熱容氣體雷射器的製作方法

2023-06-18 04:52:01

專利名稱：熱容氣體雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射器技術領域，特別涉及一種高平均功率橫向激勵大氣壓的二氧化 碳雷射器，是一種熱容氣體雷射器。
背景技術：
高重複頻率、高平均功率橫向激勵大氣壓二氧化碳雷射器(TEAO)2雷射器)在高 能雷射物理研究、雷射推進技術研究和雷射防雷電技術研究等技術領域有重要的應用。現 有的TEA CO2雷射器，其平均功率最大可達萬瓦數量級。由於在電激勵技術上的進步，進一 步大幅度提高平均功率已無大的障礙，重要的技術障礙是雷射器的冷卻技術。現有的冷卻 技術有兩種。第一種是封閉氣體循環流動型，第二種是氣體開放流出型，各有其優缺點。然 而對於進一步將平均功率大幅度提高到IOOkW甚至IMW量級則都不切實用。因此冷卻技術 成為發展大功率TEA CO2雷射器的技術「瓶頸」。
封閉氣體循環流動型雷射器是在雷射器腔體內部設置風機和水冷散熱器，風機在 腔體內產生高速循環氣流，將放電區產生的熱氣體輸送到散熱器中，經過冷卻後再輸送回 放電區。如此循環不已，達到產生高脈衝重複頻率、高平均功率雷射的目的。萬重怡等採用 這種方法在一臺紫外光預電離型TEA 0)2雷射器上獲得了 12kW平均功率雷射輸出(Chongyi Wan et al，Proc. SPIE，2005，5777 :426-432)。雖然採用這種方法還可繼續提高雷射輸出 功率，但是由於用於產生高速氣流的風機需要大約三分之一的電功率，且體積和重量龐大， 因此對進一步大幅度提高雷射功率不是一個好的選擇。另一方面，氣體開放流出型TEA CO2 雷射器是一種最直接的冷卻方式雷射混合氣體從高壓氣瓶經減壓閥後流過放電區，放電 產生的「廢氣」直接排出到大氣中。G. J. Dezenbery等採用這種方法在一臺電子束控制(X)2 雷射器上獲得了 28kW平均功率雷射輸出(G. J. Dezenbery, et al.，AIAA-81-1131)。這種 方法簡單易行，但在大功率雷射器情況下由於消耗大量稀有貴重氣體，且造成環境汙染，因 此也不是一個好的選擇。發明內容
本發明的目的是提供一種熱容氣體雷射器，帶有高壓儲氣瓶、儲氣袋、氣體壓縮 機、高壓氣體輸出閥門組和高壓氣體返回閥門組，在放電區內形成大氣壓高速氣流以便進 行高重複頻率脈衝放電產生高平均功率雷射，並且雷射氣體可以循環使用，是具有高重複 頻率、高平均功率的橫向激勵大氣壓二氧化碳氣體雷射器(TEA CO2雷射器)。
為實現上述目的，本發明的技術解決方案是
一種熱容氣體雷射器，包括雷射器腔體、主放電電極、預電離器、雷射諧振腔、高壓 儲氣瓶組、高氣壓輸出閥門組、氣體噴嘴組、導流板、高壓脈衝放電電源、真空泵、真空閥門， 各部件按常規連接；其還包括儲氣袋、高氣壓返回閥門組和氣體壓縮機；在雷射器腔體一 側設有氣體噴嘴組，相對的另一側壁上設有一長條形通孔，長條形通孔與儲氣袋密閉式相 連通；在高壓儲氣瓶和雷射器腔體之間有兩路連接一路，雷射發射過程中，雷射混合氣體從氣體噴嘴組高速噴射出，流經雷射器腔體，流入儲氣袋，使氣袋膨脹；另一路，雷射發射結 束後，由氣體壓縮機將儲氣袋內的雷射混合氣體經過高氣壓返回閥門組緩慢地壓縮回高壓 儲氣瓶組，供雷射器下一次試驗時使用，此時儲氣袋縮小回到原狀態，摺疊收藏；摺疊收藏 時儲氣袋仍通過長條形通孔和雷射器腔體維持密閉式相連通。
所述的熱容氣體雷射器，其所述長條形通孔與儲氣袋密閉式相連通，是長條形通 孔為一長條形真空密封法蘭開口，儲氣袋是一個柔性的可摺疊的密封袋，有一個長條形真 空密封法蘭開口，兩法蘭開口相互密封對接後連通。
