非鏈式HF/DF激光器的研究進展

王　旭，謝冀江，潘其坤，王春銳，邵春雷，邵明振

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所

激光與物質相互作用國家重點實驗室，吉林 長春130033;2.中國科學院大學，北京100049)

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非鏈式HF/DF激光器的研究進展

王旭1,2，謝冀江1*，潘其坤1，王春銳1，邵春雷1，邵明振1

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所

激光與物質相互作用國家重點實驗室，吉林 長春130033;2.中國科學院大學，北京100049)

摘要：HF/DF激光器是中紅外波段能提供最高能量輸出的激光光源，也是中紅外波段應用非常廣泛的相干光源。本文介紹了近幾年國內外關于非鏈式HF/DF激光器的研究進展及其成果應用，分析了非鏈式HF/DF激光器在應用方面的優(yōu)缺點，總結了實現(xiàn)非鏈式HF/DF激光輸出的關鍵技術和存在的問題，指出了該技術的未來發(fā)展方向。

關鍵詞:HF/DF激光器；非鏈式；放電引發(fā)方式；激光應用

Research progress of non-chain HF/DF laser

1引言

輻射波段2.7~3.1 μm(HF)，3.5~4.2 μm(DF)的HF/DF化學激光器[1-3]，由于其易于實現(xiàn)高功率輸出、光束質量好、輻射光譜豐富等特點被廣泛地應用于光電對抗、環(huán)境檢測、激光雷達、激光化學、激光光譜學等領域[4-11]。HF/DF激光的產生方式主要有鏈式和非鏈式兩種反應類型。鏈式反應激光器一般采用H2(或D2)與F2的混合物作為反應介質，利用閃光、放電、燃燒等方式使氣體分子裂解實現(xiàn)混合氣體鏈式反應。非鏈式反應激光器一般使用含氟化合物與H2(或D2)或者是碳氫化合物(碳氘化合物)在放電引發(fā)或光解引發(fā)等條件下發(fā)生非鏈式化學反應。

鏈式的HF/DF激光器多采用燃燒驅動的方式，產生高能態(tài)的HF(DF)分子，理論上可以在v=1→10的各個振動能級上躍遷。該類激光器是化學激光器，利用放熱的化學反應產生粒子數(shù)反轉，因此激光的輸出功率不受注入能量的限制，可以較為容易地實現(xiàn)大功率和高效率的輸出。但這類激光器缺點也很明顯，即燃燒驅動的鏈式反應，由于存在支鏈反應而有爆炸的危險。

非鏈式的HF/DF激光器大多采用放電引發(fā)的方式，主要有預電離放電技術、自引發(fā)放電技術和電感引發(fā)放電技術等。放電引發(fā)的非鏈式反應利用高能電子碰撞解離含氟化合物(SF6)中的氟原子，氟原子和H2(D2)或碳氫化合物(碳氘化合物)反應生成高能態(tài)的HF(或DF)分子。非鏈式反應釋放的能量較鏈式反應小，反應生成的HF/DF分子布局在v=1→4振動能級上。非鏈式HF/DF激光器反應物質無毒、無腐蝕性且沒有支鏈反應，克服了鏈式激光器重頻運轉下易爆炸和不可控的缺點，同時其光束質量更好，結構緊湊便于實現(xiàn)小型化。但由于F原子需要高能電子碰撞解離含氟化合物才能生成，因而激光器的輸出功率受外界引發(fā)條件的限制，造成非鏈式HF/DF激光器的電光轉換效率不高[12]。

目前，隨著新型放電方式及其他技術的改進，非鏈式HF/DF激光器的輸出功率及電光轉換效率有了很大的提高，所以近年來非鏈式HF/DF激光器的技術的發(fā)展受到廣泛關注。本文主要介紹近年來非鏈式HF/DF激光器的發(fā)展狀況，并對HF/DF激光器的發(fā)展現(xiàn)狀、關鍵技術和存在的問題進行綜合分析，在此基礎上指出該技術的未來發(fā)展方向。

2非鏈式HF/DF激光器的放電引發(fā)技術

非鏈式HF/DF化學激光器問世于20世紀60年代，由于其特殊的波段及廣泛的應用范圍吸引了許多研究者的目光[13-15]。1967年美國科學家Deutsch利用縱向放電形式首次得到了HF激光輸出[1]。同年德國科學家Kompa等人利用閃光光解引發(fā)方式在UF6和D2的混合物中得到DF激光輻射[2]。一直以來提高激光能量都是激光技術非常重要的研究內容，HF/DF激光技術的發(fā)展主要是從改進引發(fā)方法和工作介質兩方面提高激光能量。

