大能量寬脈寬的二氧化碳雷射器的製作方法

2023-05-27 18:39:11 1

專利名稱：大能量寬脈寬的二氧化碳雷射器的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種能夠獲得大能量、寬脈寬二氧化碳雷射束輸出的二氧化碳雷射器。
實現較大能量、寬脈衝寬度的二氧化碳雷射輸出有著十分重要的意義。這種雷射器在許多場合應用廣泛，諸如海洋水聲探測、軍事和高壓變電站引雷、飛機和汽車去漆等。連續雷射器、重複頻率高和較小單脈衝能量輸出的二氧化碳雷射器難以勝任此類工作。
已有技術中，美國阿符科研究實驗室ARL(Avco Research Laboratory)在原HPPL-10和HPPL-200連續二氧化碳雷射器的基礎上發展的HPPL-300脈衝雷射器(參見O.L.Zappa，High Power Repetitively Pulsed Industrial CO2Laser.SPIE，Vol.1042，CO2Laser and Applications，17，1989)，採用電子束控制預電離、脈衝主電源激勵的結構來達到大能量單脈衝輸出，其單脈衝能量100～1400J，脈寬50微秒，重複頻率1～10Hz。這種結構相當複雜，且造價昂貴。另一方面，該雷射器採用的0.5～1個大氣壓，實際為TEA二氧化碳雷射器(橫向激勵大氣壓二氧化碳雷射器)，為達到穩定的大面積氣體輝光放電和穩定雷射輸出，其脈衝寬度和氣壓成反比，為避免弧光擊穿，其輸出脈寬一般在微秒和數十微秒量級，難以滿足海洋水聲探測等所要求的亞毫秒量級脈寬的單脈衝能量達幾十乃至上百焦耳的巨脈衝雷射束的輸出。
本實用新型的目的為克服已有技術的不足，提供一種大能量和寬脈衝寬度的二氧化碳雷射束輸出的二氧化碳雷射器。能夠有單脈衝二氧化碳雷射束輸出的能量達數十焦耳或更大，脈寬在亞毫秒範圍內可調，而且調製深度接近100％的重複脈衝的二氧化碳雷射輸出；並且結構緊湊，操作比較容易。
本實用新型的大能量寬脈寬的二氧化碳雷射器的總體結構如圖1、圖2所示。包括外殼1，本實用新型的外殼1是由上蓋101，左中間體102，下支體103和右中間體104相互之間由真空橡膠密封而構成的。如圖1所示。置於外殼1的右中間體104內有放電腔6、光學諧振腔8，置於外殼1的左中間體102內有驅動風機2，置於外殼1的下支體103內有熱交換器4。放電腔6內有流動的氣體雷射工作物質9，其放電方向u，氣體流動方向v以及光學諧振腔8的光軸O三方向成為正交的X，Y，Z方向。如圖3所示。
所說的置於外殼1右中間體104內的放電腔6，在其中的雷射工作物質9中，在相互對應的位置上有兩個主放電陰極管13，有兩排排成一列的相互絕緣的嵌於耐高溫絕緣材料構成的絕緣板16上的陽極條15，與陽極條15一一相對應的有兩排排成一列的脈衝預電離針12。兩塊絕緣板16是在沒有嵌陽極條15的一面相對地放置著，在兩塊絕緣板16之間有導流板5隔開，構成雙放電區601、602。如圖3所示。
在外殼1內，有與雙放電區(也稱為雙放電通道)相對應的由兩個並列分別流經雙放電區601、602的氣體流動通道301、302構成的雙氣流通道3。如圖1所示。
所說的置於外殼1右中間體104內的光學諧振腔8，它與雙放電區601、602相對應，由拉杆7固定兩端光橋構成П形摺疊式的結構。
所說的放電腔6內的兩排脈衝預電離針12上，連接有預電離脈衝群信號源10。如圖3所示。
本實用新型所說的預電離脈衝群信號源10，它含有連接高頻信號源1001和脈衝調節信號源1006的與非門1002，與非門1002的輸出經過整形放大器1003和小閘流管1004連接到大閘流管1005的觸發極C上，大閘流管1005的輸出通過隔直電容器11連接到脈衝預電離針12上。其中連接到與非門1002的脈衝調節信號源1006，它含有相互串聯的調節高頻子脈衝個數N的由電阻RW1和電容器C5構成的第一RC迴路10061和調節脈衝群信號的重複頻率fb的由電阻RW2和電容器C6構成的第二RC迴路10062，如圖4所示。