所述的熱容氣體雷射器，其所述雷射混合氣體是二氧化碳雷射混合氣體、一氧化 碳雷射混合氣體或準分子雷射混合氣體其中之一。
所述的熱容氣體雷射器，其還包括一氣體清潔還原裝置，位於氣體壓縮機輸入口 與雷射器腔體相連的大氣壓/真空管路中，以將雷射氣體的成份還原成純淨的狀態。
所述的熱容氣體雷射器，其所述的氣體清潔還原裝置是一個容器，內含有除氧劑。
所述的熱容氣體雷射器，其所述的氣體清潔還原裝置容器中含有鉬催化劑、或含 有氧化錫和氧化錳催化劑。
所述的熱容氣體雷射器，其還包括一熱交換器，位於氣體壓縮機輸入口與雷射器 腔體相連的大氣壓/真空管路中，以使雷射混合氣體冷卻。
所述的熱容氣體雷射器，其所述的熱交換器為水冷式熱交換器。
本發明熱容氣體雷射器能滿足應用中對高平均功率(X)2雷射輸出的需求，在高能 雷射物理研究、雷射推進技術研究和雷射防雷技術研究等技術領域有重要的應用前景。本 發明的技術也適用於準分子雷射器和一氧化碳雷射器等氣體雷射器。


圖1 (a)是本發明熱容氣體雷射器的正視圖橫截面示意圖1 (b)是本發明熱容氣體雷射器的側視圖橫截面示意圖。
具體實施方式
為進一步說明本發明的特徵及結構，以下結合附圖對本發明作詳細描述。
請參閱圖1 (a)和圖1 (b)，熱容氣體雷射器是一種高重複頻率、高平均功率橫向激 勵大氣壓二氧化碳氣體雷射器，包括雷射器腔體1，主放電電極2，預電離器3，雷射諧振腔 4，高壓儲氣瓶組5，高氣壓輸出閥門組6，氣體噴嘴組7，前導流板8，後導流板9，儲氣袋10， 氣體壓縮機11，高氣壓返回閥門組12，高壓脈衝放電電源13，真空泵14，真空閥門15等。其 中主放電電極2為一對成型電極，電極面型和電極間距設計保證能在電極間形成一個均勻 的放電區。預電離器3在主放電之前進行預電離脈衝放電，能在主放電區產生分布均勻的 預電離電子，以保證後續的主放電為均勻的輝光放電，避免形成電弧。雷射混合氣體儲存於 高壓儲氣瓶組5中，典型的雷射混合氣體是二氧化碳、氮和氦氣，其混合比可根據具體的放 電條件和所需的雷射參量由試驗而改變，典型的數值例是二氧化碳氮氦=1 1 8。 高壓氣瓶組5中的每一個氣瓶各有一個高氣壓輸出閥門和一個高氣壓返回閥門。高壓氣瓶 組5與雷射器腔體1之間有兩路連接第一路是高壓氣瓶組5通過多數個高氣壓管道和氣 體噴嘴組7連通，管道中設有高氣壓輸出閥門，氣體噴嘴組7安裝於雷射器腔體1的一側，4均勻分布排列正對放電區。高壓氣瓶組5、高氣壓輸出閥門組6和氣體噴嘴組7中的高壓氣 瓶、高氣壓輸出閥門、氣體噴嘴都是多數個，其中，第一種情況高壓氣瓶、高氣壓管道、高氣 壓輸出閥門、氣體噴嘴一一對應，數目相同。第二種情況高壓氣瓶、高氣壓管道、高氣壓輸 出閥門、氣體噴嘴四者數目並不一定相同。如高壓氣瓶、高氣壓管道、高氣壓輸出閥門數小 於氣體噴嘴數，其中，高氣壓輸出閥門組6中的每一個閥門先與一個輸出總高氣壓管道連 通，然後該輸出總管道再經若干分管道和氣體噴嘴連通。第二路是高壓氣瓶組5、高氣壓返 回閥門組12、氣體壓縮機11與雷射器腔體1連通。由於氣體壓縮機11隻需一臺或少數幾 臺，而高氣壓返回閥門組12是多數個，因此高氣壓返回閥門組12中的每一個閥門通過高氣 壓管道先和一個總高氣壓管道連通，然後該總高氣壓管道再和氣體壓縮機11連通，氣體壓 縮機11再通過一大氣壓/真空管道與雷射器腔體1連通(氣體壓縮機11通常還自帶一個 高氣壓輸出閥門和一個大氣壓/真空輸入閥門)。氣體壓縮機11與雷射器腔體1連通的大 氣壓/真空管道口的位置可以有很大的靈活性，在圖中是位於相對於氣體噴嘴組7的雷射 器腔體1的另一側底面。
