大口径多波段激光发射内通道的正压密封方法研究

发布时间：2020-09-24 16:35

　　 激光发射系统在目标测距、干扰以及激光通信等领域应用广泛,具有反应速度快,抗干扰能力强等特点,近年来正在朝大口径、多波段的方向发展,由此带来了许多新的问题,其中激光发射内通道的净化密封问题对提高激光发射质量和能量具有重要意义。本文提出了大口径多波段激光发射内通道的正压净化通风密封方法,它能够适应任意波段的激光发射;而且可以净化内通道,减小内通道热效应,提高激光发射质量和能量;同时可以依靠净化空气的正压作用实现内通道的密封。分析了内通道正压净化通风密封方法的工作原理,说明了保证内通道结构连接缝隙密封的重要性。对内通道的不同连接进行了静密封和动密封结构设计,并对密封设计的泄漏进行了分析,结果表明静密封设计可以实现无泄漏密封,而动密封设计的泄漏量较小,可以在正压净化通风时补偿。采用数值计算的方法,研究和分析内通道正压净化通风方法的密封性能。从守恒型N-S方程出发,在不可压缩流场近似的基础上建立了分析净化空气正压性能的连续相模型;然后在连续相分析的基础上,采用FLUENT中DPM模型来描述和追踪颗粒在流场中的运动轨迹,建立了离散相模型。对内通道中光场和流场的耦合相互作用做了近似处理,将激光的加热作用作为稳定热源加入内通道流场的计算中,得到流场的温度分布,并在此基础上研究其对激光传输的影响。建立了大口径多波段激光发射内通道正压净化通风的基本仿真模型,并分别进行了连续相和离散相的数值模拟。结果表明,在外界环境为六级风的设计要求下,入口净化空气速度大于4m/s时可以实现对外界空气的正压密封,同时可以对空气中各种粒径的尘埃起到阻挡作用,保护光学元件。通过实验对数值模拟结果进行了验证,说明正压净化气流能够净化内通道,而且对外界空气及其中的尘埃具有正压密封作用,能够达到设备的净化密封设计要求。在验证了正压净化通风密封方法可行性和有效性的基础上,对其在某大口径多波段激光发射系统中的实际应用展开了研究,建立了其内通道流场的仿真模型。通过对内通道监测面的法向速度和气体流动状态的研究,发现净化空气不断地和外界空气混合同时发生能量的交换,并以此阻挡外界空气。当净化空气速度V≥3m/s时,净化气流可以阻挡外界空气接触到主发射筒的最外光学元件-次镜;当净化空气速度V≥9m/s时,正压净化通风能满足除尘效率大于90%的要求。而且净化空气速度越大,阻挡作用越大。当净化空气速度在3m/s以上时,激光对气体和光学镜面的加热作用引起的内通道气体温度变化在1°C以内;正压净化通风可以很大程度上降低内通道气体吸收激光能量产生的温升,与没有通风时相比,降温可以达到10°C以上。最后,仿真结果显示内通道流场的温度变化引起的气体折射率变化很小,流场对激光传输的影响也较小,对于合束后的发射激光来说,这种影响可以接受而且可以通过结构调整进行补偿。基于内通道净化密封的性能要求,首先对空气净化设备的除尘祛湿等净化性能进行了检测和验证。然后,在室内环境条件下,通过数值模拟和实验检测,发现净化空气能够在内通道出口附近形成一定的风速和正压,而且在次镜位置之前对六种粒径的净化效率都超过了90%,达到了设计要求的净化密封效果。因此,正压净化通风密封是一种简单有效的内通道净化密封方法。
【学位单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN249
【部分图文】：

[50-51]。不同的激光武器，它的激光发射系统有不同的设计要求。如图1.1所示的高能激光发射系统组成框图，有多种因素会影响到远处目标靶面上的激光能量集中度这一核心特征量，如激光器质量、光束质量、跟瞄精度、系统稳定性等因素，不仅需要对它们进行逐一分析、优化，而且还必须综合研究，才能在总体上实现较高的特征量。因此激光发射系统的关键技术主要有：高光束质量激光器技术；精密跟踪瞄准技术；光束控制发射技术；激光大气传输效应研究和自适应光学技术等[32,49,52]。图 1.1 激光发射系统组成(1) 高光束质量激光器技术高光束质量激光器是激光发射系统的核心，它产生高光束质量的激光束，是形成杀伤破坏作用的关键部分。因此，在工程应用中，一般要求激光器具有能量转换效率高、光束发散角小、脉宽适当、大气传输损耗低等特性。激光发射系统

就会容易发生光学表面沾染。而光照射到沾染面造成严重损坏，影响光学表面的透射和反射，而且光起散射[61]。水分和 CO2等分子会增强内通道中空气对激溶胶等颗粒会因为散射等原因使激光能量产生衰减，并于激光在内通道中传输时，光束直径小，能量密度高，更加的明显。甚至，空气中的某些气体成分会直接对光坏性影响。以上所述这些问题都将严重影响激光发射，为了保护激光发射系统的内部元件，保证设备的正常系统的性能，增强系统的环境适应性，提高设备的使用寿通道的防尘除湿等净化密封设计及其相关的内通道热效射内通道密封方法简介的经验来看，单一波段或者单一宽波段的激光发射系统个晶体透射窗口[76-79]，如图 1.2 所示。而且口径小的激动窗口密封[80-86]，如图 1.3 所示。

还有镜子自重作用下的变形、安装的卡夹变形用产生的变形等机械变形，这些都会对光束传输质量产生较可知，平面透镜晶体窗口对于大口径多波段激光发射系统想的密封方式。式能气动激光器或者高能化学激光器的光腔内必须是低压的，激光器通常采用晶体透射窗口来保证激光腔相对环境的激光输出功率不断增大，由于晶体窗口不可避免的热吸收作，晶体窗口就会因为反复的吸热导致的热应力而产生热畸影响，使设备无法正常工作。虽然很多研究人员通过研究晶应，来寻找更好的材料或者采用冷却技术，但是都只能有一能彻底解决这一难题[93-95]。上难题，科学家们找到了所谓气动窗口的办法，它是采用对没有吸收作用的气体，利用气动技术采用特殊设计的射流来口，以此来取代晶体窗口，并用这个气帘窗口来密封激光

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本文编号：2825976