加工的平板電極,并且不需要預電離就可以實現(xiàn)穩(wěn)定體放電,即便在電場不均勻的電極邊緣處也能形成穩(wěn)定的輝光放電,這些特點很大程度上增大了均勻放電體積,使自引發(fā)放電可以在更大體積的激活介質(zhì)中形成穩(wěn)定的輝光放電。所以相對于紫外預電離而言,自引發(fā)放電在大體積輝光放電中有更大的優(yōu)勢。

6 結(jié) 論

對比分析了紫外預電離與自引發(fā)放電兩種引發(fā)方式,采用有限元法對放電區(qū)電場分布進行了仿真,結(jié)果表明：采用Chang氏電極的紫外預電離DF激光器放電區(qū)電場近似于均勻電場;自引發(fā)放電的粗糙表面陰極不會對主放電區(qū)電場的均勻性產(chǎn)生不利影響,而且由于粗糙表面形成的高強電場可以使更多的電子注入放電區(qū),有利于形成均勻體放電。通過對兩種電極進行放電實驗,證明提高電極間電場的均勻性可以提高體放電的穩(wěn)定性,有利于提高激光器的輸出功率與電光轉(zhuǎn)換效率。自引發(fā)放電可以在電場不均勻的電極邊緣形成穩(wěn)定放電。由于自引發(fā)放電不需要預電離,而且還有電極面型簡單以及電場均勻性要求不高等特點,使其在大體積放電中具有預電離放電難以比擬的優(yōu)勢。

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王旭(1990-),男,內(nèi)蒙古鄂爾多斯人,碩士研究生,2013年于吉林大學獲得學士學位,主要從事激光技術(shù)及其應(yīng)用的研究。

E-mail：584886974@163.com

謝冀江(1959-),男,江蘇鎮(zhèn)江人,研究員,碩士生導師,1983年于哈爾濱科學技術(shù)大學獲得學士學位,主要從事激光器及其應(yīng)用技術(shù)方面的研究。

E-mail：

laserxjj@163.com

Discharge Characteristic of Non-chain Pulsed Deuterium Fluoride Lasers

WANG Xu1,2,XIE Ji-jiang1*,PAN Qi-kun1,LIDian-jun1,SHAO Chun-lei1, ZHANG Chuan-sheng1,WANG Chun-rui1,SHAO Ming-zhen1

(1.State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter,Changchun Institute ofOptics, Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China; 2.University ofChinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China) *Corresponding Author,E-mail：laserxjj@163.com

In order to enhance the non-chain DF laser output energy and electro-optic conversion efficiency,the electrostatic field distribution of Chang electrode and flat electrodewhich was consisted by rough cathode and smooth anode was calculated by finite elementmethod.For Chang electrode, the higher electric field of spark-pin was introduced,and the electrostatic field distribution of sparkpin UV pre-ionization was calculated.For the flat electrode,the electrostatic field distribution of burr on the cathode surface was calculated.The burrs on the cathode surface can form a series of higher electric field,but can't lead to uniformity of plate electrode field deteriorating.And then, pulsed discharge experiments were carried out on two kinds of electrodes,so discharging performance and output characteristics of non-chain pulsed DF laser were obtained.The discharge experiment results show that the uniform electric field is conducive to increase the output energy of nonchain pulsed DF laser.It is also verified that the higher electric field of the burrs on the cathode of self-initiated discharge DF laser is benefit to volume discharge.Besides,the self-initiated discharge ismore applicable for large volume discharge.

lasers;electric field analysis;finite element simulation;output characteristic

TN248.2

A

10.3788/fgxb20153609.1041

1000-7032(2015)09-1041-06

2015-05-12;

2015-06-27

科技部國際合作專項基金(2011DFR10320);國家重點實驗室自主基礎(chǔ)研究課題(SKLLIM 1310-01)資助項目