減小橫向激勵二氧化碳雷射器輸出雷射脈衝初始尖峰方法
2023-05-21 07:15:51
專利名稱：減小橫向激勵二氧化碳雷射器輸出雷射脈衝初始尖峰方法
技術領域：
本發明涉及氣體雷射器件技術領域，是一種減小橫向激勵二氧化碳雷射器輸出雷射脈衝初始尖峰方法。
背景技術：
橫向激勵二氧化碳雷射器是20世紀七十年代發展起來的一種脈衝二氧化碳氣體 雷射器。這種雷射器通常採用低感電路、快脈衝放電激勵，脈衝放電時間短於輝光放電向弧 光放電轉換的時間，能在大體積、高氣壓下實現均勻輝光放電，從而具有輸出脈衝能量大、 峰值功率高、可高重複頻率運轉等特點，在工業、國防等領域有一定的應用。採用低感電路、快脈衝放電激勵的橫向激勵二氧化碳雷射器的輸出典型雷射波形 如圖1所示，波形形狀是一個窄尖峰脈衝加上一個長拖尾。窄尖峰脈衝即使本發明申請涉 及的由增益開關效應引起初始尖峰脈衝。窄尖峰脈衝寬度(半高度全寬度FWHM，下同)和 拖尾的長度與雷射器工作氣體組成和總氣壓有關，尖峰脈衝寬度(FWHM)約為30 200ns， 一般佔整個雷射脈衝能量的30% 50% ；拖尾長度一般為1 10 μ S。尖峰脈衝具有非常 高的峰值功率，脈衝幅度一般遠遠高於後部拖尾幅度。因為採用低感電路、快脈衝放電激勵的橫向激勵二氧化碳雷射器輸出雷射的初始 尖峰脈衝能量大和峰值功率高，這樣的雷射脈衝在空氣中聚焦時容易引起空氣擊穿。當這 種雷射用於工業加工時，聚焦雷射導致空氣擊穿產生的等離子體會吸收雷射，使雷射不能 到達工件，從而影響加工效果。因此，如何減少橫向激勵二氧化碳雷射器中輸出雷射脈衝中 增益開關效應引起的初始尖峰(包括峰值和尖峰脈衝佔雷射脈衝總能量的大小)，是一個 關鍵問題。為減小橫向激勵二氧化碳雷射器輸出脈衝中由增益開關效應引起的初始尖峰脈 衝，人們想了種種辦法。這些方法中，德國人H. Arenz等採用橫向激勵二氧化碳雷射器與 連續波二氧化碳雷射器雷射器共用一個光學諧振腔的辦法，成功地抑制了雷射器輸出脈衝 中的增益開關效應引起的尖峰脈衝(參見H. Arenz, G. Sipos, P. Bickel, J. Christiansen, Ε. Eberl, D. H. H. Hoffmann, Pulse lengthening of a TE C02 laser for materials processing. SPIE Vol. 2788，74-82 (1996))，但是，這種方法除橫向激勵二氧化碳雷射器本 身外，還需要一臺連續波二氧化碳雷射器，並且在橫向激勵二氧化碳雷射器與連續波二氧 化碳雷射器之間需要增加光學擴束元件作為過渡，整個雷射器系統結構複雜，實現有些不 方便。另外一種方法就是在橫向激勵二氧化碳雷射器中採用pulser/sustainer放電技 術。採用pulser/sustainer放電技術形成的雷射器泵浦電路稱為pulser/sustainer放電 電路。這种放電電路通過將注入雷射器中的能量分為兩部分的做法，降低產生增益開關效 應部分的雷射放電能量，從而減少初始尖峰脈衝佔整個雷射脈衝能量的百分比。Pulser/sustainer放電技術是產生兩次連續的高壓脈衝放電的雷射器激勵技術。 第一次稱為pulser放電，它與常規橫向激勵二氧化碳雷射器的低感電路、快脈衝放電相似，用於在橫向激勵二氧化碳雷射器主放電電極間均勻產生一定密度的均勻預電離電子數 密度和部分主放電。Pulser放電一般僅消耗全部注入能量的一小部分；第二次稱為sustainer放電， 它緊接著第一次pulser放電進行，提供足夠的電子溫度來有效激勵雷射工作氣體，但不產 生大量足以引起弧光放電的電子數密度。振動激發二氧化碳(CO2)或氮氣(N2)的能量主要 由第二次sustainer脈衝放電提供。雖然，Pulser/sustainer放電技術將注入雷射器的能量分為了兩部分pulSer放 電部分和sustainer放電部分，其中pulser放電引起增益開關效應，理論上，減少pulser 放電的注入能量就能減少增益開關效應引起的初始尖峰脈衝，但實際上，pulser放電注入 能量的大小還受到橫向激勵二氧化碳雷射器參數如增益體積大小、氣體組成、混合總氣壓、 預電離電容的大小等的影響。當橫向激勵二氧化碳雷射器增益體積大小、氣體混合氣組成、 混合總氣壓等確定時，預電離電容的大小對於減小pulser放電注入能量有重要影響。 以前，在橫向激勵二氧化碳雷射器中，雖然也採用pulser/sustainer放電技術激 勵，但是，由於技術發展水平的限制，即使pulser電路單獨放電，橫向激勵二氧化碳雷射 器仍然能夠輸出雷射(參見 P. K. Bhadani and R. G. Harrison, Efficient long pulse TE C02 laser using magnetic-spiker sustainer excitation. Rev. Sci. Instrum. ,63(12) 5543-5545(1992))。當pulser電路單獨放電橫向激勵二氧化碳雷射器仍能輸出雷射時，因 為pulser電路放電是低感電路、快脈衝放電方式，增益開關效應依然強烈，雷射脈衝波形 中的初始尖峰脈衝仍然有遠高於後部拖尾的幅度，即峰值功率依然很高。也就是說，僅僅 是採用pulser/sustainer放電技術激勵並不能有效減小增益開關效應引起的初始尖峰脈 衝。
