放電氧碘激光器的研究進(jìn)展

1、放電氧碘激光器的研究進(jìn)展1張學(xué)玲，王新兵華中科技大學(xué)光電子科學(xué)與工程學(xué)院，武漢（430070）E-mail：摘 要：利用O2()與碘原子的共振能量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)的氧碘激光器，由于其具有高功率，波長(zhǎng)1短和較低的光纖傳輸損耗，在工業(yè)上具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前使用的O2()發(fā)生器，是1典型的氣液反應(yīng)系統(tǒng)，其產(chǎn)生的水汽對(duì)激發(fā)態(tài)碘原子具有較強(qiáng)的猝滅作用；生成O2()的反1應(yīng)物具有強(qiáng)腐蝕性和毒性，會(huì)帶來環(huán)境污染問題。尋求一種全氣相、不含水和環(huán)保的O2()1發(fā)生器氧碘激光器的發(fā)展方向，用氣體放電的方法產(chǎn)生O2()，是目前國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹了各種放電單重態(tài)氧發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及存在的問題，考慮到射頻

2、放電的穩(wěn)定性以及均勻性較好，已經(jīng)廣泛用于各種氣體激光器的激勵(lì)，認(rèn)為采用射頻放電生成單重態(tài)氧發(fā)生器是一種不錯(cuò)的選擇。關(guān)鍵詞：化學(xué)氧碘激光器，單重氧，放電氧碘激光器中圖分類號(hào)：TN248.2, TN248.51. 引言氧碘激光器是利用O2(1)與碘原子的共振能量轉(zhuǎn)移，使碘發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而輻射得到1.315µm的激光。其中，產(chǎn)生O2(1)是氧碘激光器的關(guān)鍵。 傳統(tǒng)的單重氧產(chǎn)生主要是通過 化學(xué)的方法：Cl2 + H2O2 + 2 MOH O2 (1) + 2H2O + 2 MCl ,其中M 為K, Na ,Li。由于這是一個(gè)氣液放熱反應(yīng),產(chǎn)物中含有一定量的水蒸汽,水分子對(duì)激發(fā)態(tài)碘原子的猝

3、滅很嚴(yán)重, 而且過氧化氫等物質(zhì)具有強(qiáng)腐蝕性和毒性，會(huì)帶來環(huán)境污染問題。所以研究人員在改進(jìn)此系統(tǒng)的同時(shí),也在努力探索其它產(chǎn)生O2(1) 的途徑。全氣相的放電氧碘激光器就是一個(gè)發(fā)展方向，它僅僅依靠放電來獲得O2(1)：O2(3)+eO2(1)+e。早在1974年Zalesskii1就提出了一種放電氧碘激光器，他通過氧實(shí)現(xiàn)了激發(fā)態(tài)碘粒子數(shù)的增加，但卻沒能實(shí)現(xiàn)激光振蕩。近些年，隨著放電氧碘激光器的研究不斷深入，相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究都不斷取得突破性進(jìn)展。目前用來實(shí)現(xiàn)放電單重氧發(fā)生器(DSOG)的放電方式主要有直流、微波、射頻等。以下將分別介紹這幾種放電方式下的放電氧碘激光器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。2. 直流放電方式

4、2000年俄羅斯的Mikheyev2研究了純氧條件下的渦流直流單重氧發(fā)生器。采用渦流方式，主要是因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)高壓強(qiáng)高功率下的穩(wěn)定的連續(xù)波放電。實(shí)驗(yàn)裝置主要是一個(gè)渦流管如圖1，渦流管中間是內(nèi)徑15mm的玻璃管，兩端一邊是噴嘴一邊是擴(kuò)散器。而管的長(zhǎng)度也可以通過改變電極的間距來改變，實(shí)驗(yàn)證明在電極間距為57cm的時(shí)候單重氧的產(chǎn)率達(dá)到最大。實(shí)驗(yàn)分別采用Cu、Ti、Al做成的陰極，證明了采用Ti、Al陰極相對(duì)于Cu可以使1.27µm的信號(hào)提高25%。 1本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (項(xiàng)目編號(hào)：60608006) 的資助。-1-圖1 渦流放電裝置2004年俄羅斯的Ikonnikov和