所說的驅動風機2是由置於外殼1左中間體102內的兩臺並聯運行的高速風機201、202所構成。通常情況下，兩臺高速風機201、202的結構和性能相同。如取兩臺中頻電源為400Hz的8000轉/分(r/min)的高速軸流風機並聯運行，為氣體雷射工作物質9的快速流動提供驅動力。如圖2所示。
所說的熱交換器4是置於外殼1下支體103內，呈板翅狀的結構。如圖1所示。
所說的外殼1的左中間體和右中間體104的兩壁板的內形呈流線形，起到導流板的作用。外殼1的上蓋101與左中間體102和右中間體104構成呈馬蹄形的外形。整體是立式的結構。如圖1所示。
本實用新型的核心是在非自持輝光放電條件下，利用氣體輝光放電的著火電壓與維持電壓之間的差異，採用預電離脈衝群序列作為開關來控制主放電。採用預電離脈衝控制放電區等離子體的電子密度，從而控制放電區的E/N(電場強度與分子數密度之比)，使雷射工作物質9更有效地被激發。預電離輸入的脈衝群是一組脈衝，在一個脈衝群中，後繼脈衝進一步提高放電的電導率，使電子密度增加，直至飽和。因此脈衝群的重複頻率fb和所包含的高頻子脈衝個數N影響雷射工作物質9的增益，從而影響脈衝電功率注入乃至脈衝雷射束輸出。調節脈衝群的周期(即fb)與佔空比(即N)，可實現大能量、脈寬在亞毫秒到毫秒可調的CO2雷射輸出。
要產生脈衝群，須對預電離進行調製，圖4為預電離脈衝群信號源10的結構示意圖，如上所述的結構，連接到與非門1002的高頻信號源1001產生可調的5kHz～20kHz預電離脈衝高頻信號，脈衝寬度為50～500毫微秒可調，脈衝峰值電壓10～20kV可調；輸入與非門1002內，脈衝調節信號源1006也稱為預電離脈衝開關信號源，產生的預電離脈衝開關信號頻率小於200Hz。輸進與非門1002後，由高頻信號源1001輸入的5kHz～20kHz可調的預電離脈衝高頻信號在與非門1002處被預電離脈衝開關信號調製，調製後的預電離脈衝群信號的重複頻率fb須在200Hz以下(fb＜200Hz)，以保證輸出脈衝雷射有足夠的單脈衝能量和百分之百的調製深度，而單脈衝雷射輸出寬度則由每個脈衝群所含的脈衝預電離高頻子脈衝的個數N來決定。它可以通過改變預電離脈衝開關信號的周期與佔空比來得到周期與佔空比可調的脈衝群信號，以此實現能量與脈寬可調的雷射輸出；脈衝群信號進入整形放大器1003整形放大後，再經小閘流管1004觸發大閘流管1005工作，使脈衝群信號輸到脈衝預電離針12上，從而控制主放電。
預電離脈衝群信號源10所產生的脈衝群信號的波形如圖5所示，其中圖5-1為高頻信號源1001輸出的5kHz預電離高頻脈衝信號，圖5-2為脈衝調節信號源1006輸出的預電離脈衝開關信號，圖5-3為與非門1002的輸出經過整形放大器1003後的預電離脈衝群信號。
所說的置於外殼1右中間體104內的雙放電腔6內的雷射工作物質9是二氧化碳(CO2)，氮氣(N2)和氦氣(He)的混合氣體。當上述的預電離高頻脈衝信號的頻率為5kHz，脈衝群重複頻率fb為100Hz，每個脈衝群中的高頻子脈衝數N為25，佔空比為1∶1，即對預電離高頻脈衝開25個，關25個，這樣調製的結果在高氣壓情況下將引起主放電不穩定，因此需調節混合氣體總氣壓、氣體比份、氣體流速等參數使主放電穩定。因為本實用新型雷射工作物質9為二氧化碳、氮氣、氦氣的混合氣體，當總的氣體氣壓為40～45毫米汞柱，氣體比例為CO2∶N2∶H＝1∶5∶14時才能獲得穩定均勻的輝光放電。這種氣壓及比份相對已有技術中的5kW連續橫流CO2雷射器總的充氣氣壓60毫米汞柱、氣體比例CO2∶N2∶H＝1∶8∶11，總氣壓略有下降，而He氣比例略有提高。這樣主要是低氣壓和He氣比例增加更有利於實現均勻的輝光放電；He氣比例增加致使混合氣體比重下降，使放電區氣體流速也略有下降，這樣，CO2能級馳豫時間減小，有利於調製度達100％，從而實現巨脈衝雷射的輸出。所以，本實用新型中，混合氣體中He氣與CO2的比例高於14比1。
