王 旭,谢冀江,潘其坤,李殿军,邵春雷,张传胜,王春锐,邵明振

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,吉林长春 130033; 2.中国科学院大学,北京 100049)

非链式脉冲氟化氘激光器的放电特性

王 旭1,2,谢冀江1*,潘其坤1,李殿军1,邵春雷1,张传胜1,王春锐1,邵明振1

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,吉林长春 130033; 2.中国科学院大学,北京 100049)

为了提升非链式DF激光器输出能量与电光转换效率,使用有限元分析法,分别计算了Chang氏电极和粗糙阴极与光滑阳极组成的平板电极间的静电场分布。对于Chang氏电极,引入了火花针尖端强电场,计算了火花针紫外预电离放电的电场分布。对于平板电极,计算了阴极表面毛刺尖端的静电场分布,发现毛刺会在阴极表面形成一系列较高强度的电场区域而不会导致平板电极间电场均匀性恶化。进而对两种电极进行了脉冲放电实验,获得了非链式脉冲DF激光器的放电特性和输出参数。实验结果表明：均匀电场分布有利于提高非链式脉冲DF激光器的输出能量;自引发DF激光器阴极毛刺尖端强电场有利于实现体放电;自引发放电更适用于大体积均匀放电。

激光器;电场分析;有限元仿真;输出特性

1 引 言

非链式DF激光器自上世纪六十年代开始出现[1],是中红外波段(3.5～4.2μm)少数能够提供高功率输出的激光器,广泛应用于光电对抗、激光探测、激光光谱学等领域[2-4]。

放电引发方式是非链式DF激光器的核心技术,对激光器的输出能量和电光转化效率有着巨大的影响。为了提高非链式DF激光器的输出性能,国内外科研工作者在大体积均匀放电方面开展了大量的研究工作。Inagaki等使用电子束预电离技术[5],Anderson等使用X射线预电离技术[6],柯常军等使用侧面滑闪预电离技术[7],阮鹏等使用紫外预电离技术[8-10],均实现了非链式DF激光器均匀放电,获得了焦耳级的脉冲能量。Apollonov等使用自引发放电技术[11]获得了325 J的单脉冲DF激光。

Tarasenko等经过大量的实验发现,高强度预电离和放电区均匀的电场分布有利于产生均匀体放电,而均匀体放电可以加强DF分子的量子级联效应,这将大幅提高DF激光器的能量萃取效率和电光转换效率[12]。可见对于预电离放电而言,电场均匀性是影响非链式DF激光器输出能量与电光效率的重要因素。

为了获得非链式DF激光器更大体积的均匀放电,本文使用有限元仿真的方法,对火花针预电离的Chang氏电极和粗糙阴极与光滑阳极组成的自引发放电电极间静电场做了仿真计算。对比分析了两种放电引发方式的放电实验现象与输出性能曲线。

2 有限元分析理论与模型建立

静电场问题可以抽象为满足一定边界条件的偏微分方程。有限元法是利用变分原理将求解偏微分方程的问题转化为泛函求极小值问题,将复杂的数理方程转化为相对简单的代数方程[13]。电磁场微分方程泛函变分表达式如式(1)所示：

式中,φ代表电场函数,ρ是电荷密度,ε为相对介电常数,g=∂φ/∂n。

通过求解式(1)的极小值就可以求得电磁场偏微分方程的解,式(1)也是电磁场数值计算的基础。当式(1)的积分单元足够小时,可认为单元内的电场是常数,用坐标的一次式可以近似表示电位φ(x,y)：

利用单元顶点处的坐标与电位可以求出系数a1、a2、a3的值,将所有单元编码带入式(1)即可得到关于整体电场的矩阵方程：

其中K为系数矩阵,φ是节点电势函数矩阵,f是激励矩阵。式(3)表示整体矩阵的每个单元都是由各个单元的贡献叠加而成的。利用迭代的方法求出(3)式的数值解,就可以得到整个区域的电场分布。

非链式DF激光器放电区模型主要包括放电间隙和电极表面,若有预电离装置还包括预电离器件表面。设激光器光轴为Z轴方向,由于放电区的对称性,可以用XOY截面表征整个放电区的电场分布。在求解静电场分布时,假设放电区充满均匀线性电介质,并忽略放电不均匀涨落以及气体成分变化造成的影响。放电区的边界条件满足Diriehlet边界条件,即电极表面和预电离器表面施加电压边界。通过ANSYS软件建立上述模型后,可以计算出放电区电场分布。

3 仿真结果

紫外预电离激光器采用Chang氏电极[14]作为主电极,使用火花针预电离方式,设计放电间隙为4 cm,主电极平坦部分宽度为5 cm。由于电极的对称性,可以用放电区的1/4来表征整个放电区的电场分布。自引发放电电极采用喷砂处理的粗糙平板阴极和光滑的平板阳极。本文以微米为单位建立了由5 cm长直线和1 cm半径圆弧组成的平板电极模型。喷砂处理的阴极表面布局大量的形状不规则的毛刺,为了简化计算,在建模的过程中,采用由圆弧连接形成的间隔50μm、高13 μm的锥台型突起来模拟自引发放电阴极表面的毛刺。两种放电方式的静电场分布仿真结果如图1所示。