2.1　預電離放電技術

在眾多的含氟化合物(UF6、N2F4、NF3、SF6)中SF6由于其無毒、無腐蝕性、化學性質穩(wěn)定(室溫條件下不會分解)且可以使HF/DF激光器得到最大的脈沖能量輸出和電效率，因而在非鏈式HF/DF激光器中是最好的F原子施主[16]。雖然SF6是最好的F原子施主，但是SF6具有很強的電子吸附能力，不容易得到均勻穩(wěn)定大體積的輝光放電，使得反應物質中的能量沉積率較低，整個激光器的輸出功率難以提高。20世紀60、70年代為了解決這一問題，在CO2激光器的放電技術的基礎上提出了紫外預電離[17-18]、電子束預電離[19-20]、X射線預電離[21-22]等放電技術，其放電示意圖分別如圖1~3所示。運用這些技術，成功將激光器的輸出能量提高到了焦耳量級。

圖1　紫外預電離示意圖 Fig.1　Schematic plot of UV preionization

圖2　電子束預電離示意圖 Fig.2　Schematic plot of electron-beam preionization

圖3　X射線預電離示意圖 Fig.3　Schematic plot of X-ray preionization

紫外預電離技術是在主放電發(fā)生之前利用紫外光照射主放電區(qū)域，產生一定濃度的初始電子，進而產生均勻無弧的輝光放電。電子束預電離是在激光器放電區(qū)中注入高能電子束，產生維持放電電流所必須的電離度，以便產生大體積的輝光放電。X射線預電離是利用高能電子束通過金屬箔，形成高密度金屬等離子體，發(fā)射X射線，進入放電區(qū)使氣體預電離，最終形成大體積的輝光放電。預電離放電技術雖然解決了強電負性氣體大體積輝光放電的難題，但是預電離條件下的放電不夠均勻，預電離器件體積大、壽命短、箔膜材料可靠性低等缺陷制約了該技術的發(fā)展。而對于HF/DF激光器來說，預電離技術產生的輝光放電均勻性較差，輸出功率難以提高，且電光轉換效率低，限制了HF/DF激光器性能的提高。

2.2　自引發(fā)放電技術

2000年左右俄羅斯科學院普通物理所的Firsov等人提出了自引發(fā)放電技術，實驗得到了單脈沖能量403 J的HF激光輸出與325 J的DF激光輸出[23]，是目前報道的最高單脈沖能量輸出。

自引發(fā)放電技術是在傳統(tǒng)預電離和自持體放電技術的基礎上研發(fā)而成，利用均勻粗糙度表面的陰極而無需預電離就能得到均勻穩(wěn)定的輝光放電，圖4給出了放電示意圖。其特點是可以極大地增加激光器的激活體積和能量的沉積(注入能量可達到200 J/L)，而且對于電極面型沒有特殊要求，易于加工。迄今為止自引發(fā)放電中的許多物理過程還沒有統(tǒng)一的物理模型，對于其研究還處于摸索階段。相信隨著對自引發(fā)放電現(xiàn)象物理原理認識的加深，利用這一技術可以得到更高能量的激光輸出[24-26]。

圖4　自引發(fā)放電示意圖 Fig.4　Schematic plot of self-initiated volume discharge

2.3　逃逸電子彌漫放電技術

近年來又出現(xiàn)了一種新型的放電方式—逃逸電子彌漫放電(Diffuse Discharge Formed by Run-Away Electrons簡稱REP DD)。2010年俄羅斯的Tarasenko 等人對REP DD[27-28]做了大量的研究。利用這種放電方式可以得到幾納秒到幾十納秒的超短放電脈沖，其特點是能量沉積率高(可達90%以上)，可以應用于大間隙的氣體放電，且不需要附加電離源。圖5是REP DD放電實驗放電腔示意圖。該放電裝置利用SAEB-150電壓發(fā)生器產生幅度為150 kV，上升時間為0.3 ns的高電壓短脈沖，此電壓脈沖擊穿放電腔中的混合氣體產生脈寬極窄的激光。2014年，Panchenko等人利用上述的放電方式得到最大脈沖能量為55 mJ，內效率為10%的高效短脈沖HF激光輸出和脈沖能量為40 mJ，內效率為8%的DF激光輸出[29]。

圖5　REP DD放電示意圖 Fig.5　Schematic plot of REP DD

2.4　電感放電技術

為了提高HF/DF激光器中體積放電的均勻性，俄羅斯的Razhev等人提出了利用電感引發(fā)[30-31]HF化學反應的技術。利用電磁線圈產生的電磁場能量激勵SF6和H2混合物發(fā)生化學反應產生HF激光。其實驗電路如圖6所示。

