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高能激光器自由旋涡气动窗口的工程设计及其相关研究

作　者: 刘天华
导　师: 姜宗福；赵伊君
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 高能激光器气动窗口自由旋涡气动窗口非对称超音速喷管扩压器光束质量密封压比剪切干涉法远场法哈特曼波前传感器波前畸变气动光学有限体积法
分类号: TN248.5
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

高能气动或化学激光器无论是在军事、工业或是科学研究上，其应用越来越广泛。而所有这些应用对激光器的输出功率和输出强激光光束质量的要求也越来越高。然而，由于高能激光器传统的固体输出窗口具有不可避免的部分吸收作用，因此，当输出激光功率很高，或激光器长时间工作时，固体输出窗口就会产生热畸变、甚至炸裂或被击穿，从而影响输出激光的光束质量或使高能激光器根本无法工作。虽然采用各种冷却方法可以部分缓解热吸收所带来的这些问题，但是由于热传递速率的限制和光学加工工艺的限制，使得固体输出窗口已经成为限制高能激光器功率进一步提高的“瓶颈”。由于气体介质具有对电磁辐射选择吸收的特性，而且其击穿功率阈值也特别高，因此为了解决上述高能激光器固体输出窗口的“瓶颈”问题，根据气体介质的这一特性，提出了气体动力学输出窗口(简称为气动窗口，ADW)的解决方案。气动窗口利用对激光器输出波长没有任何吸收作用的特殊气体作为窗口工作介质，并根据气体动力学部分相关原理，能生成一个具有与激光腔低压和环境大气高压相匹配的压力梯度、并把激光器低压工作介质和外界大气相隔离的“气幕”，从而保证高能激光器的正常工作。本文首先综述分析了高能激光器及固体输出窗口的发展，及固体输出窗口目前在高能激光应用上所面临的困难，进而提出我国研究气动窗口的必要性。通过对气动窗口各种性能指标的研究分析，综述归纳了一套不依赖于气动窗口具体类型的性能评价方法(主要包括密封性能、光束质量、流量特性等)，同时给出了相应的测量方法。给出能够反映气动窗口流量特性的相对质量流量因子(?)的概念及其计算表达式；并通过对其进行大量的计算分析比较，提出了自由旋涡气动窗口(FADW)的优选解决方案。根据FADW的实现原理及相应气动设计原理，给出了一套FADW的基本工程设计方法。由于FADW的实际流场十分复杂，特别是在射流区域和射流进入扩压器的摘要一初始阶段，因此，气动窗口的实际设计相当复杂。所以，本文所建立的FADW的基本设计方法是理想状态下的设计方法，其中主要包括非对称超音速喷管的设计和气动窗口扩压器的设计方法。对超音速喷管的设计主要采用无粘等嫡无旋的二维定常模型，利用特征线法进行计算，给出边界层的经验修正；而对于扩压器的设计主要采用实验方法，同时给出其工程设计估算方法。气动窗口设计的有效性需要实验验证，本文同时利用远场法、一维横向剪切干涉仪和哈特曼．夏克波前传感器分别对现有的口径为 30mm x 30mm的气动窗口的光学特性和对输出激光光束质量的影响进行了实验测量和分析，同时建立了气动窗口的性能测量的实验方法，并分析了FADW对输出激光影响的物理机制（如类透镜效应等）。并利用阴影法和剪切干涉法对该窗口的射流流场结构进行了实验观察和测量，对其所涉及的气动光学现象进行了相应的实验测量和分析。采用此窗口的壁面结构，重新加工了一套大口径 90mmx 30mm的气动窗口实验装置，并对其进行了初步的实验研究。利用所建立的FADW基本工程设计方法，自行设计了一套可变尺寸的FADW实验装置，该装置同时可用于FADW的优化设计实验。实验研究了扩压器对FADW工作性能的影响，提出了扩压器结构和超音速喷管相对布局参考数据；研究了气动窗口侧壁防漏片的结构对气动窗口性能的影响，并给出其工程设计方法；同时还研究了扩压器不同的背压对整个 FADW作性能的影响，据此提出了扩压器与引射器结合的设计方案，从而为大压比、高性能的FADW的设计提供了进一步设计参考方法。通过对该窗口的各种气动和光学实验研究，得到了许多有价值的实验结果，为气动窗口的设计积累了实际工程经验。利用实验室现有的一套室内37单元自适应光学系统对FADW的输出激光进行了初步的校正实验，并进行了相应分析。同时给出了进一步研究工作方向。最后，本文采用有限体积法首次对整个气动窗口的全流场进行了初步的数值模拟计算，建立了整个气动窗口流场的控制方程及相应数学模型。将数值模拟结果与理论设计数值进行了对比，表明该计算结果是可信的，计算模型和所生成的网格是合理的。并提出了数值模拟的进一步工作方向，为未来气动窗口的优化设计提供参考。

