美国早期的强激光发展
George W. Sutton
(ANSER,2900 S, Quincy Rd, #800, Arlington, VA 22206)
译:刘天华,完成于2003年5月份
本文阐述了作者亲历的早期强激光的发明和发展史。建造强激光的早期思想来源于被称为“JAVAN”的电激励二氧化碳-氮气-氦气激光器(CO2- N2-He laser)。AVCO-Everett研究实验室的主任那时正巧在哥伦比亚大学Edward Teller(爱德华•泰勒)的指导下撰写他的博士论文,研究氮气在膨胀流动时振动激发的去激活性质。接着,实验室主任开展了一项内部计划,以确定是否可以利用激波管从类似于JAVAN装置的混合介质中得到增益,首先将二氧化碳(CO2)、氮气(N2)和氦气(He)的混合气体通过激波管的激波加热使其温度升高,然后将加热的混合气体通过超音速喷管膨胀扩散到一个光腔里。作者将采用这种方法的激光器命名为气动激光器(GDL)。本文回溯了最初的气动激光增益测量、MarkII激光器、RASTA激光器、Tri-Service激光器及其遇到的困难和解决方案、联合技术公司的XLD气动激光器及其ALL激光器的发展历史。本文也提到了海岸战士激光器的历史。同时,对燃烧驱动化学激光器的早期实验和随后被主任摒弃的一些情况也进行了讨论。
关键词:强激光,气动激光器,CO2气体激光器。
1、 简介
二十世纪的五十年代,加利福尼亚理工学院的Robert Leighton教授讲授关于现代物理的课程,包括能级玻尔兹曼分布理论,该理论表明,在热平衡状态下每一个高量子能态的粒子数分布都低于低能态的粒子数分布。他提出一个问题:如果上能级的粒子数分布较高的话,将会导致负温度的出现吗?很显然,Robert Leighton教授还没有读到爱因斯坦更早的关于光量子吸收说的文章[1]。在这篇文章里,爱因斯坦认为气体原子的光量子吸收不但能量守恒,而且动量也守恒。基于此,他得出气体吸收系数α关系式,
其中, 和 分别代表低量子态和高量子态的粒子数密度,而 是指能态的简并度。因此,如果 ,增益就会产生。Townsend及其他科学家因为将这一理论应用到微波放大器中而获得诺贝尔奖,并提出用此理论也可得到光放大这样的假说。随后,休斯研究实验室(Hughes Research Lab)的梅曼发明了第一台激光器,它采用闪光灯来泵浦红宝石的上能级。这一发明让武器设计专家们感到十分的激动,并用此激光器在剃须刀片上烧了个小洞。不久,电激励氦氖气体激光器出现[2]。这一成果促成了第一个可见光膨胀流气体激光器思想的产生[3],但是该激光器没有实际工作,因为电激励辐射的时间太短而无法应用。
1964年,激光器的研究取得了重大突破,Patel报道了放电CO2激光器的研究成果[4]。随后,功率得到很大提高。这一消息被物理化学学家Morton Camac博士带回我所在的Avco-Everett 研究实验室。这一消息立即引起了实验室极大的兴趣,因为大家都知道N2的第一振动能级和稍高的CO2振动能级十分接近,而且由于N2具有共核特性,加热的N2通过超音速喷管到达膨胀状态时不会产生辐射,而只能通过碰撞慢慢地释放其振动能量[5]。这样,混合介质激光器得到了第一次尝试,使加热的N2通过超音速喷管快速膨胀,并与冷CO2混合。为清楚起见,图1给出了N2=CO2系统的能级图。
对强激光来说,必须要了解流动的重要性。低能态和基态之间的能量差所产生的废热将会加热激光介质。随着激光介质的温升,激光低能态粒子将会依玻尔兹曼分布规律被填充,因此废热必须排走。在气动激光器之前,热消除的原理方法是通过热传导将废热转移至激光介质的外表面,然后将废热进一步传至致冷装置。因此,通过热传导消除废热的时间可以粗略地由下式给出[6],
其中 为激光介质的特征尺寸, 为热扩散率。另一方面,如果流动的速度 是热量的转移速度,则废热的转移时间正好为 。因此废热的消除时间比为,
由于气体的热扩散率近似等于动能粘性系数,因此废热的消除时间反比于雷诺数。而且由于流动可以达到很高的雷诺数(比如106),因此强激光发展方向是采用流动方法。图2给出了热传导和流动消除废热的不同机制。