圖6　電感式放電引發(fā)電路圖 Fig.6　Schematic plot of inductive discharge initiation

圖中L是引發(fā)電感，其長度就是激活體積的長度；THY是實現(xiàn)高壓開關脈沖的閘流管；C1、C2是兩個儲能電容；DT是內充混合氣體的陶瓷放電管；W1和W2是MgF2窗口；M是鍍金反射鏡，W1和M組成諧振腔輸出激光。電感放電方式避免了電極放電中由于電場的不均勻性造成的放電收縮進而降低輸出激光能量，還大幅減小了激光脈沖間振幅的波動，而且避免了電極腐蝕產物對放電腔的污染。利用上述引發(fā)方式于2013年實驗得到單脈沖能量10 mJ，峰值功率5 kW，脈沖持續(xù)時間5 μs的HF激光輸出[32]。

3非鏈式HF/DF激光器研究進展及應用

3.1　非鏈式HF/DF激光器的研究進展

20世紀90年代，法國的Brunet等人提出利用光觸發(fā)放電技術引發(fā)SF6混合物的化學反應以產生HF/DF激光。Brunet等人利用光觸發(fā)放電技術研究了各種含H/D化合物對激光輸出能量的影響，發(fā)現(xiàn)C2H6代替H2可以得到更均勻的放電和更大的激光能量輸出，同理利用碳氘化合物代替D2也可以提高輸出激光能量，性價比最高的是C6H12。在SF6和C2H6的混合氣體中得到了單脈沖12J的HF激光輸出，在SF6和C6D12中得到了單脈沖8 J的DF激光輸出[33-34]。

從2003年開始俄羅斯科學院強流所Tarasenko等人對非鏈式脈沖HF/DF激光器的電光轉換效率進行了大量實驗研究。通過改變儲能放電電路以減小放電后的電能殘余，達到提高能量沉積率提高電光轉換效率的目的。并對放電電場均勻性、預電離強度、放電脈沖時間以及混合物組分和特性對電光轉換效率的影響做了研究，發(fā)現(xiàn)放電間隙間電場越均勻最終的輸出能量越高；強烈的預電離可以避免放電收縮，提高輸出能量；泵浦脈沖時間越短輸出能量越大。在優(yōu)化以上實驗條件下總的電光轉換效率可達5%~6%[35]。

近年來關于非鏈式HF/DF激光器的研究主要集中在重復頻率運轉方面。對于脈沖激光器來說重復頻率運轉是衡量激光器性能的重要指標，化學激光器由于在反應過程中會消耗反應物質，在重復頻率運轉方面一直很難做出突破。俄羅斯聯(lián)邦原子能中心的Velikanov等人，經過研究發(fā)現(xiàn)影響HF/DF激光器重頻運轉能力的原因，除了化學反應生成物中基態(tài)的HF/DF分子對激光的消激發(fā)作用(已于20世紀90年代，由法國的H.BRUNET等人通過增加分子篩或堿性吸附劑的方法得到解決)之外，最重要的原因是激光器中的聲波擾動，會使放電間隙內的反應物不均勻，從而引起放電的不均勻，最終導致激光器的功率和頻率的下降。解決方法是引入結構組件來抑制聲波，還可以添加緩沖氣體和增大風速以提高清洗系數(shù)，來達到增加重復頻率的目的。在2009年研制出了輸出功率為40 W、重復頻率超過2 000 Hz、電光轉換效率約為2%的HF激光器和輸出功率為33 W、重復頻率超過2 200 Hz、電光轉換效率約為1.6%的DF激光器[36]。

我國的HF/DF激光器的研究工作起步較晚，與先進國家相比還存在較大的差距，還處于理論學習和技術積累階段。目前只有少數(shù)單位開展了這方面的研究，主要的研究單位有中科院電子所、西北核技術研究所、長春光機所、大連化物所等。中科院電子所在2007年采用側面滑閃預電離技術研制了一臺重復頻率為1~3 Hz，最大激光脈沖能量為1.6 J(1.2 J)的HF(DF)激光器[37]，在2010年又利用紫外預電離自持放電技術得到350 mJ的HF激光脈沖輸出，激光峰值功率達到了1.4 MW，電光轉換效率為1.6%[38]。西北核技術研究所在2011年研制出了最大單脈沖能量為0.6 J，峰值功率為3 MW，重復頻率為50 Hz，平均功率為13 W，電光轉換效率為2.4%的非鏈式HF激光器[41]。長春光學精密機械與物理研究所在2014年獲得了單脈沖最大能量為4.95 J，峰值功率為33.27 MW的DF激光輸出[44]。近年來國內外關于HF激光的重要成果見表1。