本實用新型的優點在於本實用新型的二氧化碳雷射器含有雙放電區601和602的放電腔6，兩個氣體流動通道301和302的雙氣流通道3，呈П形摺疊式結構的光學諧振腔8以及能夠產生脈衝群信號的預電離脈衝群信號源10，加之適宜的雷射工作物質9的總氣體氣壓和混合氣體的組分，獲得了穩定均勻的輝光放電，從而獲得了大能量巨脈衝二氧化碳雷射束輸出，調製深度接近100％。與已有技術中採用的電子束預電離，主電源為脈衝電源的橫向激勵大氣壓(TEA)二氧化碳雷射器相比，已有技術的二氧化碳雷射器的脈衝輸出僅在微秒或數十微秒量級，而本實用新型的脈寬可在亞毫秒量級可調，並且本實用新型的雷射器結構緊湊，佔地面積小，電源造價低廉。


圖1為本實用新型的二氧化碳雷射器的總體結構正視示意圖；圖2為本實用新型的二氧化碳雷射器的總體結構左視示意圖；圖3為放電腔6內雙放電區結構示意圖；圖4為預電離脈衝群信號源10的結構示意圖；圖5為預電離脈衝群信號源10中脈衝群信號形成過程的波形圖；其中圖5-1為高頻信號源1001輸出的波形，圖5-2為脈衝調節信號源1006輸出的波形，圖5-3為整形放大器1003輸出的波形。
圖6為預電離脈衝群、主放電及雷射輸出的瞬時波形；其中圖6-1為雷射輸出的瞬時波形，圖6-2為放電腔6內主放電電流的瞬時波形，圖6-3為放電腔6內預電離脈衝群信號的瞬時波形，實施例採用如圖1、圖2和圖3所示的結構。陽極條15沿氣流方向v長度為70mm，陽極條15寬15mm，陽極條15之間相互間隔5mm。陽極條15嵌於耐高溫絕緣材料構成的絕緣板16上，且呈一平面。主放電陰極管13為φ10水冷銅管。氣流方向v、放電方向u和光軸方向O正交。本實用新型的二氧化碳雷射器有兩個放電區，每個放電區絕緣板16上嵌有55個陽極條15，放電區601與602的有效放電長度均為1.1米。光學諧振腔腔長為3.2米，腔一端為鍍金的銅全反射鏡，另一端為硒化鋅(ZnSe)或砷化鎵(GaAs)鏡，透過率為40％，安裝在4根拉杆7固定的光橋上，如圖中1所示。放電區的氣體流速為50m/s左右，流速隨混合氣體壓力增加略有增加，總氣體流量約5m3/s。熱交換器為板翅形狀，這種熱交換器具有體積小，熱交換面積大，效率高等優點。該雷射器呈立式，結構緊湊，佔地面積小，僅為1.35m×1.2m×2.5m(高)。雷射器的外殼1由不鏽鋼組成，外殼1各部分採用「O」形矽橡膠條密封，具有極好的密封性能。
雷射工作物質9的充氣氣壓為45毫米汞柱(合6.0kPa)，充入氣體比例為CO2∶N2∶He＝1∶5∶14。
預電離脈衝群信號源10中，與非門1002連接的脈衝調製信號源1006中，構成調節高頻子脈衝個數N的第一RC迴路10061中，RW1＜5kΩ，C5＝0.22μF；構成調節脈衝群信號的重複頻率fb的第二RC迴路10062中，RW2＜2.5kΩ，C5＝0.22μF。當高頻信號源1001輸出高頻信號如圖5-1所示的波形，進入與非門1002中，與非門1002同時接收到脈衝調製信號源1006發射的調製信號如圖5-2所示，則由與非門1002輸出的信號即是被調製的高頻信號，由與非門1002輸出的信號經整形放大器1003後就清楚地看到脈衝群信號，如圖5-3所示的波形。所以預電離脈衝群信號源10輸出的脈衝預電離高頻重複頻率為5kHz，脈衝寬度為100毫微秒。脈衝群開關頻率為100Hz，採用開25個高頻脈衝，關25個高頻脈衝的與非門開關，則產生巨脈衝雷射輸出頻率為5000÷(25+25)＝100Hz。