5、Savin也對(duì)直流放電單重氧發(fā)生器進(jìn)行了研究3，這種發(fā)生器主要由一個(gè)石英管和兩個(gè)電極組成，通過水來冷卻。他們研究了兩種單重氧發(fā)生器，如圖2。其中DSOG-1采用鈦電極，放電管內(nèi)徑24mm，長(zhǎng)200mm。在壓強(qiáng)為11.5Torr時(shí)，在距放電管出口50cm處，測(cè)得的單重氧濃度不到15%。而改進(jìn)后的DSOG-2采用鋁電極，放電管內(nèi)徑10mm,長(zhǎng)度不變，所測(cè)濃度達(dá)到23%28%。DSOG-1 DSOG-2圖2 直流單重氧發(fā)生器3. 微波放電方式俄羅斯的Savin4，5在2003、2004年采用了穩(wěn)態(tài)模式下的行波放電方式，用于有效的增加氣體流中的單重氧。研究采用二維（r,z）模型來計(jì)算等離子化學(xué)動(dòng)力學(xué)以

6、及熱和質(zhì)量在純氧和氬氧混合氣體中的轉(zhuǎn)移，并且模擬行波放電的過程。實(shí)驗(yàn)證實(shí)由于在順著氣體流方向的末端，單重氧的主要產(chǎn)生過程是： O2(1)+ O（3P）O2(1)+ O（3P）而O2(1)主要是在管壁上淬滅的，所以Savin認(rèn)為應(yīng)該采用直徑較大的管。實(shí)驗(yàn)分別采用27w和42w的輸入功率，得到的單重氧的產(chǎn)率Y=O2(1)/（O2+ O2(1)）從1819%增加到了22%。美國(guó)的Rawlins6在2006年分別采用了功率為40120W和12kW的微波進(jìn)行研究并相應(yīng)的使用了兩種不同的實(shí)驗(yàn)裝置。其中后者采用了一種“微波驅(qū)動(dòng)噴射”的放電裝置，如圖3，混合氣體沿切線噴射管注入該裝置，產(chǎn)生渦旋流并在微波放電腔

7、中形成放電等離子體。這種裝置隨著氣體流速的增加可以成比例的增加放電功率，最高可以達(dá)到5kW，這樣就可以優(yōu)化單重氧的產(chǎn)生。圖3 15kW微波驅(qū)動(dòng)噴射放電裝置-2-4. 射頻放電方式日本的Fujii 和Schmiedberger研究了微波和射頻兩種放電方式711。他們1993年就開始了射頻等離子射流單重氧發(fā)生器的研究。射頻等離子射流系統(tǒng)不同于其他放電方式下的單重氧發(fā)生器的顯著特征是：它的上流與下流的壓力比很高、10100µs的極短停滯時(shí)間。從第一代放電單重氧發(fā)生器（DSOG-1）到現(xiàn)在的第五代（DSOG-5），單重氧的產(chǎn)率也由4.2%達(dá)到了0.45 Torr下32%的最大值。Schmie

8、dberger研究的第一代到第五代射頻單重氧等離子射流發(fā)生器如圖4所示。DSOG-1和DSOG-2采用純氧或加入少量混合氣體的氧來產(chǎn)生等離子射流，并且通過自然擴(kuò)散到低壓腔中。第二代主要是在第一代的基礎(chǔ)上在單重氧基本輻射被測(cè)量處重新校準(zhǔn)了光纖與診斷腔的匹配，使單重氧產(chǎn)率提高了 3.8倍，從4.2%提高到16%17%。DSOG-3采用中性氣體順著射頻噴嘴注入來冷卻等離子射流以提高單重氧的產(chǎn)量。用于冷卻的混合氣體在噴嘴出口5mm的地方注入等離子體。這種冷卻注入可以使等離子射流的長(zhǎng)度減短數(shù)毫米，并且使單重氧的產(chǎn)率也相應(yīng)的增加（達(dá)到25%30%）。而DSOG-4采用了兩種操作方式：冷卻方式和能量轉(zhuǎn)移方式