为了工业和军事应用,我们热衷于得到更高的激光功率输出。我设想了一种组喷管方案,加热的N2流过一排喷管,而在喷管端面注入冷CO2。基于对尾流和混合流的研究,我对这种方案做了一些分析,但是由于有一种更好的方法出现,我设想的这种方案也没有付诸实施。但是这种混合喷管的方案却在当前的氟化氢(HF)和氟化氘(DF)化学激光器中得到了应用。
2、 一个更好的想法
了解低能态的去激活特性所扮演的角色十分重要。CO2发出激光后,将处于低量子态。如果低能级的粒子数增至和上能级粒子数相同时,激光将停止输出。因此,具有选择性地去激活的介质是必须的。最初的实验采用He进行,后来1%的水汽得到了应用。当我们都在讨论混合介质激光器的参数时,AERL的Kurt Wray博士说,“你们可以试着将各组分进行预混合,并将其加热些许,然后通过超音速喷管使混合气体膨胀,或许你们会很幸运,去激活介质可以选择性地去激活低能级(远优先于激光高能级的去激活)。这就是所努力尝试的工作,并取得了成功[7]。这种方法取得成功的一个重要参数是CO2的辐射寿命。Gerry和Leonard对这一参数进行了测量[8]。
2.1 激波管增益的初步测量
AERL拥有大量的用于研究化学动力学和其它物理现象的激波管。Jack Wilson博士将其中一个激波管改装成激波风洞。在这样一个激波风洞里,激波在末端壁面被反射,同时加热混合气体,使其远高于平衡态温度。而在端壁是一个超音速喷管,因此被激波压缩和加热的气体可以通过这个喷管以准稳流的形式得以膨胀,直到激波加热的气体排尽为止,或者是由用于隔离驱动气体和被驱动气体的挡板所带来的稀疏波到达端壁为止。图2给出了想定的工作模式,只是开始用的是He而不是水蒸汽。然而,Wilson在喷管下游测量增益时却遇到了困难。Robert Greenberg博士和我讨论了此事,并指出Wilson博士的激波管的喷管可能存在某些错误。我的反应是立即到实验室检验它,而Robert Greenberg博士告诉我Wilson不允许任何人呆在他的实验室里。因此我们一直等到Wilson旅行出发后,才进入他的实验室,并要求技术人员拆开了喷管。我们发现在喷管末端和下游的平直接口部分之间有一个凸边,将其锉平后又将激波管装配好。就这样,当Wilson博士旅程返回时,增益已经测量出来了。在此成功的基础上,建造了第一台燃烧驱动激光器。我们后来知道,在前苏联也开展了相类似的工作[9]。
我们依然十分关心要制造什么种类的喷管,因此开展了大量的实验工作。我们设计了许多种不同类型的喷管,主要有下游是平直超音速扩散段而上游是渐收缩段的喷管、下游是渐扩散段而上游是陡直楔型收缩段的喷管和下游是渐扩散段而上游是平面的喷管等三种,图3a,b,c分别给出了这三种喷管的干涉图。最后采纳了由Robert Greenberg博士采用特征线法所设计计算的上游是渐收缩段而下游是曲线扩张段的喷管,这种喷管在下游的折射率扰动最小。
2.2 燃烧驱动气动激光器
据我回忆,第一台燃烧驱动气动激光器的设计类似于图4所示的设计草图,并得到了大约1KW的激光输出。为了要升级得到更强的激光输出,则需要更大的流动区域。而为了满足介质扩散时间和N2的碰撞去激活时间之间的平衡,需要合理的燃烧室压力,这样就限制了喷管喉道高度的进一步增加,这就意味着必须增加激光腔的长度,或是采用多喷管技术才能得到更强的激光输出,图4给出的是采用多喷管技术的燃烧驱动气动激光器。在这些早期的气动激光器系统中,有几个有趣的特征:
l 燃料是氰(C2N2);我从Temple大学的A.V.Grosse教授那里听到的。他用这种燃料来获取高温以检验可能的消融材料。它与氧气混合燃烧,而我们采用空气做氧化剂。后来的气动激光器也采用过CO作为燃料,但是还是多采用氰作为燃料,采用氧气作为氧化剂。
l 分离的扩压器;挤压器通常应在顶、底端壁之间,但是这种方案并不能在高度上对其进行按比例放大。因此,需采用分离的挤压器组来实现对高能气动激光器的压力恢复,这一思想是由我提出的。