紫外预电离放电电场分布仿真结果如图1(a)所示,图中电场强度以颜色梯度的形式表示。在火花针所在的位置电场获得最大值且电场剧烈变化,强烈变化的电场会造成预电离针附近气体电离并辐射紫外光,紫外光照射放电区气体使其电离产生一定密度的初始电子分布,即形成紫外预电离。在主电极表面及放电区内电场变化较小,当火花针距离电极中心8 cm时,电极表面最大相对电场偏差([E(x)-Emax]/Emax,Emax为电极表面最大电场强度)为0.827%,可近似认为是均匀电场。均匀电场中气体放电遵循汤生放电和流注放电理论,所以在Chang氏电极放电区域内产生均匀的辉光放电,促使激光工作气体发生化学反应生成激发态的DF分子。

图1 紫外预电离(a)和自引发(b)两种引发方式的放电区电场分布Fig.1 Electric field distribution of discharge area in UV preionization(a),and self-initiated volume discharge (b)initiation process.

图1(b)为自引发放电放电区静电场分布的颜色梯度图。从图中可以看出,电极表面电场在直线和圆弧相交附近取得最大值,在电极所确定的区域内电场较平稳。这说明几十微米量级的毛刺对于整个放电区电场的影响是可以忽略的,只在微米量级的尺度上对电场有影响。放大后观察到毛刺周围的电场分布如图2所示。

其中图2(a)是电场分布的颜色梯度图,图2(b)是对应区域沿x方向电场变化曲线图。从图中可以看出,由于阴极上存在均匀毛刺,电场在突起位置附近明显增大,在凹陷部分明显减小,上下波动在60%左右。但这类电场畸变在距离突起100μm以外处明显减小,对于整个放电区电场均匀度的影响微乎其微,只在电极表面形成一系列较高强度的电场区域。根据场致发射理论(Fowler-Nordheim理论)[15],金属表面的外加电场可以降低金属表面势垒高度,减薄势垒宽度。金属内的大量电子会在隧道效应的影响下,逸出金属表面形成场致电子发射。由此可知,粗糙阴极表面的毛刺形成的强电场可以使更多电子进入放电区,在毛刺处形成指向阳极的电子崩。当多个电子崩同时向阳极发展时很容易形成多个放电通道,最终使反应气体击穿形成自持放电。

图2 自引发放电阴极的表面电场。(a)电场分布的颜色梯度图;(b)沿x方向的电场变化曲线图。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 放电实验

4.1 紫外预电离放电实验

根据仿真结果,我们加工了宽5 cm、长120 cm的Chang氏电极,火花针距离电极中心7.52 cm,采用横向放电方式,电极间距4 cm。图3为在非链式DF激光器工作气体气压比P(SF6): P(D2)=10:1、总气压为11 kPa时记录的电极间放电照片,图中左方为阴极,右方为阳极。

图3 紫外预电离放电照片Fig.3 Discharging photos of UV pre-ionization

图3(a)是火花针放电照片,此时主放电还没有发生,因而只能看到火花针间隙气体电离发光。图3(b)和图3(c)是注入能量为102 J和131 J时主电极间的辉光放电照片。从图中可以看出,辉光放电主要发生在靠近电极中心的均匀电场区域内,电极边缘相对电场偏差较大的区域内放电较弱。由此可知,对于火花针紫外预电离DF激光器来说,电极间的均匀电场有利于工作气体均匀稳定的放电,所以提高电场均匀性可以提高工作气体放电的均匀性,从而提高激发态DF分子的产出,最终提高激光器的输出能量与电光转换效率。在注入能量为131 J时获得的最大单脉冲能量为2.35 J,电光转换效率为1.79%。

图4 自引发放电照片Fig.4 Discharging photo of self-initiated volume discharge

4.2 自引发放电实验

自引发放电非链式DF激光器使用长65 cm、宽5 cm的平板电极,电极间距4 cm。在充电电压为43 kV、工作气体气压比P(SF6):P(D2)= 10:1、总气压8.1 kPa时记录了放电照片(图4),照片左方为阴极,右方为阳极。从放电照片可以看出,在阴极附近放电形成一系列亮斑,每个亮斑对应一个放电通道,多个放电通道叠加形成体放电。由此可知,在阴极表面毛刺处形成的强电场区域内发生了强烈的电离,产生的带电粒子在电场作用下向两极运动,进而使放电通道内的气体电离,最终形成稳定的辉光放电。