9、。冷卻方式采用氧氣和一氧化氮混合氣體產(chǎn)生等離子射流，而用氦來冷卻。能量轉(zhuǎn)移方式采用氦和一氧化氮混合氣體產(chǎn)生等離子射流，并與中性氧的氣體流混合，從而使能量轉(zhuǎn)移到氧分子。在DSOG-4中注入口更靠近噴嘴的出口就在等離子衰減的開始處，并且射頻噴嘴更小，電極的直徑也更小。2003年他們開始研究DSOG-5，實(shí)驗(yàn)采用頻率100MHz功率200W的射頻，使氬在鋁噴嘴處產(chǎn)生等離子射流，當(dāng)氬通過噴嘴與氧分子作用時(shí)，就會(huì)通過能量轉(zhuǎn)移產(chǎn)生單重氧。來自于氬等離子體的能量轉(zhuǎn)移就是產(chǎn)生單重氧的主要途徑。在氧低流率的條件下單重氧可以達(dá)到了24%的產(chǎn)率，但是80µmol/s左右的流率對(duì)于激光實(shí)驗(yàn)而言太低了。DSO

10、G-1DSOG-4 DSOG-5圖4 射頻等離子射流單重氧發(fā)生器俄羅斯的Rakhimova在2003、2004年研究了13.56MHz和 80MHz的射頻放電單重氧產(chǎn)生器12,13。裝置如圖5所示。其中1提供射頻電源，而放電主要在石英管中進(jìn)行。圖5 射頻放電裝置-3-Rakhimova認(rèn)為根據(jù)能量沉積可以把射頻放電分成三種模式：模式：W100J/mmole;模式：100 J/mmoleW200 J/mmole；模式：W200 J/mmole。模式即模式，而模式就是射流模式。實(shí)驗(yàn)表明在模式中，單重氧的產(chǎn)生效率更高，而在射流模式中由于大量能量損失在近電極層，效率會(huì)下降12%。 通過分別采用13.5

11、6MHz和 80MHz的射頻證實(shí)了能量沉積在150 J/mmole范圍內(nèi)，采用80MHz的射頻單重氧的產(chǎn)率是采用13.56MHz的1.32倍。由此可以說明提高射頻頻率對(duì)于提高單重氧的產(chǎn)率很有幫助。他們還證實(shí)隨著壓強(qiáng)和能量沉積的增加，單重氧的濃度會(huì)達(dá)到飽和。所以應(yīng)避免氧分壓大于10Torr而且能量沉積較大情況。另外由于一些金屬氧化物的表面有很高的氧原子損耗率，所以可以在電極處的放電管壁覆蓋上氧化汞來去除氧原子。氧化貢的使用就避免了隨著射頻功率的增加而造成單重氧濃度的飽和。俄羅斯的Ionin以前也曾做過電子束產(chǎn)生單重氧，在O2:Ar:CO=1:1:0.05、總氣體壓強(qiáng)30Torr時(shí)產(chǎn)率達(dá)到了7%，

12、但實(shí)驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜而龐大14。后來Ionin開始研究自持和非自持的射頻板條單重氧發(fā)生器15。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖6。在1.5升的內(nèi)容量?jī)?nèi)，有兩個(gè)用水冷卻的鋁電極，放電間距3mm,放電面積28530mm2。而且這個(gè)設(shè)備可以通過插入用不同物質(zhì)做成的材料來靈活的改變電極的材料。由于電極間距很小，所以電極的材料會(huì)影響板條射頻放電的等離子動(dòng)力學(xué)過程。銅是一種對(duì)單重氧有很強(qiáng)淬滅作用的物質(zhì)，而使用鉭或者鋁電極就可以獲得很高的單重氧產(chǎn)率。在研究非自持放電時(shí)，研究人員使用了一種通過重復(fù)高壓脈沖來獲得外部電離的設(shè)備，如圖7。高達(dá)1500伏的直流電壓加在銅電極（1）上，脈沖電壓加在鋁電極（2）上，而工作介質(zhì)被陶瓷盤（3）限制。

