超音速流れを利用した高効率酸素ヨウ素化学レーザーの開発

1995 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 07555340
• Research Category: Grant-in-Aid for Developmental Scientific Research (B)
• Research Institution: Nagaoka University of Technology
• Principal Investigator: 藤井 信行 長岡技術科学大学, 工学部, 教授 (50011119)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤井 洋雄 川崎重工(株), 関東技研 光技術研究所, 主査 ; 熱田 稔雄 川崎重工(株), 関東技研 光技術研究所, 部長 ; 菱田 学 長岡技術科学大学, 工学部, 助手 (60262870) ; 増田 渉 長岡技術科学大学, 工学部, 教授 (80143816) ; 小林 高臣 長岡技術科学大学, 工学部, 助手 (90225516)
• Keywords: 化学レーザー / 励起酸素 / ヨウ素 / 反応性流れ / 凝縮 / 数値シミュレーション / 放電励起

Research Abstract

化学励起酸素ヨウ素レーザー(COIL)は過酸化水素と塩素の反応により発生する励起酸からヨウ素原子へのエネルギー移動により1.3mmで発振するレーザーである。従来の亜音速流れを超音速とすることで、ヨウ素の励起効率を高め、レーザー装置の小型大出力化が期待される。また、化学法の代わりに放電法を採用することにより、水蒸気凝縮器が不要となり、さらに励起ヨウ素原子を直接導入できれば、より効率よくヨウ素原子を励起でき、コンパクトなレーザー装置の開発が期待できる。
超音速COILの励起酸素発生器で生成する水蒸気は励起ヨウ素原子を失活させるので、トラップによって除去されるが、一部はトラップを通過して超音速ノズルに流入する。そこで、ワークステーションを用い、準一次元または2次元の流体力学方程式/化学反応式/凝縮の式を連立させて数値的に解き、レーザー性能におよぼす水蒸気凝縮の効果を検討した。その結果、超音速膨張によって水蒸気は凝縮により減少するが、水蒸気凝縮による潜熱が流れ中に放出され、超音速流れの温度は上昇することが判明した。これらの相反する効果は総合的にはレーザー出力を低下させることが明らかにされた。また、凝縮により生成する水滴の直径はレーザー波長より小さく、レイリー散乱を発生させるが、これによる光の損失は無視できることが明らかになった。
一方、放電系では励起一重項酸素からのヨウ素原子励起を効率よく達成させることが必要である。励起酸素はヨウ素分子を原子に解離させる過程にも消費されるので、放電によるヨウ素の解離過程、ならびに解離したヨウ素原子への励起酸素からのエネルギー移動反応効率の検討を行った。グロー内の反応種の発光を光スペクトロ測定装置で測定した結果、酸素放電とヨウ素放電を組み合わせた場合に解離ヨウ素の励起が効果的に生じることが明らかになった

Research Products

• [Publications] W.Masuda,M.Satoh and H.Yamada: "Effects of Water Vapor Condensation on the Performance of Supersonic Flow Chemical Oxygen-Iodine Laser" JSME Int. J., Series B,. (to be published.).
• [Publications] W.Masuda,M.Satoh,H.Fujii and T.Atsuta: "Numerical Simulation of a Supersonic Flow Chemical Oxygen-Iodine Laser Solving Navier-Stokes Equations" JSME Int. J., Series B,. (to be published.).
• [Publications] 佐藤直人、小林高臣、野坂芳雄、藤井信行: "酸素放電糸における励起ヨウ素原子の生成に関する研究" 日本化学会第70春季年会(1996年). (発表予定).