儲氣袋10是一個柔性的可摺疊的密封袋，有一個長條形真空密封法蘭開口。開口 的長度大於主放電電極2的長度，高度大於電極間距。在雷射器腔體1相對於氣體噴嘴組 7的另一側壁上設有一個同樣大小的長條形真空密封法蘭開口，與儲氣袋10的法蘭開口密 閉式相連通。儲氣袋10採用標準的氣球製造技術生產，類似於氦氣球或氫氣球的製造技 術，所用材料為橡膠類柔性材料。當袋中氣壓為負壓時，儲氣袋體積接近零，可以摺疊緊貼 雷射器腔體1側壁收藏。摺疊收藏時儲氣袋10仍通過長條形通孔和雷射器腔體1維持密 閉式相連通。當儲氣袋10中充氣略大於1大氣壓時，儲氣袋10體積不斷隨充氣量的增加 而增大，直至額定設計體積仍維持袋中氣壓略大於1大氣壓。進一步往儲氣袋10內充氣將 使袋內氣壓上升導致儲氣袋10破裂。儲氣袋10的額定設計體積等於高壓儲氣瓶組5中按 大氣壓計算的貯存的雷射氣體總量(見後面給出的設計例)。
雷射器開始運轉前，高壓氣瓶組5中儲存有高氣壓雷射氣體，高氣壓輸出閥門組6 和高氣壓返回閥門組12處於關閉狀態，開啟真空泵14，抽空其他各部分的雜氣，然後關閉 真空閥門15。
當雷射器開始運轉時，打開高氣壓閥門組6，雷射氣體從氣體噴嘴組7高速流出， 經過前導流板8進入放電區，在放電區內形成大氣壓高速氣流。啟動高壓脈衝電源13，主放 電電極2在放電區產生高重複頻率脈衝放電，通過雷射諧振腔4產生高平均功率雷射輸出。 在放電區進行脈衝放電後，雷射氣體通過後導流板9流進儲氣袋10中。儲氣袋10在氣流 的衝擊下膨脹。雷射發射結束後，關閉高氣壓輸出閥門組6，打開高氣壓返回閥門組12，將 高壓氣瓶組5轉換連接到氣體壓縮機11，啟動壓縮機將儲氣袋10中的雷射氣體緩慢地壓 回高壓儲氣瓶組5，然後關閉高氣壓返回閥門組12，高壓儲氣瓶組5中的高氣壓雷射氣體可 供雷射器下一次試驗使用。儲氣袋10重新縮小回到原狀態，便於收藏。在將雷射氣體從儲 氣袋10壓縮回高壓儲氣瓶組5裡的過程中可經過一個小型氣體清潔還原裝置(圖中沒示 出)，氣體清潔還原裝置位於氣體壓縮機11輸入口與雷射器腔體1相連的大氣壓/真空管 路中，使雷射氣體的成份還原成純淨的狀態；氣體清潔還原裝置是一個含有除氧劑的容器， 或是一個含有鉬催化劑的容器，或是一個含有氧化錫和氧化錳催化劑的容器。在將雷射氣 體從儲氣袋10壓縮回高壓儲氣瓶組5的過程中也可經過一個小型熱交換器(圖中沒示出)使雷射氣體冷卻。小型熱交換器位於氣體壓縮機11輸入口與雷射器腔體1相連的大氣壓/ 真空管路中。熱交換器可為水冷熱交換器。這兩個小型裝置可根據情況酌情增減，可同時 設置，或選其一。
本發明熱容氣體雷射器使用儲氣袋10儲存放電後的雷射氣體，儲氣袋10的形狀 不限於球形，可以是圓柱形、矩形或球形等多種形狀，根據實際使用的場地情況而選用。儲 氣袋10的製造技術即氣球的製造技術，是一項高度發展了的成熟的技術，在此不再贅述。 國內外盛大節日中採用的色彩繽紛的氣球就是用了這種技術。巨大的飛船利用氣球產生的 空氣浮力升上高空，飄洋過海。氣球製造技術的可靠性是經過實踐檢驗證明過的。
在本發明中，高壓儲氣瓶組5中的氣壓通常在100大氣壓左右，在經過高氣壓輸出 閥門組6和氣體噴嘴組7後進入放電區時產生高速氣流，其壓力略大於1大氣壓，與外界大 氣壓基本平衡。具體的壓力值隨緯度升高而減小，在標準大氣壓下約為lbar，這正是處於大 功率TEA CO2雷射器的最佳工作氣壓範圍之內。雷射氣體經過膨脹後溫度降低，稱之為「氣 動冷卻」效應，這也正是提高CO2雷射器能量轉換效率最希望的情況。
本發明中由雷射脈衝放電產生的剩餘熱量是儲存在雷射氣體媒質中並隨氣體流 入儲氣袋10中，儲氣袋10中的氣體經過自然冷卻或經過小型熱交換器冷卻，緩慢地回到室 溫狀態。在一次雷射發射過程中所產生的雷射總能量正比於儲存於高壓儲氣瓶組5中的激 光氣體媒質總量，也正比於儲氣袋10膨脹後的體積。本發明定義這種雷射器為「熱容氣體 雷射器」。
設計所需高壓儲氣瓶組5中的雷射氣體總量和儲氣袋10膨脹後的體積可按下面 公式估算
