非链式脉冲DF激光器放电生成物处理技术

2017-04-10赵建川王春锐谢冀江

中国光学 2017年2期

赵建川，王春锐，谢冀江

(1.海军驻长春地区航空军事代表室，吉林长春 130033；2.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；3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光电对抗技术创新研究室，吉林长春 130033)

非链式脉冲DF激光器放电生成物处理技术

赵建川1，王春锐2,3*，谢冀江2,3

非链式脉冲DF激光器放电产生的基态DF分子对激发态DF分子的消激发作用是影响激光器稳定工作的重要原因。为解决这一问题，分别采用3A和5A分子筛作为吸附剂进行实验研究。无分子筛时，激光器重频运转1 000个脉冲后，输出功率下降到初始功率的56%。分别使用3A、5A分子筛后，激光器重频运转脉冲个数达到5 000和6 800时，输出功率下降幅度仍然不超过20%，大大提高了激光器的稳定工作时间。实验结果表明，5A分子筛的吸附效率大于3A分子筛，且两种分子筛不仅对基态DF分子产生吸附，还对工作气体产生吸附，可通过及时补充工作气体提高激光器的稳定性。

非链式脉冲DF激光器；放电生成物；分子筛吸附；3A分子筛；5A分子筛

1 引言

氟化氘(DF)激光输出波段为3.5～4.1 μm，中心波长为3.8 μm，处于3～5 μm中红外波段。中红外波段传输效率高，衰减小，包含众多原子和分子的特征吸收谱，被广泛应用于激光雷达光源、激光光谱学、大气监测和军事光电对抗等领域[1-7]。非链式脉冲DF激光器为化学激光器，其工作气体通常为SF6和D2或碳氘化合物。工作气体在高压放电条件下会发生化学反应，生成激发态的DF分子，产生粒子数反转。通过能级跃迁，处于振动激发态的DF分子产生受激辐射，在谐振腔中振荡放大从而产生激光输出。值得注意的是，工作气体放电过程中还会产生其他放电生成物，如基态的DF分子和水分子等。这些分子会对激发态的DF分子产生碰撞弛豫，形成无辐射跃迁，导致重频工作下激光输出能量快速降低，严重影响激光输出的稳定性。为解决激活介质的消耗问题，需要利用分子筛材料对放电生成物中的有害污染物(主要为基态的DF气体分子)进行吸附，从而使激光器在一次充气条件下，能够长时间稳定工作。因此美[8]、法[9,10]、英[11]、俄[12]等世界各国在开展该类激光器研究伊始，就在激光器中设计加入各种吸附装置，填充各种固体吸附剂，以实现对消激发物质的吸附，从而实现激光器的重频运转。我国也非常重视非链式脉冲DF激光器的研究和应用。中国科学院电子学研究所柯常军团队利用碱性分子筛作吸附剂，使DF激光器以 1～3 Hz重频运转，在单次充气情况下，累积1 000个激光脉冲后，输出能量仅下降20%[13-14]。西北核技术研究所开展了类似的研究，其研究团队采用了3A型分子筛在自行研制的HF激光器中，实现了激光器连续10余次重复频率为50 Hz，出光20 s的激光能量，下降率低于15%，在一定程度上解决了激光能量不稳定和激光介质使用寿命短的难题[15]。

本文针对基态DF气体分子的消激发问题，开展了非链式脉冲DF激光器的放电生成物处理技术研究。采用3A和5A分子筛作为吸附剂，开展了对比实验，并对吸附原理、吸附效果等进行了分析。

2 非链式脉冲DF激光器的消激发作用

非链式脉冲DF激光通常采用含SF6和D2或碳氘化合物在放电引发方式下产生。其中工作气体发生的反应主要包括：

DF(v) →DF(v-1)+hν .