表1　非鏈式HF激光器的研究進展

3.2　非鏈式HF/DF激光器的應用

中紅外波段是許多氣體分子的吸收峰所在的波段，所以利用HF/DF激光可以很容易探測多種氣體污染物(CO、NO、硫化物等)，也可以利用HF/DF激光泵浦其他激勵物質，從而獲得其他波段的激光。

2005年Agroskin等人利用基于DF激光器雷達系統(tǒng)檢測氣溶膠顆粒背向散射光譜的實驗，實驗檢測了煤油、蒸餾水、工業(yè)用油(石油產品)和二丁胺(DBA)的相對后向散射系數(shù)，DF激光雷達系統(tǒng)可以精確地鑒別出這幾類物質[6]。

2003年Yuri N.Frolov等人研究了利用DF激光探測地下礦道中甲烷濃度的方法，制作出了激光雷達系統(tǒng)模型和地下環(huán)境模擬實驗模型，在濕度大于90%、粉塵濃度為10 mg/m3條件下，檢測了甲烷濃度在0.1%~3%區(qū)域內DF激光各支激光能量的吸收系數(shù)，實驗證明甲烷濃度為0~0.75%最大吸收系數(shù)在P1(9)支；濃度為0.75~2.75%最大吸收系數(shù)在P2(5)支[7]。

2004年俄羅斯的Burtsev等人利用DF激光的2P9線泵浦HBr氣體，得到了轉換效率為2%、輻射波長為4 μm的HBr激光[4-5]。

2014年俄羅斯的Firsov等利用HF激光在室溫下泵浦ZnSe∶Fe2+晶體，得到了中心波長為4.5 μm，轉換效率為40%的ZnSe∶Fe2+激光[49-51]，其實驗光路示意圖如圖7所示，其中F是濾波器，L是透鏡，W是BaF2光楔，M1、M2是激光腔鏡，C1、C2、C3是能量計。

圖7　ZnSe∶Fe2+激光生成示意圖 Fig.7　Schematic plot of ZnSe∶Fe2+ laser

用于環(huán)境監(jiān)測的激光雷達要求激光脈沖的能量波動盡可能小從而可以精確地檢測污染物的濃度，還要求脈沖輸出以實現(xiàn)實時監(jiān)控。現(xiàn)有的HF/DF激光器在穩(wěn)定運轉方面還存在許多問題，由于放電不均勻、反應生成物的消激發(fā)作用等原因脈沖能量波動很明顯，對于監(jiān)測的精確度和實時性有相當大的不良影響；另外影響HF/DF激光器實際應用更重要的一點是其龐大的體積，這對探測系統(tǒng)的靈活性造成致命的影響，這是HF/DF激光器走向實用亟待解決的問題。

基于HF/DF激光輻射波段的特點，伴隨著技術的發(fā)展，更高功率和更長時間穩(wěn)定運行的HF/DF激光器還可能在軍事紅外探測、激光生物、高精度激光手術等領域得到應用。

4非鏈式HF/DF激光器存在的問題及未來發(fā)展展望

化學激光器最大的優(yōu)勢是易于實現(xiàn)高功率輸出，因為其形成粒子數(shù)反轉不需要外界激勵源不斷泵浦，依靠化學反應釋放的能量泵浦粒子以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，因而其能量轉換效率很高甚至可以超過100%(如鏈式HF激光器能量轉換效率可以高達200%)。但非鏈式HF激光器的電光轉換效率普遍較低(一般不超過5%)，是由于電能全部用來解離含氟化合物以產生F原子，而化學反應釋放的能量也不是全部轉化為HF/DF激光的能量，與注入總能量相比最終轉化為激光的能量只占很小的一部分。同時也造成激光脈沖能量難以大幅度提高。另外，非鏈式HF/DF激光器實現(xiàn)激光輸出的同時不斷的消耗反應物質，造成激光器不能持續(xù)穩(wěn)定的輸出激光脈沖。

引發(fā)方式是非鏈式HF/DF激光器的核心技術，是對輸出功率和電光轉換效率影響最大的技術，可以從泵浦源方面提高激光器的工作能力。尋找更加均勻穩(wěn)定的放電方式是提高非鏈式HF/DF脈沖激光器功率的最重要方法，自引發(fā)放電技術是目前獲得HF/DF激光脈沖能量最高的引發(fā)方式，實驗已經獲得單脈沖能量為300~400 J的能量輸出，預期可達到上千焦耳的單脈沖輸出，是目前最有潛力的引發(fā)方式之一，代表著非鏈式HF/DF激光器放電引發(fā)方式的發(fā)展方向。