l 外表怪异的谐振腔。那个时候,低功率激光器多采用输出端为半透镜的稳定腔。而这是采用的AERL设计谐振腔的方法,因为我们自己却不知道什么样的材料对我们所设计的波长为10.6um的大功率激光能起到半透半反的作用。这种“多孔”的设计方案还沿用在了下面要描述的RASTA激光器装置中。注意:该装置的功率水平达到了6KW。但是这并没有真正创造记录,因为当时的雷声公司(Raytheon)已经按照Patel的设计建造了一台很大的放电激光器,它的输出功率达到了10KW。
2.3 异议与补救
在激波管试验之后,AERL的有关气动激光器的工作由高级研究计划局(DARPA)资助,并对其进行了分级,被划为“第八类”。我们想对激光器进行按比例放大,以得到更高的功率输出,但是却遇到了检查强激光可行性专家委员会里许多专家的阻挠。尤其是国际开发协会(IDA)的John Walsh博士,我清楚地记得他对获得光束质量较好的强激光的技术可行性提出了很多质疑,他十分担心诸如非稳燃烧、湍流以及废料等许多的问题。事实上,他是我们发展更高功率气动激光器的主要障碍。
正好那时,AERL的副主任Peter Rose先生听说了一个建造更大气动激光器的机会。空军发展弹道导弹的一个部门遇到了再入器前端的热问题,他们需要模拟功率水平在10000W/cm2时的加热问题。他建议让我去拜访他们,以了解他们是否愿意资助下一步发展100KW激光器的计划。恰巧,我认识再入器研究小组的负责人John Anderson上校,我们曾在五角大楼空军总部一起工作过。我给他打了个电话,并告诉他我们有一个能够满足他们所需热通量的方案。他邀请我去做一个报告,我随即拜访了他。我在他的办公室见到了他,并向他解释了气动激光器的概念,并告诉他我们或许可以研制他们所需功率水平的气动激光器。同时我还表明这是我的私人资料,但他问我是否可以让他的来自Aerospace公司的科技助手们也了解此信息。我同意了,令我惊讶的是,Aerospace公司的八个人就在隔壁。随后,AERL被邀请提交一项建议书,在我返回几天后就将建议书寄了过去。我们所建议研制的激光器被命名为“辐射放大特别试验装置”(RASTA),图5(应该是图6)给出了建议书里的设计草图。10天后,我们得到了一个$500000美元的合同。5个月后,RASTA建成并由正在研究MHD的Arne Mattson进行了试验。第一次启动失败了,而第二次成功运行。我认为是RASTA第一次向技术界指明了研制大功率激光的可能性。该装置也采用了稳定腔,并采用了多孔输出镜。360个孔中的每一个孔的输出都要单独各自在焦点聚焦,但是它却取得了成功。图6(应该是图7)为具有多孔输出镜的RASTA的设计草图,而图8为其实物照片。不幸的是,该装置后来被废弃了,任何部分也没有找到。为了AERL自己应用,复制了一台RASTA装置,而它安装了非稳腔,但是却没有提高其输出激光功率水平,而且其输出激光光束质量也不是很好,如图9所示。
2.4 事情披露
在这一时期,发生过一个很有趣的事情。我是太空军事应用检查委员会的成员,而Abe Hertzberg也是该委员会的一名成员。在我们的一次会议上,国际开发协会的Alex Glass做了一个有关AERL从事气动激光器研究的报告,而他自己却因为“第八类”计划的特殊要求而没能参与此项研究工作。Abe Hertzberg先生十分生气地说“他们是偷的我的思想”。当然不是,因为他的思想是用于研究电子态的,而气动激光器是利用振动态来进行工作的。但是这件事却加剧了他和AERL的主任之间业已存在的紧张关系,AERL的主任在组建AERL之前还是个教授的时候,Hertzberg先生正好是他的研究生,但是Hertzberg先生却没有获得那个学校的博士学位。Hertzberg先生继而在纽约Buffalo的Cornell航空实验室取得了事业的成功,他在那里建造了一台用于高超音速气体动力学研究的激波风洞,这一研究工作一直持续到现在,而AERL却早已中断。Hertzberg先生也活跃在西北数学科技界,并雇用了来自AERL的Peter Rose,而Peter Rose也活跃在激光发展领域。
2.5 竞争