當注入脈衝預電離平均功率在250W，如圖6-3所示，主放電電壓在1.8kV，主放電電流為15A時，如圖6-2所示，獲得平均功率3.5kW的巨脈衝CO2雷射輸出。如圖6-1所示。
權利要求1.一種大能量寬脈寬的二氧化碳雷射器，包括1在外殼(1)內置有放電腔(6)，光學諧振腔(8)，驅動風機(2)以及熱交換器(4)，放電腔(6)內有流動的氣體雷射工作物質(9)，它的放電方向(u)，氣體流動方向(v)以及光學諧振腔(8)的光軸(O)三方向成為正交的X，Y，Z方向；2放電腔(6)內，置於雷射工作物質(9)中有主放電陰極管(13)，排成一列相互絕緣的嵌於由耐高溫絕緣材料構成的絕緣板(16)上的陽極條(15)，與陽極條(15)一一相對應的置於氣體流動方向(v)上遊的排成一列的脈衝預電離針(12)；其特徵在於3所說的外殼(1)是由上蓋(101)，左中間體(102)，下支體(103)和右中間體(104)相互之間由真空橡膠密封而構成；4所說的放電腔(6)是置於外殼(1)右中間體(104)內，在放電腔(6)內的雷射工作物質(9)中，相互對應的有兩個主放電陰極管(13)，有兩排相互絕緣的嵌於耐高溫絕緣材料構成的絕緣板(16)上的陽極條(15)，與陽極條(15)一一相對應的有兩排脈衝預電離針(12)，兩塊絕緣板(16)是在沒有嵌陽極條(15)的一面相對地放置著，在兩塊絕緣板(16)之間有導流板(5)隔開，構成雙放電區(601)(602)；5在外殼(1)內，有與雙放電區(601)(602)相對應的由兩個並列分別流經雙放電區(601)(602)的氣體流動通道(301)(302)構成的雙氣流通道(3)；6所說的光學諧振腔(8)是置於外殼(1)的右中間體(104)內的，與雙放電區(601)(602)相對應，由拉杆(7)固定兩端光橋構成П形摺疊式的結構；7在兩排脈衝預電離針(12)上，連接有預電離脈衝群信號源(10)；8置於外殼(1)右中間體(104)內的放電腔(6)內的雷射工作物質(9)是二氧化碳、氮氣和氦氣的混合氣體，其中氦氣與二氧化碳的比例高於14比1。
2.根據權利要求1所述的大能量寬脈寬的二氧化碳雷射器，其特徵在於所說的接於脈衝預電離針(12)上的預電離脈衝群信號源(10)，含有連接高頻信號源(1001)和脈衝調節信號源(1006)的與非門(1002)，與非門(1002)的輸出經過整形放大器(1003)和小閘流管(1004)連接到大閘流管(1005)的觸發極(C)上，大閘流管(1005)的輸出通過隔直電容器(11)連接到脈衝預電離針(12)上。
3.根據權利要求1或2所述的大能量寬脈寬的二氧化碳雷射器，其特徵在於所說的預電離脈衝群信號源(10)內的連接到與非門(1002)的脈衝調節信號源(1006)，它含有相互串聯的調節高頻子脈衝個數N的由電阻RW1和電容器C5構成的第一RC迴路(10061)和調節脈衝群信號的重複頻率fb的由電阻RW2和電容器C6構成的第二RC迴路(10062)。
4.根據權利要求1所述的大能量寬脈寬的二氧化碳雷射器，其特徵在於所說的驅動風機(2)是由置於外殼(1)左中間體(102)內的兩臺並聯運行的高速風機(201)(202)所構成。
5.根據權利要求1所述的大能量寬脈寬的二氧化碳雷射器，其特徵在於所說的熱交換器(4)是置於外殼(1)下支體(103)內，呈板翅狀的結構。
專利摘要一種大能量寬脈寬的二氧化碳雷射器,包括有上蓋、左中間體、右中間體及下支體密封構成的外殼。右中間體內置有雙放電區的放電腔,
文檔編號H01S3/08GK2400945SQ9925212
公開日2000年10月11日 申請日期1999年12月16日 優先權日1999年12月16日
發明者程兆谷, 李現勤 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所