專利名稱：一種機(jī)載氧碘激光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧碘激光裝置，尤其是在大氣層平流層中，采用太陽(yáng)光激 勵(lì)，適合機(jī)載的氧碘激光器。
背景技術(shù)：
迄今為止，公知的氧碘激光器是用化學(xué)反應(yīng)激勵(lì)的，也稱為化學(xué)氧碘激光器?；瘜W(xué)氧碘激光器Gas chemical Oxygen-Iodine laser (COIL)是從上世紀(jì)七 十年代以來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的一種高效能、短波長(zhǎng)化學(xué)激光器，其發(fā)出的激光波 長(zhǎng)為1.315pim。它的基本原理是利用化學(xué)反應(yīng)，如通過(guò)一個(gè)特殊的氣液相放能化 學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的氧激發(fā)態(tài)粒子O^Ag)，然后O^Ag)與碘原子I碰撞傳遞 能量，生成激發(fā)態(tài)碘1(￥1/2)，最后碘lfPi/2)躍遷到基態(tài)發(fā)出近紅外的激光?；瘜W(xué) 反應(yīng)式如下
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化學(xué)氧碘激光器(COIL)的核心是產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的氧激發(fā)態(tài)粒子O^Ag)。目 前，大功率的化學(xué)氧碘激光器(COIL)的用途主要是地對(duì)空武器和機(jī)載武器， 大功率激光器可在極短時(shí)間內(nèi)燒毀各種飛行器、導(dǎo)彈、衛(wèi)星?；瘜W(xué)氧碘激光器 (COIL)的缺點(diǎn)是體積大、重量重，不適合作機(jī)載武器。另外在實(shí)驗(yàn)室也有用 高壓電、射頻、微波激勵(lì)的小功率的氧碘激光器，其用途主要是科學(xué)研究。這 類氧碘激光器的缺點(diǎn)是激發(fā)效率低，功率小。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服化學(xué)氧碘激光器(COIL)的一系列缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種在高 空大氣層平流層中采用太陽(yáng)光激勵(lì)的機(jī)載氧碘激光裝置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題的思路是利用高空大氣層平流層在太陽(yáng)光輻射下存 在的大量氧激發(fā)態(tài)粒子02(iAg)人為在直線軌跡加入碘原子束，碘原子束在擴(kuò)散 時(shí)，與氧激發(fā)態(tài)粒子碰撞，共振轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)碘原子束的能級(jí)反轉(zhuǎn)，在外部氧碘激 光器激光的觸發(fā)下，實(shí)現(xiàn)氧碘激光的放大。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題的原理是在 高空大氣層平流層中，由于太陽(yáng)光紫外輻射，大量氧分子被激發(fā)到氧激發(fā)態(tài)粒子O^Ag)。氧激發(fā)態(tài)粒子02(iAg)由于本身的強(qiáng)烈禁戒躍遷限制，不能通過(guò)自 發(fā)躍遷，返回基態(tài)，成為長(zhǎng)壽命的亞穩(wěn)態(tài)。這種氧激發(fā)態(tài)粒子O2 0Ag)與其它空 氣分子碰撞后，也不發(fā)生反應(yīng)，可謂長(zhǎng)壽命。據(jù)有關(guān)研究結(jié)果(參考文獻(xiàn)中 國(guó)科技大學(xué)博士學(xué)位論文)報(bào)道，其壽命可達(dá)數(shù)十分鐘(資料報(bào)道平均壽命46. 7 分)。有關(guān)氧激發(fā)態(tài)粒子O^Ag)在平流層的分布，可以從鹵素掩星試驗(yàn)(HALOE) 的觀測(cè)資料中獲得。