自引发放电非链式DF化学激光器由于存在与SF6气体性质有关的电流密度限制机制[11],通过每个放电通道的电流密度存在极限。当先击穿的通道内电能达到一定值时,电能将会进入旁边没有导通的放电通道内,各个放电通道依次击穿,由于各个放电通道获得的电能相近,可以叠加形成稳定的体放电,因此自引发放电在电极边缘的强电场区域内也可以形成稳定的辉光放电。在上述实验条件下,注入能量为110.94 J时获得最大单脉冲能量为3.45 J,电光转换效率为3.11%。

实验结果表明,紫外预电离DF激光器只能在电极中心附近电场均匀区内实现辉光放电,而自引发DF激光器在电极中心电场均匀区及电极边缘电场变化较大的区域都能形成稳定的辉光放电。由此可知,当电极尺寸相同时,自引发放电将具有更大体积的稳定辉光放电区域。

图5 两种激光器的输出性能Fig.5 Output performance of the lasers

5 两种引发方式的激光输出性能

图5给出了紫外预电离与自引发放电DF激光器在不同注入能量时的单脉冲能量和相应的电光转换效率。紫外预电离DF激光器提供2.4 L的增益体积。预电离电极由80对侧面放置的双侧火花针阵列组成,预电离针间距为8 mm。光学谐振腔由反射率为99%的凹面镀金反射镜和反射率为80%的CaF2平面输出耦合镜组成,腔长为2.2 m。在P(SF6):P(D2)=10:1、总气压为11 kPa、注入能量为182 J时,获得最大单脉冲能量为5.1 J。自引发放电DF激光器放电体积为1.3 L。光学谐振腔采用了由镀金凹面全反射镜与反射率为30%的CaF2平面输出镜构成的平凹稳定腔,腔长1.9 m。在P(SF6):P(D2)=10:1、总气压为8.1 kPa、注入能量为122 J时,获得最大单脉冲能量为3.62 J。

从图5可以看出,两种激光器的单脉冲能量都随注入能量的增大而逐渐增大。这是由于气体辉光放电时,阴极辐射的电子在平均自由程内获得的能量随注入放电区的电能增大而增大,而更高能量的电子促使SF6裂解生成F原子,使F原子的产出效率变大,生成更多的激发态DF分子,从而提高激光器的单脉冲输出能量。但注入能量不能无限提高,当注入能量过高时,工作气体会进入弧光放电阶段,形成大量的消激发粒子使激光器的输出能量变得十分不稳定。

在电光转换效率方面,自引发放电优于紫外预电离放电DF激光器。这是由于自引发粗糙阴极表面的强电场加强了阴极的场致发射,使更多的电子进入放电区,从而提高了SF6分子的电离几率,增加了激发态DF分子的产出效率。而且由于存在电流密度限制机制,自引发放电在电场均匀性较差的区域内也可以形成稳定放电,增大激光工作物质稳定放电体积,从而提高激光输出功率和电光转换效率。

综上所述,紫外预电离DF激光器需要使用特殊面型的均匀场电极(Chang氏电极、Ernst电极)才能实现体放电,但大面积特殊面型电极的加工十分困难,加之SF6对紫外光的强吸收作用,在增益体积很大时难以得到足够强度的预电离,因此紫外预电离放电非链式DF激光器增益体积难以增大,限制了激光输出能量的提高。而自引发放电使用更易加工的平板电极,并且不需要预电离就可以实现稳定体放电,即便在电场不均匀的电极边缘处也能形成稳定的辉光放电,这些特点很大程度上增大了均匀放电体积,使自引发放电可以在更大体积的激活介质中形成稳定的辉光放电。所以相对于紫外预电离而言,自引发放电在大体积辉光放电中有更大的优势。

6 结 论

对比分析了紫外预电离与自引发放电两种引发方式,采用有限元法对放电区电场分布进行了仿真,结果表明：采用Chang氏电极的紫外预电离DF激光器放电区电场近似于均匀电场;自引发放电的粗糙表面阴极不会对主放电区电场的均匀性产生不利影响,而且由于粗糙表面形成的高强电场可以使更多的电子注入放电区,有利于形成均匀体放电。通过对两种电极进行放电实验,证明提高电极间电场的均匀性可以提高体放电的稳定性,有利于提高激光器的输出功率与电光转换效率。自引发放电可以在电场不均匀的电极边缘形成稳定放电。由于自引发放电不需要预电离,而且还有电极面型简单以及电场均匀性要求不高等特点,使其在大体积放电中具有预电离放电难以比拟的优势。

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王旭(1990-),男,内蒙古鄂尔多斯人,硕士研究生,2013年于吉林大学获得学士学位,主要从事激光技术及其应用的研究。

E-mail：584886974@163.com

谢冀江(1959-),男,江苏镇江人,研究员,硕士生导师,1983年于哈尔滨科学技术大学获得学士学位,主要从事激光器及其应用技术方面的研究。

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

科技部国际合作专项基金(2011DFR10320);国家重点实验室自主基础研究课题(SKLLIM 1310-01)资助项目