来自联合技术研究实验室(the United Technologies Research Laboratory)的竞争也日趋升温。他们在佛罗里达建造了一台比RASTA更大的气动激光器装置,同时命名为试验激光装置(eXperimental Laser Device, XLD),可以获得210KW的激光输出[10],见图10。它的光束质量也不好,但这恰好给林肯实验室(Lincoln Laboratory)一个机会,可以采用他们的自适应光学系统进行光束净化,来提高光束质量。该系统还拥有一个置于两英里外的车载活动靶目标,用来试验风速对热晕的影响。
3、 三军激光器(TSL)
3.1相关问题
为了试验,三军决定各自都要拥有自己的气动激光器,并命名为TSL。对于AERL的主任来说,这看起来更像是一项工程任务,因此他将该任务转给了AVCO的系统分部来做,并由Ed Gerry和Arne Mattson担当顾问。Lincoln实验室帮助军方编写需求规范。Lincoln想用它作为具有很长增益长度的主控震荡器功率放大器。因此腔的高度只有10CM,而长为5米,并要经过多次度越。第一次度越与激波平行。 它的输出功率要达到100KW以上,而光束质量为1.5。
制造并安装了三台激光器。一台建在空军Starfire光学靶场(后来改名叫Sandia光学靶场SOR),为了使其运行起来,Avco公司有一个工作小组在那里进行安装调试。陆军的那台激光器建在马萨诸塞州Haverhill的AERL实验室里,而海军的那台激光器则由他们自己安装在乞沙比克湾(Chesapeake Bay)。图11给出了它的照片,而图12为一张特写。
工程出现了超时间、超预算和运行状态不佳等诸多问题。实验室领导召集资深人员研究解决办法,最后决定将工程管理权重新交给AERL。Edward Gerry博士担任激光工程的经理,因此,大家都认为他将指挥这一工程,并由Mattson担当他的首席工程师。但是事情的发展并非如此,两个星期后,Gerry博士辞职去了DARPA,担当他们高能激光工程的领导。虽然我进行了早期的气动激光器研究工作,但是我已分配了另外的被动光学方面的研究工作。但是实验室主任把我叫到他的办公室,告诉我让我放弃现在的任务,来接管TSL的工作。那时他说“你必须背水一战”。虽然我还没有任何途径来解决它的技术问题,但我还是同意了。
3.2低功率问题的解决
第一个问题是安装在SOR和Haverhill的激光器都遇到的低功率问题。后者的问题较为简单,它是作为MOPA用的,采用了休斯公司的100W电激励CO2激光器,图13是该系统的光学设计草图。但是其输出激光功率却低于10W,随后将其改成了非稳腔。
而安装在SOR的激光器已经采用了非稳腔,但是它的输出功率依然很低,而且近场强度分布极度不均。调腔的工程师采用一个较窄的氦氖激光束进行调腔,但反射时却偏离了腔镜上一个很小的区域。我认为这种调腔方法似乎是错误的,因此我让他回Avco了。我设计出了一个不同的调腔方案,我让Richard Frost、氦氖激光器及一块大的白板顺序排开,白板中心开了一个小孔,使氦氖激光激光可以通过。氦氖激光通过白板的小孔进入到激光谐振腔(通过休斯公司的场测望远镜),当由谐振腔反射回来的氦氖激光束正好照到白板中央的小孔处时,光腔就调好了。这样就解决了调腔问题,并得到了预期的激光输出。
另外还需要提及喷管叶片的初始振动问题。在喷管组的上游部分放置一些小的调节片,以使它们的间隔距离保持固定,从而使问题得以解决。
3.3光束质量问题的解决
另一个问题是输出激光的光束质量比较差,而且在1/2秒后会变得更差。在这种状态下,空军决定让空军实验室来接替AVCO的工作。
经由很小的出口聚焦后,输出的激光束十分扭曲。Glen Zieders博士认为可能是产生了热晕效应。我试图得到一些当地的大气CO2含量的数据,但是却失败了。大气参数曾由当地的环境监测站记录,但是几年前国会禁止了该站的进一步测量工作。因此,很难对光束可能存在的热晕效应进行计算。Robert Greenberg博士提出可以采用超音速气动窗口来消除光束弯曲,因为气动窗口没有热晕问题。研制了一套气动窗口模型,并取得了满意的实验结果,接着,经由陆军同意研制出了一套气动窗口[11],并安装在Haverhill的那套激光器系统上。