全文目录

中文摘要  4-6
英文摘要  6-8
第一章概论  8-22
  §1．1 气动窗口的提出  8-17
    1．1．1 高能化学／气动激光器的发展  8-10
    1．1．2 高能激光器低腔压要求及其固体输出窗口瓶颈问题  10-14
    1．1．3 高能激光器气动窗口的提出及研究现状  14-17
  §1．2 本文的主要内容  17-22
第二章气动窗口性能评测方法及自由旋涡气动窗口选型  22-58
  §2．1 气动窗口性能评测方法探讨  22-41
    2．1．1 气动窗口密封性能评价参数  22-24
    2．1．2 气动窗口光束质量评价及测量方法  24-39
    2．1．3 气动窗口流量特性  39-41
    2．1．4 其它性能参数  41
    2．1．5 小结  41
  §2．2 自由旋涡气动窗口的选型  41-54
    2．2．1 横向式气动窗口工作原理  41-50
    2．2．2 横向自由旋涡式气动窗口优选方案  50-54
  §2．3 小结  54-58
第三章自由旋涡气动窗口的基本设计方法  58-80
  §3．1 FADW非对称超音速喷管设计方法  58-78
    3．1．1 特征线法在FADW喷管设计的应用  58-64
    3．1．2 FADW超音速非对称喷管设计方案及方法  64-72
    3．1．3 FADW喷管设计算例及相关分析  72-78
  §3．2 自由旋涡气动窗口扩压器工程设计  78-80
第四章自由旋涡气动窗口实验研究及其工程设计  80-131
  §4．1 30mm×30mm自由旋涡气动窗口的性能  80-108
    4．1．1 设计结构图及其性能参数  80-81
    4．1．2 密封性能实验及其启动性能  81-83
    4．1．3 气动光学特性的研究  83-108
  §4．2 可变尺寸自由旋涡气动窗口的工程设计及相关研究  108-119
    4．2．1 基本参数及其超音速喷管面型计算结果  109-110
    4．2．2 工程设计及相关实验研究  110-119
    4．2．3 小结  119
  §4．3 90mm×30mm大口径自由旋涡气动窗口的初步研究  119-123
    4．3．1 基本结构参数及其工程设计  119-122
    4．3．2 初步实验研究及分析  122-123
  §4．4 气动窗口自适应光学校正初步研究  123-127
    4．4．1 直接斜率法波前校正原理  123-124
    4．4．2 实验装置图  124-125
    4．4．3 初步校正实验及结果分析  125-127
    4．4．4 小结  127
  §4．5 结论  127-131
第五章自由旋涡气动窗口流场数值模拟  131-140
  §5．1 数值方法  131-136
    5．1．1 控制方程  131-134
    5．1．2 数值方法  134-135
    5．1．3 计算区域及计算网格  135-136
    5．1．4 边界条件  136
  §5．2 初步计算及结果分析  136-140
全文总结  140-143
致谢  143-144
博士期间发表主要论文  144

高能激光器自由旋涡气动窗口的工程设计及其相关研究

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