Nowadays a chemical laser is globally studied and examined as a means of new high strategic weapon system or industrial equipment system. Different from the other laser systems, the chemical laser system has a great advantage in that a high power laser beam with megawatt range can be easily generated. In order to do that, the chemical laser system employs a supersonic mixing and chemical reaction in the cavity. In the DF chemical laser system, F atom as an oxidant and $D_2$ molecule as a fuel are injected and reacted so that the DF excited molecules are produced. These phenomena occur in a non-equilibrium state. The excited molecules are degenerated into the lower level energy states so as to generate the laser beam by means of the stimulated emission. Therefore, more excited molecules in higher energy level are desirable in order to generate a higher power laser beam by controlling a flow mixing and chemical reaction in the cavity. There are a lot of factors that may affect mixing and chemical reaction in producing excited molecules. The $D_2$ injector pressure which controls the rate of $D_2$ supply, base which forms a recirculation zone to determine characteristics of mixing and chemical reaction, $D_2$ injection angle and so on can be considered. In the present study, these phenomena are investigated by means of analyzing the distributions of the DF excited molecules and the F atom used as an oxidant, while simultaneously estimating the maximum small signal and saturated gains and power in the DF chemical laser cavity. An 11-species (including DF molecules in various excited states of energies), 32-step chemistry model is adopted for the chemical reaction of the DF chemical laser system.
Additionally, in order to overcome the difficulty for the planar nozzle array which has been widely used until now to supply high mass flow to the chemical laser cavity, a radial expansion nozzle array as an innovated alternative of the planar nozzle system is also numerically studied.
화학레이저는 일반 레이저와 다르게 노즐을 통해 초음속 가속을 얻어 5-10 torr 수준의 저(低)진공 상태에 이르게 되며, 수천 도에 이르는 연소실 온도에서 대략 100 K에 이르는 디퓨저 온도까지 다양한 물리적 특성변화와 함께하는 열·유체 관련 기술의 통합 시스템이라고 할 수 있다. 이는 자동차, 조선, 항공 등의 중공업과 현재 우리나라에서 반도체 산업으로 대표되는 전자산업 등 다양한 산업분야에 활용될 수 있으며, 플라즈마 생성을 요하는 신 원자력 발전 연구, 군사적으로는 신속성이 생명인 현대전에 대비하여 타격무기체계로서 이용될 수 있는 차세대 응용 기술이다. 화학레이저는 기존의 레이저와 비교하였을 때, 메가 와트 급의 고출력 특성과 더불어 금속에 대한 높은 열 흡수율로 인하여 가공특성이 좋으며, 연속적인 레이저 빔 조사를 원하는 환경에 적합한 특성을 갖고있다. 따라서 기존의 레이저를 사용하는 산업 및 연구 분야에서 향상된 레이저 시스템의 전환을 가져올 기술이라고 할 수 있다.
본 박사 학위 논문에서는 대기 중에서 약한 산란효과를 갖는 불화중수소 화학레이저 개발을 위하여, 실험의 위험성과 많은 경비소요가 예상되는 레이저 발생장치의 핵심 부분인 레이저 빔을 발생시키는 공동 및 공진기를 수치 모델링하여 레이저 생성현상을 모사할 수 있는 프로그램 개발을 개발하였다. 또한, 개발된 프로그램을 통해서 불화중수소 화학레이저의 출력 및 성능을 향상시킬 수 있는 연료와 산화제의 혼합률, 형상 등의 설계인자에 대한 연구를 수행함으로써 레이저 빔 발진을 위한 최적 조건을 찾을 수 있었다. 특히, 2차원 불화중수소 화학레이저 성능해석 부분에서는 중수소 인젝터 분사 압력과 기저부 크기에 따른 밀도반전 및 레이저 출력 특성 변화에 대한 영향을 심도 있게 알아보았으며, 3차원 불화중수소 화학레이저 성능해석 부분에서는 중수소 인젝터 분사각 변화와 변형된 중수소 인젝터 분사각 위치에 따른 밀도반전, 광학이득계수 분포 등에 대한 분석을 통해 높은 출력의 레이저 빔 발진을 위한 최적의 조건을 제시할 수 있었다.