虽然光束质量现在比较稳定,但是依然不可接受。我开始觉得该问题的产生是由平行于从喷管末端开始的弱激波的第二次光学度越所导致的。我们(采用“Little Herbie”)得到了流场的干涉图,我将有流动的一张干涉图盖在一张没有流动的干涉图上进行对照,发现很难对齐它们,但是却发现在某个方向上其光学畸变是可以接受的,而在另一个方向,正如我想象的那样,却有激波出现。我对远场可能出现的情形进行了粗略的计算,发现情况比较差。
我建议让可见光激光穿过激光腔,而在腔的出口放置一个哈特曼盘以观察是否存在波前倾斜。实验进展顺利,发现光腔中的激波是导致波前倾斜的主要原因,我认为这是能够解释光束质量变差的原因。在此基础上,Zeiders博士重新调整了光腔腔镜的方向,使光束以一定的角度通过激波波前。通过这些改进,得到了可以接受的激光输出功率和光束质量,而且陆军也接受了他们的TSL系统。
空军也采用了这套方法,他们采用了联合技术公司的气动窗口,在Zeiders博士的指导下重新调整了激光腔。虽然他们演示了满足光束质量要求的光束分布图,但据我所知,这只是在一个轴向上的情况,而在另一个轴向上光束也有较大的扩展现象。这段历史由Zeiders博士所述,而与出版物上关于空军如何解决它们TSL问题的报道有矛盾[12]。
4、 海岸卫士
海军对反反舰巡航导弹有很大的兴趣,而对他们来说,强激光可能是较为合适的解决方案。他们发布了建造舰载气动激光器建议的需求信息。图14为AVCO的设计草图,它没有得到资助。竞争来自称为氟化氘(DF)的化学激光器(CL)。它具有很低的大气吸收,并且因为它的波长比较短(3.8um,而CO2为10.6um),从原理上说,它可以聚焦到靶目标上更小的尺寸内。但是它却更容易受到大气湍流的影响:波长越短,大气湍流所造成的模糊就越强。在低海拔时,大气湍流会很强,而且没有比舰船航行的海平面还低的地方了吧。我对海平面上的温度、湍流和相对湿度进行了调查研究,并绘制了概率分布图,结果表明气动激光器和化学激光器具有差不多相同的杀伤概率。但是由于下面的原因,我的研究对支持发展气动激光器也没有起到帮助作用。海军和TRW公司签订了发展海军化学激光器(NACL)的合同,它能使几公里外的反舰导弹失效。我做了一些计算,结果表明即使弹翼遭到破坏,它还有足够的动量来攻击船只。我把这一信息带给海军,希望引起他们的注意,但是他们对我的悲观看法不感兴趣。后来,这种致命的问题使海军发展高能激光器的努力失败了。
5、 EPLIGUE (*?)CO2气动激光器
5.1设计确认段
高级研究计划局(DARPA)继续暂时资助AERL发展气动激光器,重点放在提高激光效率和改善光束质量上。Mattson建造了设计确认段(DCS)。激光腔20CM高、80CM长。它的工作温度和马赫数都比TSL更高。Greenberg博士设计了喷管和侧壁,并且考虑了边界层的增长问题。图15给出了其光学布局图。基于第一爱里斑所计算的光束质量大约为1.2,见图16。这种设计后来被用在了下面所要讨论的机载激光器中。
5.2机载激光实验室
空军想把高能激光器(主要是气动激光器)放在飞机上,用于击落空空导弹。联合技术公司在竞标会上赢得了激光器的合同。我们后来得知他们采用了DCS的喷管设计。它最终完成了使命,并击落了空空导弹[11]。
5.3柱形气动激光器
气动激光器存在的一个问题是激光腔的高度受喷管叶片屈应力的限制。而激光腔长度受限于零通量增益和激光腔长度的乘积,为了避免受激放大辐射,一般乘积数值要小于12。这样就限制了线性CO2气动激光器都可以得到的输出功率。实验室主任以前曾建议这安装一个喷管环,使每一个喷管的直径都小于前一个喷管,这样就可以得到一个锥形的喷管组装置。在顶点放置回馈镜,而在基部放置全反镜。整个部件固定在一个万向架上,并使其指向靶目标,这样也可消除对独立光束定向器的需求问题。这一系统没有建造,但是它指出环形喷管比直的喷管叶片具有较好的特性:前者受限于张应力,而后者受限于屈应力,这种应力更为严重些。因此,提出了一个真正的柱形气动激光器方案,但是也没有建造。图17为其设计草图。注意,后来发展了相类似的柱形化学激光器。
5.4AERL转向电激励CO2激光器