另外非鏈式HF/DF激光器也向著高重復頻率和脈沖能量穩(wěn)定方面發(fā)展，反應生成物的清除和反應氣體的補充以及合理的氣體流道設計是解決重頻運轉問題的關鍵技術。目前清除反應生成物的方法主要有化學吸附和物理吸附兩種，化學吸附是利用堿性材料與反應生成的HF(DF)分子發(fā)生化學反應以去除HF(DF)分子。物理吸附是利用分子篩、活性炭等物質將HF(DF)分子束縛在吸附材料中以清除激光腔中的HF(DF)?，F(xiàn)有的非鏈式HF/DF激光器由于沒有對腔內氣體組成成分的定量分析的技術，所以很難對氣體進行精確的補充。如果能夠對激光腔內的氣體組分做到精確的分析，激光器的重頻工作能力將得到很大的提升。

中紅外激光是一特殊波段的激光，無論是大氣窗口可以用于激光雷達中，還是許多化學分子的吸收峰值所在波段可以用于許多激光物理化學實驗之中，或是人體骨骼可以強烈吸收的波段可以用于高精度的激光手術中，非鏈式HF/DF激光器是中紅外波段少數(shù)能夠提供高功率輸出的激光器之一。鑒于HF/DF激光波段的重要性，及激光器的輸出能量和重頻運轉能力的不斷提升，國內外研究者對它的關注程度日益提高。我國對HF/DF激光器的研究工作已經取得了許多成果，但與國際水平相比還存在許多不足。近年來國內越來越多的研究機構開展了HF/DF激光項目的研究，相信隨著研究工作的深入，我國該類激光器技術將取得巨大的成果。

5結束語

非鏈式脈沖HF/DF激光器是中紅外波段最容易實現(xiàn)高功率輸出的激光光源，正越來越多地受到研究者的關注。從目前的HF/DF激光器的發(fā)展來看，引發(fā)方式是HF/DF激光器的核心技術，自引發(fā)放電技術是最有可能突破kJ量級能量輸出的引發(fā)方式，REP DD放電技術在短脈沖放電方面占據(jù)優(yōu)勢，電感放電方式得到的激光能量更加穩(wěn)定。目前，非鏈式HF/DF激光器最大單脈沖已達到300 J，重復頻率運轉已超過2 000 Hz，被應用在大氣監(jiān)測、激光泵浦源等方面。基于該類激光器高能量、高光束質量和人體組織對中紅外激光選擇吸收的特點，未來在光電對抗和高精度激光手術中也可能得到應用。今后非鏈式HF/DF激光器向著高功率、低重頻，或低功率、高重復頻率、高穩(wěn)定性方面發(fā)展。

參考文獻：

[1]DEUTSCH T F. Laser emission from HF rotational transitions[J].Appl.Phys.Lett.,1967,11(1):18-20.

[2]KOMPA K L,PIMENTEL G C. Hydrofluoric acid chemical laser[J].JChem.Phys.,1967,47(2):857-858.

[3]PLNNLER H,KOMPA K L. Investigation of l-J pulsed discharge-initiated HF laser[J].App.Phys.Lett.,1972，20：356-357.

[4]BURTSEV A P,BURTSEVA I G,MASHENDZHINOV V I,etal.. New HBr-laser with resonant optical pumping by DF-laser radiation[J].SPIE，2004，5479：174-176.

[5]BURTSEV A P,BURTSEVA I G,MASHENDZHINOV V I,etal.. Lasing of molecular HBr in the four micron region pumped by a DF-laser[J].SPIE，2005，5777：528-530.

[6]AGROSKIN V Y,BRAVY B G,CHERNYSHEV Y A,etal.. Aerosol sounding with a lidar system based on a DF laser[J].AppliedPhysicsB，2005，81：1149-1154.

[7]FROLOV Y N,VELIKANOV S D,LAZARENKO V I,etal.. Remote laser analyzer for methane sensing in the air of subterranean spaces[J].SPIE，2003，4882：540-547.

[8]APOLLONOV V V. High power lasers for space debris elimination[J].ChineseOptics，2013，6(2):187-195.

[9]KOOSNER M,WU C,HELLER D F. Mid-IR laser system for advanced neurosurgery[J].SPIE，2014， 8928：1-13.

[10]羅威，董文鋒，楊華兵,等.高功率激光器發(fā)展趨勢[J].激光與紅外，2013，43(8)：845-852.