HAL0E是設(shè)置在高層大氣研究衛(wèi)星(ILARS)上的一個(gè)稱為鹵素掩星試驗(yàn)裝 置(Halogen Occultation Experiment)的簡(jiǎn)稱。它采用太陽(yáng)掩星法測(cè)量大氣微量氣體 和氣溶膠的垂直分布。即當(dāng)太陽(yáng)相對(duì)于某地是剛升起或落下時(shí)，HALOE測(cè)量來(lái)自 太陽(yáng)方向并與大氣相切高度上的太陽(yáng)輻射，再由此反演該地微量氣體與氣溶膠 消光系數(shù)等的垂直分布。它可同時(shí)測(cè)量大氣氧激發(fā)態(tài)O^Ag)、 03、 HCI、 HF、 CH4、 H20、 NO、 N02、氣溶膠消光和溫度等的垂直分布。它水平測(cè)量范圍在南 北緯80度之間，垂直測(cè)量范圍從5公里到60-130公里。其垂直分辨率在平流層約 為500m。此裝置從1991年10月11日開(kāi)始工作至今并發(fā)布了各種微量氣體垂直分 布的資料。其觀測(cè)結(jié)果曾與ATMOS (Atmospheric TraceMolecule Spectroscopy)的 觀測(cè)資料對(duì)比過(guò)，非常吻合。這里引用是鹵素掩星試驗(yàn)(HALOE)的觀測(cè)資料中 垂直距離20-50km的數(shù)據(jù)。
對(duì)流層頂以上開(kāi)始是平流層，大約在距地面18km-50km間。平流層的溫度隨 高度變化不大，也稱為同溫層，溫度從223k到273k(參考文獻(xiàn)j.v.iribame (加拿 大)〈大氣物理學(xué)〉)。它從平流層低層向上開(kāi)始增大，在25km處10kPa附近達(dá)到 臭氧混合比的極大值，再往上一直減小，到中間層的中部臭氧混合比基本上為 零。在這些層，主要的成分^和02大約分別占總數(shù)密度的79%和21%，所以空氣的 平均分子重量隨高度變化不大
光化學(xué)反應(yīng)02+0+M—03
03+hv— 0^Ag)+0(10)
產(chǎn)生光化學(xué)激光的必要條件是(1)存在光化學(xué)儲(chǔ)能反應(yīng)(2)光化學(xué)儲(chǔ) 能反應(yīng)所儲(chǔ)存的能量必須轉(zhuǎn)換成碘原子的內(nèi)能，使其達(dá)到激發(fā)態(tài)，形成激光的
激發(fā)介質(zhì)以上兩個(gè)過(guò)程就是光化學(xué)激光的泵浦(pumping)或抽運(yùn)過(guò)程。(3) 不僅要產(chǎn)生激發(fā)態(tài)碘原子，而且要形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即要求光化學(xué)泵浦速率大 于各種消激發(fā)過(guò)程的速率。這里的消激發(fā)過(guò)程主要是水分子對(duì)激發(fā)態(tài)碘原子淬滅作用。好在平流層的水分子極少，不會(huì)產(chǎn)生較大的消激發(fā)作用。消激發(fā)過(guò)程 的速率遠(yuǎn)小于光化學(xué)泵浦速率。
氧激發(fā)態(tài)粒子O^Ag)同其它氣體分子碰撞后，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和能量傳 遞，因此有較長(zhǎng)的壽命(數(shù)十分鐘)。只有在氧激發(fā)態(tài)粒子O^Ag)與碘原子碰撞，才發(fā)生共振能量轉(zhuǎn)移，獲得激發(fā)態(tài)的碘1(^1/2)。激發(fā)態(tài)的碘lfPv2)受激光波長(zhǎng)為1.315pm光輻射微擾后，激發(fā)態(tài)的碘1(￥1/2)躍遷回碘的基態(tài)，再發(fā)出波長(zhǎng)為 L315pm的激光，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)為1.315pm的激光放大。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是(l)在平流層中按預(yù)先設(shè)計(jì)的 直線軌跡人為制作能級(jí)反轉(zhuǎn)(獲得布居)的光放大介質(zhì).(2)用機(jī)載小型氧碘激 光觸發(fā)光放大介質(zhì)發(fā)出強(qiáng)激光。詳細(xì)敘述如下