大家认识到,气动激光器具有百分之几较低的化学效率和较低的大约10KJ/KG的比能。而且它也不能满足室主任发展以核反应堆所产生的电能为能源、并且不需要重新补给燃料的天基激光器的野心。因此他将进一步的投资方向转向了下面所要讨论的电激励CO2激光。
5.5向化学激光器的转移
在气动激光器发明不久,名义上曾经在AERL和我一个工作组工作过的Richard Airey博士制造了一台HCL氯化氢化学激光器(实事上还有其它两种)。他想继续这一工作,但是主任觉得这种激光器不能满足他的目标,因为它需要在太空不断地补给化学燃料。结果,Airy博士离开了AERL,并在DARPA成了独揽高能激光器大权的人物。不必说,他重点发展化学激光器。副主任告诉Greenberg博士,他也没有提升的可能,所以他也离开去华盛顿了,而且也是重点研究化学激光器。
5.6专利诉讼
在这很久以后,空军威胁AVCO提出了关于CO2气动激光器专利权的诉讼。他们声称有关这方面的工作(*UCH?)是由空军资助的,并且要求得到免费许可权。我们的合同管理员感到十分沮丧。我建议他们给审讯官员打电话,表明我们愿意$1,000,000美元给空军一个许可证。空军最终为这一到现在都没有用的发明许可证付了$100,000美元,据我所知,没有建造任何新的气动激光器用于军队,或者是商业应用。
6、 电激励CO2激光器
在Richard Patrick博士的指导下,有一批物理学家在做与熔融能量存储有关的电子束研究工作。但是他们有一个想法,他们可以用一个宽电子束来预电离气体混合物,然后使放电电流通过就可以产生粒子数反转,同时它是连续波。这一思想发展了CO2激光焊接机。
6.1陆军移动试验单元(MTU)
那个时候,DDR&E的领导John Foster博士参观了AERL。我为他准备了一个演讲,主要讲解激光功率水平和相对应的一些应用领域,涉及从陆军用于击落导弹来支援前线到弹道导弹防御等方面的内容。他选择了列表中最小的一个也是第一个。随后,我们得到了建造移动试验单元的合同,它是CO2激光焊接机的按比例放大系统,如图18所示,而图19是MTU系统实物模型,它包括一张大的绝缘加固的塑胶。但是并没有按那样的尺寸加工,而项目经理让AVCO的系统部门用环氧树脂将两部分连接起来。我记得我还看到了结合处是灰色的,并询问了为什么。他说专家都已经做了,我也没有深究。结果证明用的是铝,因此当接受50KV的电压时,不但起不到绝缘器的作用,反而还短路了。陆军随后将它带离了AERL,我的任务也被解除了,而一批离开AVCO的技术人员完成了此项工作。该系统维修好以后,成功地击落了一架BQM34无人机和一架直升机。后来,该系统给了NASA的Marchall太空飞行中心。我听说,他们的承包人拆除了该系统,并再也没有运行过。
6.2更高功率的电激励CO2激光器
在Jack Daugherty博士的指导下,AERL甚至发展了更高功率的电激励CO2激光器,包括连续波和脉冲的。第一个是电子束预电离式的Humdinger系统。该系统每秒有250个脉冲输出,并获得了相当可观的功率输出,比以前所得到的任何情况下的功率都要高许多。它由空军资助,但是空军逐渐确信他们更需要一个连续波输出的电激励激光器。这样的激光器由David Ahouse建造,但是该系统很快就遇到了光束质量问题。我们俩得到了光腔的高速干涉图,发现一个由激光模式-介质相互作用所导致的横向声学波。他通过在光腔壁上放置消音器解决了此问题,但是,这时的CO2激光的长波长对空军却不再有吸引力了。
海军也想建造一台单脉冲具有很高能量的电激励CO2激光器,该系统是Thumper,也建在AERL。正当用该系统演示验证对薄板的脉冲结构破坏效应时,海军却对此失去了兴趣,转而去支持氟化氘DF化学激光器了。陆军也开始对更高平均功率的重复频率电激励CO2激光器产生了兴趣。该系统由Robert Feinberg负责建造,但是该系统的光腔遇到了电弧击穿问题和严重的模式-介质扰动问题。该系统是最后一台大功率CO2激光器[13]。
7、 参考文献
1.A.Einstein,Physikalische Zeitschrit,18,p.121,1917.