反应(1)是利用储能电路注入能量，使电极释放大量的高能电子，这些电子与SF6发生碰撞，使其发生解离，从而得到激光泵浦所需的F原子。常见的放电引发技术包括：电晕预电离、紫外光预电离、半导体预电离和自持体放电等。采用自持体放电技术，能够在没有预电离的情况下输出高功率、高能量激光。反应(2)表示F原子与D2分子进行化学反应生成DF分子，反应产生的化学能使DF分子激发，形成粒子数反转，也称为激光泵浦反应。其中DF(v)表示振动激发态，v=1, 2, 3。反应(3)表示激发态DF分子的消激发过程，这是影响DF化学激光器稳定工作的重要原因。其中M表示消激发物质，主要是指基态的DF分子，还可能包括H2O、D2、SF6等粒子。在消激发过程中，激发态DF分子通过碰撞弛豫产生无辐射跃迁，无光子辐射产生，导致激光输出能量降低。因此必须采用合适的固体吸附剂对基态DF分子进行吸附处理。其中最常用的固体吸附剂就是多孔的分子筛材料。反应(4)是形成激光的受激辐射跃迁过程。

3 分子筛吸附的基本原理

在多孔材料中，微孔化合物具有规则单一的微孔孔道，其孔道尺寸在2 nm以下，对小分子具有一定的筛分功能，因此又被称为分子筛材料[16]。分子筛吸附现象的基本原理与其他固体类似，都是基于固体的界面(表面)，实际上可以认为是与本体性质不同的切面，因为暴露在表面受到内向力，化学性质活泼，容易对其他分子具有一定的作用力。如果固体的表面存在很多羟基、氨基、羰基、羧基等官能团，它们可以成为吸附气体分子的吸附位点，或者形成氢键等相互作用。分子筛材料的吸附行为与分子筛的孔道表面和被吸附分子之间的作用有很大关系。它们之间的吸附作用可以大致分为:(1)色散力，(2)偶极子相互作用，(3)四极子相互作用，这3种作用通称为范德华力。吸附作用还有能量较强的电荷相互作用，包括：(4)氢键，(5)酸碱相互作用。另外，吸附作用还包括分子筛孔道因为孔径大小引起的变化，如毛细管凝聚等。

分子筛的吸附行为有时伴随着化学反应发生，或者吸附力很强，已经与化学键相当，被称为化学吸附。化学吸附由于作用力较强，都是不可逆的吸附。而一般把可逆的吸附和准可逆的吸附(弱的吸附)称为物理吸附。可逆吸附是指在与吸附相同的物理、化学条件下，让被吸附的分子发生脱附，且脱附量与吸附量相等，处于吸附平衡状态。准可逆吸附是指在作用力不是很强的时候，需要稍微升高温度就可以完全脱附。对于物理吸附，可以通过高温低压处理对分子筛进行脱附，从而提高分子筛的再生活化能力[15]。本文将通过分子筛在激光器放电实验前后的变化，分析其吸附行为和吸附原理。

4 实验装置

本实验采用的放电引发非链式脉冲DF激光器系统主要包括储能放电系统、光学谐振腔系统、气体循环冷却系统、分子筛吸附装置等，如图1所示。激光器储能放电系统采用倍压式反转电路，放电电极表面尺寸为65 cm×5 cm，电极间距为5 cm，并对阴极表面作喷砂处理，对四周作圆滑处理。光学谐振腔采用“平-凹”稳定腔，其中反射镜为凹球面全反射镜，曲率半径为15 m～20 m，输出镜为平面透过反射镜(CaF2)，反射率为10%～30%。气体循环冷却系统由风机、流道、换热器组成。风机选用两台德国贝克公司的SV6.250/1-0004型涡轮风机并联使用，换热器选用热交换性能较好的铝合金板翅式换热器。分子筛吸附装置放置在流道的下风口处，做成方形漏斗的形状，使截面积逐渐增大，以降低气体流速，使分子筛对放电生成物中的基态DF分子进行充分吸附。

图1 放电引发非链式脉冲DF激光器主机结构示意图Fig.1 Schematic diagram of electric-discharge non-chain pulsed DF laser