LUO W,DONG W F,YANG H B,etal.. Development trend of high power lasers[J].Laser&Infrared，2013，43(8)：845-852.(in Chinese)

[11]周偉，張丹丹.美國?；す馕淦鞯陌l(fā)展[J].航天電子對抗，2014，30(3)：8-11.

ZHOU W,ZHANG D D. The development of US sea-based laser weapons[J].AerospaceElectronicWarfare，2014，30(3)：8-11.(in Chinese)

[12]阮鵬.放電引發(fā)非鏈式脈沖DF激光機理研究[D].長春:中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所),2014.

RUAN P. Research on mechanism of non-chain pulsed electric-discharge DF laser[D]. Changchun:Chinese Academy of Sciences(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics),2014.(in Chinese)

[13]柯常軍，萬重怡.放電引發(fā)非鏈式脈沖HF/DF激光器的研究進展[J].激光與紅外,2003，33(4)： 304-305.

KE CH J,WAN CH Y. Status and prospect of electric-discharge non-chain pulsed HF laser[J].Laser&Infrared，2003，33(4)：304-305.(in Chinese)

[14]郭汝海，施龍，王思雯,等.HF/DF化學激光器的研究進展[J].光機電信息，2010，03：30-35.

GUO R H,SHI L,WANG S W,etal.. Development review of HF/DF chemical lasers[J].OMEInformation，2010，03：30-35.(in Chinese)

[15]譚改娟，謝冀江，張來明,等.中波紅外激光技術最新進展[J].中國光學，2013，6(4)：501-512.

TAN G J,XIE J J,ZHANG L M,etal.. Recent progress in mid-infrared laser technology[J].ChineseOptics，2013，6(4)：501-512.(in Chinese)

[16]RICHEBOEUF L,PASQUIERS S,LEGENTIL M,etal.. The influence of H2and C2H6molecules on discharge equilibrium and F-atom production in a photo-triggered HF laser using SF6[J].JPhys.D:ApplPhys.,1998，31：373-389.

[17]MARCHETT R,PENCO E,SALVETTI G. Relative influence of hydrogen/deuterium donors and driving circuit parameters on the performance of a UV preionized pulsed HF/DF laser[J].JAppl.Phys.,1981，52(12)：7047-7051.

[18]BRUNET H,MABRU M,SERRA J R,etal.. Pulsed HF chemical laser using a VUV photo-triggered discharge[J].SPIE，1990，1397：273-276.

[19]ORLOWSKII V M,POTERYAEV A G,TARASENKO V F. CO2-lasers pumped by E-beam controlled discharge and E-beam ignited discharge[C]. International Conference on Lasers,McLean,USA,1997:754-760.

[20]INAGAKI H,KANNARI F,SUDA A,etal.. High efficiency multikilojoule deuterium fluoride(DF) chemical lasers initiated by intense electron beams[J].JAppl.Phys.，1986，59(2)：324-326.

[21]ARAI T,OBARA M,FUJIOKA T. A cw X-ray preionizer for high-repetition-rate gas lasers[J].Appl.Phys.Lett.，1980，36(4)：235-237.

[22]LETARDI T,LAZZARO P D,GIORDANO G,etal.. Large area X-Ray preionizer for electric discharge lasers[J].Appl.Phys.B，1989，48(1)：55-58.

[23]APOLLONOV V V,FIRSOV K N,KAZANTSEV S Y,etal.. Scaling up of non-chain HF(DF)-laser initiated by self-sustained volume discharge[J].SPIE，2000，3886：370-381.

[24]BELEVTSEV A A,KAZANTSEV S Y,KONONOV I G,etal.. Detachment instability of self-sustained volume discharge in active media of non-chain HF(DF) lasers[J] .QuantumElectronics，2010，40 (6)：484-489.

[25]BELEVTSEV A A,FIRSOV K N,KAZANTSEV S Y,etal.. Electron detachment instability and self-organization of gas discharge plasma in working mixture of chemical non-chain HF(DF) lasers[J].ChineseOptics， 2011，4(1)：31-40.

[26]ZHANG G,KE C J,ZHANG S J. Diffuse volume-discharges without pre-ionization formed in SF6and C2H6mixtures[J].J.Electronics(China)，2014，31(3)：267-270.

[27]TARASENKO V F,BAKSHT E K,BURACHENKO A G ,etal.. High-pressure runaway-electron -preionized diffuse discharges in a nonuniform electric field[J].Techn.Phys.，2010，55 (2)：210-218.