13、中空的電極（1）和電極（2）有一個(gè)通用的水冷循環(huán)。沿著銅電極放電腔長(zhǎng)為95mm，內(nèi)部電極的間距為20mm，最小的尺寸（板條的高度）只有2mm。實(shí)驗(yàn)測(cè)得在氧氣和氦氣1：4混合，氣體壓強(qiáng)200Torr時(shí)，單重氧的濃度達(dá)到了1.5*1016cm-3，產(chǎn)率達(dá)到了10.6%。圖 6 射頻板條放電結(jié)構(gòu) 圖 7 非自持放電系統(tǒng)2004年美國(guó)的Carroll通過射頻放電產(chǎn)生的O2(1)成功泵浦碘獲得1.315µm的連續(xù)波激光振蕩，輸出功率達(dá)到了220mW16。實(shí)驗(yàn)裝置如圖8。實(shí)驗(yàn)采用13.56MHz的射頻作用于兩個(gè)內(nèi)部空心電極，產(chǎn)生直徑約4.9cm長(zhǎng)約25cm的等離子區(qū)。Carroll認(rèn)為放電的穩(wěn)定

14、性和溫度的控制對(duì)于獲得有效的增益都是十分關(guān)鍵的。他采用超音速腔來降低氣體流的溫度和改變從碘原子到激發(fā)態(tài)碘的反應(yīng)平衡，并在光腔中采用了兩面反射率為99.99%的反射鏡獲得了約0.0067%cm-1的增益。在亞音速管和超音速腔中壓強(qiáng)分別為12.6Torr和1.55Torr時(shí)，采用450W的射頻功率，可以獲得207mW的激光輸出，而這時(shí)O2(1)的產(chǎn)率17%，亞音速管中的溫度410K。但是維持激光持續(xù)振蕩是在射頻功率為260W時(shí)，這時(shí)估計(jì)O2(1)的產(chǎn)率為12%，激-4-光功率相對(duì)穩(wěn)定在220mW±10 mW，可持續(xù)約為33min。2004年中國(guó)科學(xué)院大連物理化學(xué)研究所的李國(guó)富17等人在1

15、33399Pa 壓力條件下,對(duì)純氧,及氧氣與氬氣的混合氣體的射頻放電產(chǎn)生O2(1) 進(jìn)行了理論模擬和實(shí)驗(yàn)研究,得到的O2(1) 產(chǎn)率最高可達(dá)到17.5 %。圖 8 射頻放電實(shí)驗(yàn)裝置5. 結(jié)論由于氧是一種負(fù)電性氣體，采用直流放電難以獲得穩(wěn)定的輝光放電。而微波放電由于趨夫效應(yīng)也難以有效的將電功率耦合到放電區(qū)，放電注入功率難以提高。電子束自持放電的設(shè)備龐大，難以實(shí)用化。相比之下采用射頻放電則是一種不錯(cuò)的選擇。它的穩(wěn)定性以及均勻性都高于直流放電，而且已經(jīng)廣泛用于各種氣體激光器的激勵(lì)。目前放電氧碘激光器的研究方向仍然是提高單重氧的產(chǎn)率。理論計(jì)算表明電子能量過高是制約單重態(tài)氧產(chǎn)率提高的主要因素。通過放電方

16、式、結(jié)構(gòu)和氣體的改進(jìn)，可以使電子能量降低到一個(gè)合適的值。另外研究高氣壓高功率下穩(wěn)定的射頻輝光放電技術(shù)對(duì)于提高單重氧的產(chǎn)率也很有意義。高氣壓下放電的不穩(wěn)定性主要是熱不穩(wěn)定性，因此必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)姆烹娊Y(jié)構(gòu)使放電的熱量能及時(shí)排除到放電區(qū)外。板條射頻放電結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是電極面積大、間距小，放電產(chǎn)生的熱量能通過氣體擴(kuò)散和對(duì)流的方式傳導(dǎo)到電極，從而保持放電區(qū)的氣體溫度在一個(gè)較低的水平。而且這種放電結(jié)構(gòu)已成功用于CO2激光器中，板條射頻CO2激光器已成為新一代的工業(yè)用CO2激光器。所以采用射頻放電板條結(jié)構(gòu)的單重態(tài)氧發(fā)生器應(yīng)該具有較好的前景.參考文獻(xiàn)1Josef Shmiedberger,Hiroo Fujii