图2 分子筛安装夹具结构图Fig.2 Schematic diagram of molecular sieve sectional fixture

图3 分子筛安装夹具实物图Fig.3 Photo of molecular sieve sectional fixture

对于分子筛吸附装置，设计了一种两层分子筛交错填装的安装夹具。该安装夹具放置在气体流道出口处，下部换热器的后端。气体流速在经过换热器后迅速下降，延长了分子筛的吸附时间，同时气体温度也大幅下降，进一步提升了吸附效果。该夹具的结构如图2所示。整个夹具分为两层，两层之间的间距为60 mm，通过螺柱连接起来。每层平面由方条分割成多个格子，构成网状结构。每层厚度为8 mm，两侧用金属网封堵，两层金属网之间的空间用来填装分子筛。填装分子筛时，填充一格空一格。第二层也是填充一格空一格，整体上与第一层交错布置。这种填装方式既可以增加腔内气体与分子筛的接触面积，加强分子筛的吸附作用，又可以降低加入装置后对循环气体风速的影响，从而降低其对激光输出的影响。填装分子筛的步骤为：(1)在法兰的一侧用金属网封堵；(2)按照间隔方式填装分子筛；(3)在法兰另一侧用金属网封堵；(4)用压条将金属网与中间的方格压紧，以阻止分子筛颗粒窜动。因为分子筛对空气中的水蒸气等会产生吸收作用，影响其在激光器中的吸附效果，所以在填装分子筛的过程中，始终用加热器进行烘烤。分子筛填装完成后，将其放入激光腔体中，如图3所示。将激光器完全封闭后，反复多次抽真空，将腔体里的空气和分子筛物理吸附的气体抽出。

实验选用SF6和D2作为工作气体，设置总充气气压为8.1 kPa，SF6和D2的比例为8∶1，充电电压为43 kV。同时分别选用3A和5A分子筛分别作为吸附剂进行测试。

3A分子筛又称KA分子筛，为白色粉状颗粒，是一种碱金属硅铝酸盐，硅铝比为SiO2/Al2O3≈2，有效孔径约为3 Å，可用于吸附水，不吸附直径大于3 Å的任何分子，适用于气体和液体的干燥，烃的脱水，可广泛应用于石油裂解气、乙烯、丙烯及天然气的深度干燥。5A型分子筛一般称为钙分子筛，硅铝比为SiO2/Al2O3≈2，有效孔径约为5 Å，可用于吸附小于该孔径的任何分子，适用于天然气干燥、脱硫、脱二氧化碳、氮氧分离、氮氢分离、石油脱蜡等。本文拟对直径为2.98 Å的基态DF气体分子进行吸附，因而选用孔径为3 Å和5 Å的3A和5A分子筛作为吸附剂。

5 实验结果与分析

5.1 无分子筛吸附情况下激光输出特性

实验中，使激光器以10 Hz重频运转，每次运转6 s，即60个脉冲，测量其输出功率。激光器重频运转脉冲个数与输出功率之间的关系如图4所示。从图4中可以看出，激光器的输出功率随着脉冲个数的增加迅速下降，当脉冲个数达到1 000时，输出功率(P)下降到初始功率(P0)的56%，当脉冲个数达到1 700时，输出功率下降到初始功率的31%。由此可知，随着放电次数的增加，放电产生的基态DF气体分子对激发态的DF分子产生了很强的消激发作用，同时工作气体的消耗也造成了输出能量的下降。因此当该激光器不使用分子筛进行吸附时，其单次充气的工作寿命十分短暂，工作稳定性很差，不能满足实际应用的需求。

图4 无分子筛时激光器输出功率随重频运转脉冲个数的变化(P0：初始输出功率，P：输出功率)Fig.4 Output power curve versus pulse number without molecular sieve(P0:input power, P:output power)

5.2 3A分子筛材料作吸附剂时激光输出特性

采用3A分子筛对放电生成物进行处理后，激光器重频运转脉冲个数与输出功率之间的关系如图5所示。从图5中可以看出，加入3A分子筛后，激光器的输出功率下降速度明显减慢，当脉冲个数小于3 000时，激光器输出功率(P)几乎没有下降。当脉冲个数达到5 000时，输出功率(P)下降了初始功率(P0)的20%。与不加分子筛相比，激光器的稳定工作时间大大增加，说明3A分子筛对产生消激发作用的基态DF分子产生了吸附作用。最终脉冲个数约9 000时，输出功率下降到初始功率的40%。

