【摘 要】
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利用可调谐激光的平面激光诱导荧光（Planar Laser Induced Fluorescence,PLIF）成像技术已被广泛应用于流场和燃烧诊断。近年来,应用于新型发动机及高超声速飞行器设计等领域的高速动态流场PLIF诊断,迫切需求高重频与大能量的可调谐激光器。流场信息是发动机及飞行器设计的重要依据,PLIF是获取流场信息的重要手段。随着近年来高超声速发动机和飞行器的快速发展,对PLIF技术提
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利用可调谐激光的平面激光诱导荧光（Planar Laser Induced Fluorescence,PLIF）成像技术已被广泛应用于流场和燃烧诊断。近年来,应用于新型发动机及高超声速飞行器设计等领域的高速动态流场PLIF诊断,迫切需求高重频与大能量的可调谐激光器。流场信息是发动机及飞行器设计的重要依据,PLIF是获取流场信息的重要手段。随着近年来高超声速发动机和飞行器的快速发展,对PLIF技术提出了更高的要求。目前,10Hz的PLIF诊断技术已不能满足高超声速发动机和飞行器中流场和燃烧诊断的需求,迫切需要发展高速PLIF诊断技术。可调谐激光器是PLIF诊断技术的核心器件;可调谐激光器的重频决定PLIF诊断的帧频,能量决定PLIF诊断图像的信噪比。本文将针对高速PLIF成像技术的应用需求,开展高重频大能量可调谐染料激光理论与实验研究。在高重频与大能量工作条件下,激光染料工作介质内热效应问题极其严重,已成为制约大能量可调谐激光输出的核心问题。热效应会导致染料激光工作效率下降,针对这一问题,本文提出了一种二维泵浦光斑整形系统,该系统通过提高种子光与放大级泵浦光的匹配程度,增大放大级的增益体积,抑制染料工作介质内的热效应,提高染料激光器工作效率。通过引入二维泵浦光斑整形系统,500Hz染料激光器输出激光脉冲能量提高了86.8%,工作效率提高了79.4%。实验结果表明优化增益体积匹配有效提高了染料激光器的工作效率。热效应还会导致染料激光脉冲能量的不稳定,同时会造成染料激光光场强度分布不均匀;可调谐激光脉冲能量的不稳定将导致PLIF图像的信噪比改变,而光场强度分布的变化将导致PLIF图像失真,影响动态流场诊断结果准确性。为了解决激光染料工作介质中的热效应问题,本文从染料工作介质的能级结构与速率方程理论出发,对大能量泵浦条件下染料工作介质中的热效应分布进行了仿真分析。仿真结果表明:染料工作介质内在泵浦激光作用下具有热负透镜效应,热透镜焦距随泵浦光强增大而减小;同时热透镜还将导致输出激光传播方向改变。为了验证上述仿真结果,本文采用泵浦探测方式,对通过工作介质的探针激光光斑进行了测量,并对热效应导致的光斑畸变情况进行了实验研究。研究结果表明工作介质内热效应的建立时间为2.5μs;热透镜焦距随泵浦脉冲能量增大而减小,当泵浦脉冲能量为30m J时,热透镜等效焦距为-0.62m。针对热效应导致染料激光输出光场强度分布不均匀的问题,本文通过取样法间接测量脉冲串内各脉冲激光光斑,对脉冲串染料激光的光场强度分布进行了实验研究。研究结果表明:在短脉冲间隔条件下,热效应导致脉冲串染料激光输出的传播方向偏折,传播方向的偏折在0.4ms后达到稳态,体现了短脉冲间隔条件下工作介质内存在热效应的累积;染料激光传播方向的偏折角度随泵浦能量的增大而增大,随最短脉冲间隔的减小而增大,当泵浦能量为30m J,脉冲间隔为0.1ms时,染料激光传播方向的最大偏折角度可达0.85mrad。针对热效应导致染料激光脉冲能量不稳定的问题,本文对脉冲串染料激光器输出的能量特性进行了实验研究。本文通过采用可调空间匹配和空间滤波技术,在固定重复频率模式下,获得了重复频率500Hz,566nm处基频脉冲能量8.1m J,283nm处倍频脉冲能量1.7m J,紫外转换效率达5.86%,能量波动4.3%的可调谐染料激光输出。在脉冲串模式下,综合利用布儒斯特角染料盒设计和增益空间滤波技术,获得了最短脉冲间隔达0.1ms,等效重复频率10k Hz,560nm处基频脉冲能量达7.7m J,280nm处倍频脉冲能量达1.45m J,紫外转换效率达4.47%,能量波动8.4%的可调谐染料激光输出。实验结果表明脉冲串染料激光器的工作效率与能量稳定性均获得了显著提升。在以上研究的基础上,本文采用高重频大能量脉冲串染料激光,开展了PLIF成像实验,获得了时间间隔0.1ms,每个脉冲串内最多包含18张图像的酒精喷灯OH-PLIF图像序列。结合输出脉冲传播方向偏折规律,对热效应导致的OH-PLIF图像强度畸变进行了修正,提高了OH-PLIF图像序列的一致性。
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