[28]LOMAEV M I,SOROKIN D A,TARASENKO V F. VUV radiation of binary mixtures of argon and helium with xenon accompanying a diffuse nanosecond discharge in an inhomogeneous electric field[J].Opt.Atmos.Okeana，2012，25：253.

[29]PANCHENKO A N,PANCHENKO N A,LOMAEV M I,etal.. UV, visible, and IR lasers pumped by the diffuse discharge formed by run-away electrons[J].Atmos.Ocean.Opt.，2014，27 (2)：200-203.

[30]RAZHEV A M,CHURKIN D S,ZHUPIKOV A A. Study of the UV emission of an inductive nitrogen laser[J].QuantumElectron，2009，39(10)：901-905.

[31]RAZHEV A M,CHURKIN D S. Pulsed inductive discharge CO2laser[J].Opt.Commun.,2009，282：1354-1357.

[32]RAZHEV A M,CHURKIN D S,KARGAPOLTSEV E S,etal.. Chemical HF laser with pulsed inductive discharge initiation[J].LaserPhys.Lett.,2013,10:075002(4pp).

[33]BRUNET H. Improved DF performance of a repetitively pulsed HF/DF laser using a deuterated compound[J].SPIE，1997 ，3092：494-497.

[34]BRUNET H,MABRU M.VOIGNIER F. High-energy high-power pulsed HF/DF chemical laser[J].GasFlowandChemicalLasers，SPIE，1994，2502：388-392.

[35]TARASENKO V F,PANCHENKO A N. Efficient discharge-pumped non-chain HF and DF lasers[J].SPIE，2006，6101：1-9.

[36]VELIKANOV S D，EVDOKIMOV P А，ZAPOLSKY А F,etal.. Pulse periodic HF(DF)-laser of atmospheric pressure with pulse repetition rate up to 2200 Hz[J].SPIE,2009,7131:71310.

[37]柯常軍，張闊海，孫科,等.重復頻率放電引發(fā)的脈沖HF(DF)激光器[J].紅外與激光工程,2007,36:36-38.

KE CH J,ZHANG K H,SUN K,etal.. A periodically pulsed HF/DF gas discharge laser[J].InfraredandLaserEngineering,2007,36:36-38.(in Chinese)

[38]柯常軍,李晨,譚榮清,等.電引發(fā)非鏈式脈沖DF激光器實驗研究[J].光電子·激光,2010,22(2)：172-174.

KE C J,LI CH,TAN R Q,etal.. Experimental research on electric2discharge non2chain pulsed DF lasers[J].J.Optoelectronics·Laser,2010,22(2)：172-174.(in Chinese)

[39]易愛平,劉晶儒,唐影,等.放電激勵重復頻率非鏈式HF 激光器[J].強激光與粒子束,2011,23(7):1763-1766.

YI A P,LIU J R,TANG Y,etal.. Discharge pumped repetition-rate non-chain HF laser[J].HighPowerLaserandParticleBeams,2011,23(7)：1763-1766.(in Chinese)

[40]唐影，黃珂，易愛平,等.放電激勵重復頻率HF激光器穩(wěn)定輸出實驗研究[J].中國激光,2012,39(2)：1-5.

TANG Y,HUANG K,YI A P,etal.. Experimental study on stable output of discharge-pumped repetition rate HF laser[J].ChineseJ.Lasers,2012,39(2)：1-5.(in Chinese)

[41]易愛平,劉晶儒,唐影,等.電激勵重復頻率非鏈式HF 激光器[J].光學 精密工程,2011,19(2)：360-366.

YI A P,LIU J R,TANG Y,etal.. Electrically initiated repetitive-pulsed non-chain HF lasers[J].Opt.PrecisionEng.,2011,19(2)：360-366.(in Chinese)

[42]TARASENKO V F,PANCHENKO A N. Discharge lasers pumped by double-discharge generators based on inductive energy storage[J].SPIE,2011,7994：1-6.

[43]阮鵬，謝冀江，張來明,等.非鏈式脈沖氟化氘激光器的動力學模擬和實驗研究[J].中國激光，2013,40(7)：7-11.

RUAN P,XIE J J,ZHANG L M,etal.. Dynamical simulation and experimental study of non-chain pulsed DF laser[J].ChineseJ.Lasers,2013,40(7)：7-11.(in Chinese)

[44]潘其坤.放電引發(fā)非鏈式DF激光器關鍵技術研究[D].長春:中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所),2014.L

PAN Q K. Research on key technologies of non-chain electric-discharge DF laser[D]. Changchun:Chinese Academy of Sciences(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics),2014.(in Chinese)

[45]阮鵬,謝冀江,張來明,等.紫外預電離放電引發(fā)的非鏈式脈沖DF激光器[J].發(fā)光學報,2013,4:450-455.

