超音速よう素レーザーのパルス発振特性の解明

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12650160
• Research Institution: Nagaoka University of Technology
• Principal Investigator: 増田 渉 長岡技術科学大学, 工学部, 教授 (80143816)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鈴木 正太郎 長岡技術科学大学, 工学部, 助手 (10282576)
• Keywords: 超音速よう素レーザー / 化学レーザー / Qスイッチ発振 / 数値計算

Research Abstract

超音速流よう素レーザ(SCOIL)のQスイッチ(パルス)発振は、実用化の可能性が実証されているが、その発振特性には不明な点が多い。本研究は、その特性を、数値シミュレーションによって解明し定量化することを目的としたものである。定量的評価を行うためには、より精密な化学反応モデルと光学モデルを適用して計算を行い、SCOILのQスイッチ発振の詳細なメカニズム、レーザ発振と流れ場の干渉現象、レーザビームの質(モード)などを調べることが必要である。特に、回折やビームの質などの光学的な特性を評価するためには、幾何光学では不十分であり、波動光学の計算が不可欠である。初年度である前年度は、まず、波動光学の計算を確立するため、非定常近軸波動方程式を導出し、これを用いて新たに光学計算のコードを開発した。この結果に基づいて、本年度はより詳細なQスイッチ発振特性の検討を行った。
流体計算については3次元ナビエ・ストークス方程式を計算した。流体を構成する化学種は10種とし、化学反応については、よう素原子の励起に関与する21段に、レーザ発振に関与する4段加え、計25段を採用した。この流体計算と、非定常近軸波動方程式による光学計算を組み合わせることにより、Qスイッチ発振におけるレーザ出力の空間的な強度分布や時間的な変化を計算により求め、その挙動を評価した。
計算結果を詳細に調べたところ、レーザは発振開始直後にはほとんど発振が起こらず、開始後50 nsで急激に強度を増し始めて90 nsでピークに達し、その後減少して、定常発振に近いと思われる25, 000 nsまでにピーク時の1割程度になるという出力の推移がわかった。出力の空間分布をみると、ピーク時に得られるレーザ出力強度の分布が空間的にほぼ均一であるのに対して、定常発振時には、エネルギーが供給される上流側、発振領域中央付近で強く、それ以外の領域で弱い、偏った山なりの分布となることがわかった。ピーク時に出力強度分布が均一であるため、定常発振時における山なりの分布に比べてかえって回折の効果が大きく現れてしまい、そのためにレーザの質がやや劣る結果となることが分かった。

Research Products

• [Publications] M.Suzuki, T.Suzuki, W.Masuda: "Numerical simulation of throat-mixing system for supersonic flow chemical oxygen-iodine laser"Proc. XIII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers and High-Power Laser Conference. 99-102 (2000)