制作直線軌跡能級(jí)反轉(zhuǎn)(可獲得布居)的光放大介質(zhì)。由高空飛行器在距 地面20km到50km處的平流層，按照鹵素掩星試驗(yàn)(HALOE)的觀測(cè)資料，結(jié)合目 標(biāo)位置，設(shè)計(jì)好的直線路徑發(fā)射高速炮彈或小型高速飛行器。由于高速炮彈或 小型高速飛行器沿軌跡噴灑碘原子束。細(xì)小的碘原子束在平流層擴(kuò)散成粗大的 原子束。碘原子束在擴(kuò)散中與激發(fā)態(tài)的氧原子碰撞，共振能量轉(zhuǎn)移變成激發(fā)態(tài) 的碘原子束。激發(fā)態(tài)的碘原子束就是光放大介質(zhì)。制作直線軌跡能級(jí)反轉(zhuǎn)(可 獲得布居)的光放大介質(zhì)的技術(shù)難點(diǎn)在于高速炮彈或小型高速飛行器運(yùn)行軌跡 的曲線性和碘原子束光放大介質(zhì)的直線性的擬合。好在平流層的空氣密度較小， 氣壓只有10kp，空氣阻力很小，空氣流動(dòng)很小，高速炮彈或小型高速飛行器速 度變化不大，運(yùn)行軌跡的曲線接近直線，再加上碘原子束的擴(kuò)散為圓柱體，有 利于直線擬合。運(yùn)用計(jì)算機(jī)把碘軌跡參數(shù)和碘擴(kuò)散參數(shù)結(jié)合起來(lái)，擬定一條直 線性光放大介質(zhì)。
本發(fā)明是由目標(biāo)定向裝置，碘原子束準(zhǔn)直線軌跡拋灑裝置，機(jī)載氧碘激光 觸發(fā)器組成。其中目標(biāo)定向裝置由衛(wèi)星定位，遠(yuǎn)程雷達(dá)和計(jì)算機(jī)組成。碘原子 束準(zhǔn)直線軌跡拋灑裝置由高速炮彈或小型高速飛行器組成，高速炮彈或小型高 速飛行器內(nèi)部安裝碘蒸氣發(fā)生器，載碘量可滿足數(shù)十km的拋灑。機(jī)載氧碘激光 觸發(fā)器由小型氧碘激光器或碘激光器組成。目標(biāo)定向裝置確定碘原子束準(zhǔn)直線 軌跡拋灑裝置的拋灑軌跡的方向和位置，機(jī)載氧碘激光觸發(fā)器的激光方向由目 標(biāo)定向裝置的計(jì)算機(jī)根據(jù)目標(biāo)和碘原子束準(zhǔn)直線軌跡確定。
機(jī)載氧碘激光觸發(fā)器實(shí)際是一個(gè)小型氧碘激光器，也可以是碘激光器，它的作用是起光觸發(fā)的作用。由于光觸發(fā)需要一定的功率，也稱閾值功率。有關(guān) 小型氧碘激光器或碘激光器，采用成熟技術(shù)和產(chǎn)品。機(jī)載氧碘激光觸發(fā)器沿計(jì) 算機(jī)擬定的光放大介質(zhì)直線發(fā)出一束激光，激光的波長(zhǎng)和激發(fā)態(tài)的碘原子組成 的光放大介質(zhì)能級(jí)相同，該激光束在光放大介質(zhì)的放大下越來(lái)越強(qiáng)。這束激光
在100km以外可以燒毀或損壞各種飛行器。
具體實(shí)施例方式
假定在太陽(yáng)光直射下，北緯25度，高度25km的甲飛行器鎖定同緯度高度 100km距離200km的乙飛行器(低軌衛(wèi)星)。甲飛行器按計(jì)算機(jī)預(yù)定的軌跡發(fā)射 一個(gè)高速碘炮彈，速度為6馬赫接近1.8km/秒，射程約為90km，運(yùn)行時(shí)間為50 秒。22km處的溫度240k，空氣密度10kp，幾乎沒(méi)有水分子。碘原子的擴(kuò)散速度為 0.5m/秒，50秒后，擴(kuò)散成接近為直徑50米的圓柱體。擴(kuò)散過(guò)程中，碘原子與激 發(fā)態(tài)的氧共振，變成激發(fā)態(tài)的碘原子。由于沒(méi)有水分子或水分子極少，不會(huì)引 起激發(fā)態(tài)的碘原子的光淬滅。