图5 3A分子筛加入前后激光器输出功率随重频运转脉冲个数的变化Fig.5 Output power curve versus pulse number with and without using 3A molecular sieve

为检验3A分子筛的重复利用率，又以相同实验条件先后进行了几次单脉冲和重频实验。重频运转结果如图6所示。由图6可知，3A分子筛在多次使用后，其吸附效果逐渐下降，但是激光器的输出功率仍然远远高于不加分子筛的情况。在第4次使用3A分子筛进行重频实验时，当脉冲个数达到4 000时，激光器输出功率的下降幅度仍不超过20%，这说明3A分子筛的重复利用率较好。

图6 多次使用3A分子筛时激光器输出功率的变化Fig.6 Output power curve versus pulse number with multiple use of 3A molecular sieve

3A分子筛多次使用后仍然具有较好的吸附能力，说明每次实验前对激光器进行抽真空处理时，3A分子筛吸附的部分基态DF气体分子发生了脱附，使3A分子筛重新具备活性，即3A分子筛对DF气体分子存在物理吸附。而多次实验后3A分子筛的吸附效果逐渐下降，吸附能力逐渐饱和，也说明简单的抽真空方式不能使3A分子筛吸附的基态DF气体分子完全脱附，即3A分子筛对DF气体分子存在化学吸附。

5.3 5A分子筛材料作吸附剂时激光输出特性

类似地，采用5A分子筛对放电生成物进行处理后，激光器重频运转脉冲个数与输出功率之间的关系如图7所示。从图7中可以看出，加入5A分子筛后，当脉冲个数小于6 000时，激光器输出功率几乎没有下降。当脉冲个数达到约9 000时，输出功率下降了初始功率的20%。激光器输出功率远远大于不加分子筛的情况，说明5A分子筛吸附效果非常明显。

图7 5A分子筛加入前后激光器输出功率随重频运转脉冲个数的变化Fig.7 Output power curve versus pulse number with and without using 5A molecular sieve

为检验5A分子筛的重复利用率，又以相同实验条件先后进行了几次单脉冲和重频实验。重频运转结果如图8所示。由图8可知，5A分子筛在多次使用后，其吸附效果逐渐下降，但是激光器的输出功率仍然远远高于不加分子筛的情况。在第4次使用5A分子筛进行重频实验时，当脉冲个数达到6 800时，激光器输出功率的下降幅度仍不超过20%。由此可知，5A分子筛的重复利用率非常好。与3A分子筛类似分析可知，5A分子筛对基态DF气体分子同时存在物理吸附和化学吸附。

图8 多次使用5A分子筛时激光器输出功率的变化Fig.8 Output power curve versus pulse number with multiple use of 5A molecular sieve

5.4 3A和5A分子筛在DF激光器中吸附特性的比较

将第一次使用3A和5A分子筛进行重频实验的结果进行比较，激光器的输出功率随脉冲个数的变化如图9所示。从图9中可以看出，5A分子筛的吸附效果要好于3A分子筛。分子筛多次使用后，结果相似。对于该激光器，放电后储气腔内的气体成分主要为SF6，D2、SF4和DF，这4种气体分子的直径见表1。3A分子筛的有效孔径为3 Å，5A分子筛的有效孔径为5 Å。因为分子筛只能吸附直径小于其有效孔径的分子，从理论上讲，3A分子筛可以对D2分子和DF分子产生吸附，而SF4、SF6分子由于粒径大而无法进入分子筛孔道。而对于5A分子筛，几种气体分子直径都小于分子筛孔道的有效孔径，都有可能被吸附。因为影响激光器稳定工作的最重要原因是基态DF分子的消激发作用，可知相对于3A分子筛，5A分子筛对基态DF分子的吸附效率更高。这是因为DF气体分子直径为2.98 Å，与3A分子筛非常接近，一部分DF气体分子不能进入3A分子筛的孔道，因而不能产生吸附作用。而5A分子筛的有效孔径较大，DF分子可以全部进入孔道，因而吸附效率更佳。