17、.RF hollow electrode discharge generator of singlet delta oxygenJ.Proc.SPIE,1995, 2502:3383432Pavel A. Mikheyev,Alexander A. Shepelenko,Nikolay V.Kupryayev，et al. Singlet Oxygen Production in Vortex-Flow DC Glow DischargeJ.Proc.SPIE,2000,3931：81843V.K.Ikonnikov,V.Ya.Lodin,Yu.V.Savin，et al. Singlet O

18、xygen Generation in DC Glow DischargeJ.AIAA-2004-27434Yu.V.Savin,L.V.Gorychaev,A.A. Adamenkov，et al. TRAVELING MIROWAVE DISCHARGE AS A SINGLET(a1g)OXYGEN SOURCEJ.AIAA-2003-43055Yu.V.Savin,L.V.Gorychaev,Yu.A. Adamenkov，et al.EFFECTIVE SINGLET OXYGEN GENERATOR ON TRAVELING MICROWAVE DISCHARGEJ.AIAA-20

19、04-24446W.T.Rawlins,S.Lee,D.B. Oakes，et al.The electric oxygen-iodine laser:Chemical kinetics of O2(a1) production and I(2P1/2) excitation in microwave discharge systemJ.Proc.SPIE,2006,6101,61011w-113-5-7Josef Schmiedberger,Sanyo Takahashi,Hiroo Fujii.Improved RF plasma jet generation of delta oxyge

20、nJ.Proc.SPIE,1997,3092:6946978Josef Schmiedberger,Shinichi Hirahara, Yasuhiro IChiflohe et al. RF plasma jet generator of singlet delta oxygen for oxygen-iodine laserJ.Proc.SPIE,2001,4184:32359 Josef Schmiedberger,Yoshihumi Kihara, Minoru Okamura，et al. RF plasma jet generator of singlet delta oxyge

21、n in chilled and energy transfer modes for oxygen iodine laserJ.Proc.SPIE,2003,5120:47147510 Josef Shmiedberger, Hiroo Fujii.RF plasma jet generator of singlet-delta oxygen and RF predissociation of iodine for oxygen-iodine laser at lowered temperatureJ. Proc.SPIE,2005,5777:21121411Hiroo Fujii,Yoshi

22、humi Kihara, Ryota Funakoshi，et al.The research on discharge oxygen iodine laser in JapanJ.Proc.SPIE,2004,5448:86686912T.V.Rakihimova,A.S.Kovalev, A.T. Rakhimov，et al.RADIO-FREQUENCY PLASMA GENERATON OF SINGLET OXYGEN IN O2 AND O2:Ar(He) MIXTURESJ.AIAA-2003-430613T.V.Rakhimova,Yu.A.Mankelevich, A.S.

23、 Kovalev，et al.SINGLET OXYGEN GENERATION IN CW AND PULSED RF DISCHARGES AT 13.56 AND 80 MHZJ.AIAA-2004-244514A.Ionin,M.Frolov, G.Hager，et al.Singlet Delta Oxygen Production in E-Beam Sustained Discharge:Theory and ExperimentJ.Proc.SPIE,2006,6261:626117-11515Andrey A.Ionin,Michail P.Frolov, Vladimir

24、N.Ochkin，et al.SINGELT DELTA OXYGEN IN A SLAB DISCHARGEJ.Proc.SPIE,2006, 6261:626117-11516 David L.Carroll, Joseph T.Verdeyen, Darren M. King，et al.Continuous-wave laser oscillation on the 1315 nm 1transition of atomic iodine pumped by O2(a) produced in an electric discharge.ApplJ. Phys.Lett.2005,86

25、,111104-1317 李國(guó)富,桑鳳亭,王增強(qiáng)，等.電激勵(lì)O2( a1g) 發(fā)生器的實(shí)驗(yàn)研究J.強(qiáng)激光與粒子束,2004,16:11271130Development of Electric Oxygen-Iodine LasersZhang Xueling，Wang XinbingInstitute of Optoelectronics Science and Engineering, HUST, Wuhan（430074)AbstractChemical oxygen-iodine lasers (COIL) which is obtained by the near resonant

26、energy transfer between 1O2() and atomic iodine are attractive for diverse industrial applications because COILs have high power and short wavelength which is located in a minimum loss transmission region for optical fiber. Conventional singlet-delta oxygen generation is a typical gas-liquid reaction syste