RUAN P,XIE J J,ZHANG L M,etal.. UV-preionized electric-discharge non-chain pulsed DF laser[J].ChineseJ.Luminescence,2013,4:450-455.(in Chinese)

[46]阮鵬,謝冀江,潘其坤,等.非鏈式脈沖DF化學激光器反應動力學模型[J].物理學報,2013,09:199-206.

RUAN P,XIE J J,PAN Q K,etal.. Dynamical model of non-chain pulsed DF laser[J].Acta.Phys.Sin.,2013,09:199-206.(in Chinese)

[47]潘其坤,謝冀江,阮鵬,等.非鏈式脈沖DF激光器放電特性[J].中國激光,2013,05:51-56.

PAN Q K,XIE J J,RUAN P,etal.. Discharge parameters of non-chain pulsed DF laser[J].ChineseJ.Lasers,2013,05:51-56.(in Chinese)

[48]RUAN P,ZHANG L M,XIE J J,etal.. Key technologies of pulsed non-chain DF lasers[J].ChineseOptics,2011,03:313-318.

[49]FIRSOV K N,GAVRISHCHUK E M,KAZANTSEV S Y,etal.. Spectral and temporal charateristics of a ZnSe∶Fe2+laser pumped by a non-chain HF(DF) laser at room temperature[J].LaserPhys.Lett.,2014,11,125004:1-9.

[50]GAVRISHCHUK E M,KAZANTSEV S Y,KONONOV I G,etal.. Room-temperature high-energy Fe2+∶ZnSe laser[J].QuantumElectronics，2014,44(6):505-506.

[51]VELIKANOV S D,DANILOV V P,ZAKHAROV N G,etal.. Fe2+∶ZnSe laser pumped by a nonchain electric-discharge HF laser at room temperature[J].QuantumElectronics,2014,44(2):141-144.

王　旭(1990—)，男，內蒙古鄂爾多斯市人，碩士研究生，2013年于吉林大學獲得學士學位，主要從事激光技術及其應用的研究。E-mail: 584886974@163.com

謝冀江( 1959—) ，男，江蘇鎮(zhèn)江人，學士，研究員，碩士生導師，1983 年于哈爾濱科學技術大學獲得學士學位，主要從事激光器及其應用技術方面的研究。E-mail: laserxjj@163.com

潘其坤(1985—)：男，河南開封人，博士，2009年于東北林業(yè)大學獲學士學位，2014年于中國科學院大學長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事中長波紅外激光器及其應用技術方面的研究。E-mail: panqikun2005@163.com

王春銳(1983—)：女，吉林長春人，博士，助理研究員，2006年于大連理工大學獲得學士學位，2012年于中科院大連化物所獲得博士學位，主要從事激光器及其應用技術方面的研究。E-mail:Crwang@ciomp.ac.cn

邵春雷( 1963—) ，男，黑龍江牡丹江人，研究員，碩士生導師，1984 年于東北工學院獲得學士學位，主要從事高功率脈沖氣體激光器技術的研究。E-mail: sclem@sina.com

邵明振(1985-)：男，山東菏澤人，博士，2009年于濟南大學獲學士學位，2014年于中國科學院大學長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事高功率氣體激光器的研究。E-mail: smz2050@163.com

WANG Xu1,2, XIE Ji-jiang1*, PAN Qi-kun1, WANG Chun-rui1, SHAO Chun-lei1, SHAO Ming-zhen1

(1.StateKeyLaboratoryofLaserInteractionwithMatter,ChangchunInstituteofOptics,

FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China;

2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Abstract:HF/DF laser is a laser light source offering the highest output energy in the mid-infrared wave band. It is also a coherent source with wide application prospect. The research production and application of the non-chain HF/DF laser are reviewed in this paper. The advantages and disadvantages of the non-chain HF/DF laser are analyzed in the application field. The key techniques and problems generating the non-chain HF/DF laser are concluded and analyzed. The future development directions of the non-chain HF/DF laser are pointed out.

Key words:HF/DF laser;non-chain;discharge initiate;laser application

作者簡介：

*Corresponding author, E-mail:laserxjj@163.com

中圖分類號：TN248.2

文獻標識碼:A

doi:10.3788/CO.20150803.0340

文章編號2095-1531(2015)03-0340-10

基金項目：科技部國際合作專項基金資助項目(No.2011DFR10320)；國家重點實驗室自主基礎研究課題(No.SKLLIM1310-01)

收稿日期:2014-12-16；

修訂日期:2015-02-11