氧的激發(fā)態(tài)壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)十分鐘，客觀上積聚了數(shù) 十分鐘太陽(yáng)的紫外輻射能量。共振轉(zhuǎn)移后的激發(fā)態(tài)的碘原子，每千米的增益在 千焦以上。地球半徑為4700km，按照拋物運(yùn)動(dòng)規(guī)律，曲線擬合直線部分接近 50km。此時(shí)甲飛行器發(fā)射一束碘激光，50km后的光功率達(dá)到上百千焦。由于強(qiáng) 光有自聚焦現(xiàn)象，聚焦后射到乙飛行器的可達(dá)到兆焦。兆焦級(jí)的光能可直接燒 毀或損壞乙飛行器。
本發(fā)明有巨大的軍用應(yīng)用價(jià)值，它的運(yùn)用可顯著增加國(guó)防能力。它的原理 有可能發(fā)展為新型高空雷達(dá)，發(fā)現(xiàn)并摧毀隱形飛機(jī)或各類飛行器。
權(quán)利要求
1、一種機(jī)載氧碘激光裝置，其特征是由目標(biāo)定向裝置，碘原子束準(zhǔn)直線軌跡拋灑裝置，機(jī)載氧碘激光觸發(fā)器組成，(1)在平流層中按預(yù)先設(shè)計(jì)的直線軌跡人為制作能級(jí)反轉(zhuǎn)(獲得布居)的光放大介質(zhì).(2)用機(jī)載小型氧碘激光觸發(fā)光放大介質(zhì)發(fā)出強(qiáng)激光。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種機(jī)載氧碘激光裝置，其特征是目標(biāo)定向裝 置由衛(wèi)星定位，遠(yuǎn)程雷達(dá)和計(jì)算機(jī)組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種機(jī)載氧碘激光裝置，其特征是碘原子束準(zhǔn) 直線軌跡拋灑裝置由高速炮彈或小型高速飛行器組成，高速炮彈或小型高速飛 行器內(nèi)部安裝碘蒸氣發(fā)生器，載碘量可滿足數(shù)十km的拋灑。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種機(jī)載氧碘激光裝置，其特征是機(jī)載氧碘激 光觸發(fā)器由小型氧碘激光器或碘激光器組成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種機(jī)載氧碘激光裝置，其特征是機(jī)載氧碘激光觸發(fā)器的激光方向由目標(biāo)定向裝置根據(jù)目標(biāo)和碘原子束準(zhǔn)直線軌跡確定。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種機(jī)載氧碘激光裝置，其特征是機(jī)載氧碘激 光觸發(fā)器的激光方向由目標(biāo)定向裝置根據(jù)目標(biāo)和碘原子束準(zhǔn)直線軌跡確定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氧碘激光裝置，尤其是在大氣層平流層中，采用太陽(yáng)光激勵(lì)，適合機(jī)載的氧碘激光器。本發(fā)明是由目標(biāo)定向裝置，碘原子束準(zhǔn)直線軌跡拋灑裝置，機(jī)載氧碘激光觸發(fā)器組成。機(jī)載氧碘激光觸發(fā)器沿計(jì)算機(jī)擬定的光放大介質(zhì)直線發(fā)出一束激光，激光的波長(zhǎng)和激發(fā)態(tài)的碘原子組成的光放大介質(zhì)能級(jí)相同，該激光束在光放大介質(zhì)的放大下越來(lái)越強(qiáng)。這束激光在100km以外可以燒毀或損壞各種飛行器。
文檔編號(hào)H01S3/09GK101174755SQ200710139529
公開(kāi)日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2007年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月30日
發(fā)明者磊 南, 南引明 申請(qǐng)人:運(yùn)城學(xué)院