2.A.Javan,W.R.Bennett,Jr,and D.R.Herriott,Phys.Rev.Letters,6,p.106,1961.
3.I.R.Hurle and A.Hertzberg,”Electronic Population Inversions by Fluid Mechanical Techniques”,Phys.Fluids,8(9),pp.1601-1607,1965.
4.C.K.N.Patel,”Continuous-Wave Laser Action on Vibrational-Rotational Transitions of CO2”,Phys.Rec,5A,pp.a1187-1193,1964.
5.A.Kantrowitz,”Heat-Capacity Lag in Gas Dynamics,”J.Chem.Physics,14,p.150,1946.
6.Adapted from J.Wilson,”Nitrogen Laser Action in Supersonic flow,”Appl Phys.Letters,8,pp.159-161,1966;later modified by E.Gerry.
7.Dr.Wray’s name did not appear on the original GSL patent.
8.E.T.Gerry and D.A.Leonard,”Measurement of 10.6u CO2 Laser Transition Probability and Optical Broadening Cross Sections,”Appl.Phys.Letters,8(9),pp.227-229,1966.
9.V.K.Konyukhov and A.M.Prokhorov,”Population Inversion in Adiabatic Expansion of a Gas Mixture,”JETP Letters,3(11),1966.
10.Website:laserstars.
11.E.M.Parmentier and R.A.Greenberg,”Supersonic Flow Aerodynamic windows for High Power Lasers,”AIAA J.,11,(11),PP.943-949,1973.
12.R.W.Duffner,Airborne Laser;Bullets of Light,Perseus,1997.
13.To get into a short wavelength regime,following an invention of J.J.Ewing and C.Brau of AERL,a pure e-beam pumped UV excimer laser was built.It was installed at WSMR and was operated ,but there was no follow on.
图标翻译:
图1 N2和CO2的振动能级。0001为激光上能级振动能量态,而0000是下能级振动能量态。通过碰撞对下能级进行去激活是必须的。
图2 热传导和流动去除废热的差异图解;后者比前者要大几个数量级,因此可用于高能激光器。
图3 喷管流动的干涉图。图3a气动激光器的喷管下游是平直壁面扩散段时的干涉图,图3b为气动激光器的喷管下游是渐扩散段而上游是陡直楔型收缩段时的干涉图,图3c为气动激光器的喷管下游是渐扩散段而上游是平面时的干涉图。
图4 AERL的MK气动激光器的参数。它采用多喷管,双扩压器和多孔输出镜。
图5 CO2气动激光器的能态
图6 1968年的提议中的RASTA装置的设计草图。
图7 采用三扩压器和多孔输出镜的RASTA激光器
图8 RASTA激光器的照片。
图9 采用非稳腔的MarkV的远场辐射,图中看出光束质量较差。
图10 联合技术公司的XLD气动激光器照片
图11 可能仅位于MA,Haverhil的TSL激光器。
图12 TSL的特写
图13 MOPA结构的TSL的光学布局图
图14 海军卫士气动激光器设计草图,但是没有建造
图15 DCS气动激光器的光学布局图,激光器由AERL建造
图16 DCS气动激光器产生的环围能量,具有较好的光束质量,在第一爱里环里达到1.2。
图17 能解决光腔高度受限问题的柱状气动激光器设想图,但是没有建造。
图18 MTU电激励连续波CO2激光器的项目经理Bernard Wasserman先生和激光器在一起。注意存在的那个咖啡杯。在转移给NASA之前击落了BQM34和一架直升机,移交NASA之后再也没有运行过。
图19 具有光束定向器和热交换器的MTU运载车。运载车是个海运工具,使陆军很难受。
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