电激励大口径连续波中红外化学激光器自反馈混沌动力学研究

2-5微米波段中红外激光器在激光医学、红外对抗等领域有重要用途，连续波HF/DF激光器在该波段具有宽广覆盖，并可借助非稳腔实现高光束质量、高功率输出。自反馈时间调制种子注入技术可将连续波激光输出调制成混沌态脉冲序列输出，进一步提高与目标作用效果。本项目以大口径非稳腔连续波HF/DF化学激光器为研究对象，（1）针对其特有的多振动态级联跃迁和多转动态竞争激射特征，建立动力学数值模型，研究不同调制频率和反馈强度下该激光器的输出特性；(2)建立基于快速傅立叶变换算法的光腔模型，研究自反馈种子光束从非稳腔不同位置提取和注入对调制参数和激光器光束质量的影响；(3)在电激励连续波HF/DF化学激光器上进行初步实验验证。所得结果将填补激光动力学中多谱线激光器混沌动力学、以及非稳腔激光器斑图时变特性研究的空白，并有望在其它气流化学激光器上获得推广，应用于激光推进等更广泛的领域。

连续波氟化氢/氟化氘化学激光器是一类很特别的中红外光源，实现高重频脉冲输出对于拓展其应用具有重要意义，传统的调Q、锁模等方式均存在原理和技术上的局限，腔损耗调制则提供了一种现实的途径，也为通过动力学观点研究该激光器特性提供了另一种手段。项目组以此为目标，基于动力学参数可比拟的某小型电激励连续波氟化氢化学激光器实验平台，结合一般化双变量横向流动激光器动力学模型，采用非线性时间序列重构方法，开展了：（1）腔损耗调制下的激光器动态响应特性研究；（2）不同调制频率和深度下激光器相空间吸引子的行为演化研究；（3）双谱线级联跃迁腔损耗调制特性研究；（4）一体化边缘反馈非稳腔实验研究。得出的重要结果和数据有：（1）使连续波氟化氢化学激光器实现稳定高重频脉冲运转，典型重频在100kHz-1MHz区间，峰值功率较连续波输出提高1个量级，并可在可控条件下获得混沌脉冲序列；（2）测到了连续波氟化氢/氟化氘化学激光器的特征响应频率（接近1MHz），表明其动力学特征时间在1-10微秒水平，100kHz-2MHz区间的不稳定性来源于系统的内生动力学，2MHz以上区域的不稳定性呈现为模式间相互作用的无规噪声，而100kHz以下则来源于外界的无规扰动；（3）氟化氢/氟化氘化学激光器多振转能级级联相当于引入了新的自由度，使激光输出复杂化，但级联谱线输出的动力学演化规律相似；（4）一体化边缘反馈非稳腔可以显著降低非稳腔阈值，在大口径低单程增益器件上实现功率提取和高光束质量获取的平衡，由于其光束折返时间远小于激光器本征动力学特征时间，不会引发激光器的不稳定输出。本项目最终的科学意义在于确证连续波氟化氢/氟化氘激光器与气动二氧化碳激光器、氧碘化学激光器具有完全相近的动力学模型和规律，并依据其动力学特征响应频率划分了其不稳定性输出分区，给哈肯协同学“慢变量主导快变量”观点又提供了一个实证案例。