在一次雷射發射過程中所產生的雷射總能量=所需的雷射氣體總量(即儲氣袋 膨脹後的體積)χ雷射器的體積效率。
例如，設計雷射器輸出平均功率為100kW，累計工作時間為100秒，則在一次雷射 發射過程中所產生的雷射總能量為10兆焦耳。又設雷射器的體積效率為50焦耳/升，則 儲氣袋10膨脹後的體積應為200立方米(長、寬、高分別為10米、5米和4米)。再設高壓 儲氣瓶壓力為100大氣壓，則高壓儲氣瓶組5的總體積為2立方米。
如果，設計雷射器輸出平均功率為1兆瓦，累計工作時間仍為100秒，則儲氣袋10 膨脹後的體積應為2000立方米(長、寬、高分別為20米、20米和5米)。高壓儲氣瓶組5 的總體積為20立方米。
權利要求
1.一種熱容氣體雷射器，包括雷射器腔體、主放電電極、預電離器、雷射諧振腔、高壓儲 氣瓶組、高氣壓輸出閥門組、氣體噴嘴組、導流板、高壓脈衝放電電源、真空泵、真空閥門，各 部件按常規連接；其特徵在於還包括儲氣袋、高氣壓返回閥門組和氣體壓縮機；在雷射器 腔體一側設有氣體噴嘴組，相對的另一側壁上設有一長條形通孔，長條形通孔與儲氣袋密 閉式相連通；在高壓儲氣瓶和雷射器腔體之間有兩路連接一路，雷射發射過程中，雷射混 合氣體從氣體噴嘴組高速噴射出，流經雷射器腔體，流入儲氣袋，使氣袋膨脹；另一路，雷射 發射結束後，由氣體壓縮機將儲氣袋內的雷射混合氣體經過高氣壓返回閥門組緩慢地壓縮 回高壓儲氣瓶組，供雷射器下一次試驗時使用，此時儲氣袋縮小回到原狀態，摺疊收藏；折 疊收藏時儲氣袋仍通過長條形通孔和雷射器腔體維持密閉式相連通。
2.如權利要求1所述的熱容氣體雷射器，其特徵在於，所述長條形通孔與儲氣袋密閉 式相連通，是長條形通孔為一長條形真空密封法蘭開口，儲氣袋是一個柔性的可摺疊的密 封袋，有一個長條形真空密封法蘭開口，兩法蘭開口相互密封對接後連通。
3.如權利要求1所述的熱容氣體雷射器，其特徵在於，所述雷射混合氣體是二氧化碳 雷射混合氣體、一氧化碳雷射混合氣體或準分子雷射混合氣體其中之一。
4.如權利要求1所述的熱容氣體雷射器，其特徵在於，還包括一氣體清潔還原裝置，位 於氣體壓縮機輸入口與雷射器腔體相連的大氣壓/真空管路中，以將雷射氣體的成份還原 成純淨的狀態。
5.如權利要求4所述的熱容氣體雷射器，其特徵在於，所述的氣體清潔還原裝置是一 個容器，內含有除氧劑。
6.如權利要求5所述的熱容氣體雷射器，其特徵在於，所述的氣體清潔還原裝置容器 中含有鉬催化劑、或含有氧化錫和氧化錳催化劑。
7.如權利要求1所述的熱容氣體雷射器，其特徵在於，還包括一熱交換器，位於氣體壓 縮機輸入口與雷射器腔體相連的大氣壓/真空管路中，以使雷射混合氣體冷卻。
8.如權利要求7所述的熱容氣體雷射器，其特徵在於，所述的熱交換器為水冷式熱交 換器。
全文摘要
一種熱容氣體雷射器，涉及雷射器技術，包括雷射器腔體、儲氣袋、氣體壓縮機、高壓儲氣瓶、氣體噴嘴等。在雷射器腔體一側有氣體噴嘴組，另一側壁有儲氣袋。在高壓儲氣瓶和雷射器腔體之間有兩路連通雷射發射過程中，雷射氣體從氣體噴嘴組高速噴射出，流經雷射器腔體，流入儲氣袋，使氣袋膨脹；雷射發射結束後，由氣體壓縮機將儲氣袋內的雷射氣體緩慢地壓縮回高壓儲氣瓶，此時，儲氣袋縮小回到原狀態，可以摺疊收藏，供雷射器下一次試驗時使用。本發明能滿足應用中對橫向激勵大氣壓二氧化碳雷射器高平均功率雷射輸出的需求，在高能雷射物理研究、雷射推進技術研究和雷射防雷技術研究等領域有重要的應用前景，也適用準分子雷射器和一氧化碳雷射器。
文檔編號H01S3/225GK102035132SQ20091009376
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月28日 優先權日2009年9月28日
發明者萬重怡 申請人:中國科學院電子學研究所