表1 气体分子直径

图9 第1次使用3A和5A分子筛时激光器输出功率的变化Fig.9 Output power versus pulse number with using 3A and 5A molecular sieve for the first time

5.5 分子筛对工作气体的吸附

第1次使用3A分子筛进行重频实验后，测得激光器腔压下降1.1 kPa，第1次使用5A分子筛进行重频实验后，测得激光器腔压下降1.3 kPa，这说明分子筛材料在吸附基态DF气体的同时，还吸附了大量的工作气体。这也是造成激光器输出功率下降的一个重要原因。使用5A分子筛后，激光器腔压下降更为明显，这是因为3A分子筛只对工作气体D2产生了吸附，5A分子筛对工作气体D2和SF6都产生了吸附，这是由两种分子筛的有效孔径决定的，5.4节中已有讨论。为解决工作气体的消耗问题，对激光器按原始比例进行充气，补充到原始腔压，使激光器重新工作。以5A分子筛为例，其实验结果如图10所示。可以看出，补充气体前，当脉冲个数达到11 330时，激光器输出功率下降到初始功率的39%。而补充气体后，输出功率迅速提高了初始功率的50%，说明如能对激光器进行实时充气，系统稳定工作时间将进一步增强。

图10 激光器补气前后输出功率随脉冲个数的变化Fig.10 Output power versus pulse number before and after gas supplement

6 结论

本文采用3A分子筛和5A分子筛作为吸附剂，对放电引发非链式脉冲DF激光器的放电生成物，主要是基态的DF气体分子进行了吸附处理。通过实验研究表明，加入分子筛后的DF激光器，其重频工作脉冲个数累积达到5 000和6 800时，激光输出功率下降不超过20%，大大提高了激光器的稳定工作时间。同时，通过重复实验表明，3A分子筛和5A分子筛对基态DF气体分子既存在物理吸附，又存在化学吸附，重复利用率较好。此外，因为有效孔径的尺寸问题，5A分子筛的吸附效率大于3A分子筛，为未来选取合理的分子筛材料提供了参考。两种分子筛材料对工作气体同样存在吸附，影响激光器的功率输出，可以通过对激光器的即时充气解决这一问题。

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Treating technology of discharge products in no-chain pulsed DF laser

ZHAO Jian-chuan1, WANG Chun-rui2,3*, XIE Ji-jiang2,3

(1.AviationCommissaryofNavyinChangchun,Changchun130033,China； 2.StateKeyLaboratoryofLaserInteractionwithMatter,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China； 3.InnovationLaboratoryofElectro-OpticalCountermeasuresTechnology,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)

*Correspondingauthor,E-mail:crwang@ciomp.ac.cn

The de-excitation effect of ground state DF molecules after dicharge of no-chain pulsed DF laser to excited DF molecules is an important cause for laser′s steady working. In order to solve this problem, molecular sieves of 3A and 5A were respectively used as the adsorbent for experiments. Without molecular sieve, the laser output power decreased to 56% of initial power after 1 000 repetitive pulses. After 3A and 5A molecular sieve being utilized, the decrease of laser power were less than 20% after 5 000 and 6 800 shots respectively, so the stability of the laser has been greatly improved. The results show that the adsorptive efficiency of 5A molecular sieve is higher than that of 3A molecular sieve. And these two molecular sieves adsorbed not only the ground DF molecules, but also reacting gas. So the stability of laser can be improved by supplementing of reacting gas timely.

non-chain pulsed DF laser;discharge product;molecular sieve adsorption;3A molecular sieve;5A molecular sieve

2016-10-07；

2016-11-24

激光与物质相互作用国家重点实验室自主基础研究课题(No.SKLLIM1310-01)；科技部国际合作专项基金资助项目(No.2011DFR10320) Supported by Basic Research Project of the State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter of China(No.SKLLIM1310-01); International Cooperation Special Fund of the Ministry of Science and Technology of China(No.2011DFR10320)

2095-1531(2017)02-0241-08

TN248.5

10.3788/CO.20171002.0241