發明內容
本發明的目的是，公開一種減小橫向激勵二氧化碳雷射器輸出雷射脈衝初始尖峰 方法，可有效地減小橫向激勵二氧化碳雷射器輸出雷射脈衝中因增益開關效應引起的初始 尖峰脈衝。為達到上述目的，本發明的技術解決方案是一種減小橫向激勵二氧化碳雷射器輸出雷射脈衝初始尖峰方法，其包括步驟第一步，無論是採用雙邊電容耦合火化針預電離還是採用單邊電容耦合火化針預 電離，減小與火化針耦合的預電離電容a)若為小放電體積雷射器，用電暈預電離方法減小預電離電容；b)當雷射器放電體積較大時，是通過印刷線路板預電離技術，隨需要改變預電離 電容值的大小；第二步，使用「橫向激勵二氧化碳雷射器長脈衝泵浦裝置」專利號 ZL200410101801. 3專利中的泵浦電路，為pulser/sustainer放電電路；雷射器的全部注入能量E為E = l/2XaXV氣+1/2X Σ(1)式中，Cs為Pulser放電電路總電容，Vs為Cs上的初始充電電壓，Ci (i = 1,2,···, η)為sustainer電路中脈衝形成網絡的電容，Vpfn為脈衝形成網絡電容上的初始充電電壓；Pulser放電屬於低感快脈衝放電，能夠產生增益開關效應，是引起雷射脈衝中初 始尖峰脈衝的源頭，Pulser放電注入能量佔雷射器全部注入能量的比例按下式0計算3 = (1/2 X Cs X V2S) / (1/2 X Cs X N\+l/2 X E CiXV2pfn)(2)第三步，通過放電來優化pulser/sustainer放電電路參數；在完成前兩步後，雷射器正常放電，輸出雷射，在雷射器保證總能量注入和正常放 電的前提下，逐步減小pulser放電電容值，直至獲得一個最小的pulser電容值，雷射器仍 能維持穩定的pulser/sustainer放電；優化後的最小的pulser電容值彡全部sustainer電路電容值的10% ；第四步，優化pulser電路充電電壓，選擇最小的，同時保證雷射器正常放電的 pulser電路充電電壓作為雷射器的工作電壓。所述的方法，其所述第一步b)中的印刷線路板預電離技術，為「脈衝氣體雷射器」 專利號ZL00109165. 4專利中提供的印製板預電離技術，有效減小預電離電容。所述的方法，其所述第二步中，如果，pulser電容值難以減小，不能減小到總的 sustainer電容值的10%以下，則說明第一步的預電離電容值偏大，需進一步減小預電離 電容值。本發明一種減小橫向激勵二氧化碳雷射器輸出雷射脈衝初始尖峰方法，提供了一 個有效的解決辦法，通過改變雷射器預電離電容、優化放電電路參數，可以有效地減小橫向 激勵二氧化碳雷射器輸出雷射脈衝中因增益開關效應引起的初始尖峰脈衝。
圖1為一個典型橫向激勵二氧化碳雷射脈衝波形圖；圖2為本發明方法使用的橫向激勵二氧化碳雷射器及其激勵電路圖；圖3為一個使用本發明方法的實際雷射輸出脈衝波形圖。
具體實施例方式在本發明方法中，通過減小橫向激勵二氧化碳雷射器預電離電容、採用pulser/ sustainer放電技術、優化pulser/sustainer電路參數、優化pulser電路充電電壓等手段 有機地應用於橫向激勵二氧化碳雷射器設計中，可有效減小橫向激勵二氧化碳雷射器輸出 雷射脈衝中因增益開關效應引起的初始尖峰脈衝。減小預電離電容Cp的一個成功方法是採用印製板預電離技術(參考專利「脈衝氣 體雷射器」，專利號ZL00109165.4，其內容在本申請中參照引用)。印製板預電離技術可以 使每個預電離電容Cp的大小根據情況設計，且結構簡單緊湊。一種脈衝氣體雷射器，包括主放電電極，全反射端鏡和輸出耦合鏡，其中兩個主放 電電極為相對設置；在主放電電極的兩側與主放電電極相隔預定距離，分別排列有兩印刷電路板預電 離器，印刷電路板預電離器包括印刷電路絕緣板，在印刷電路絕緣板的外側固結有整板電 極，在印刷電路絕緣板的內側固結有條形電極陣列。多個金屬條形陣列的端部分別焊接難
5熔金屬片如鎳片、鉬片、鎢片或不鏽鋼片。印刷電路板的絕緣材料為環氧樹脂板、陶瓷或玻
^^ o該兩印刷電路板預電離器分別與兩個主放電電極相連接，是由整板電極與主放電 電極相連接，其中下邊的整板電極與主放電電極連接後並接地。主放電電極表面敷蓋一層 難熔金屬層。在主放電電極的另兩側與主放電電極相隔預定距離，分別置放有全反射鏡和輸出 耦合鏡，該全反射鏡和輸出耦合鏡組成了雷射諧振腔。基於pulser/sustainer放電技術的激勵電路可採用「橫向激勵二氧化碳雷射器 長脈衝泵浦裝置」專利(專利號ZL2004 10101801. 3，其內容在本申請中參照引用)中提 出的泵浦電路(參考「橫向激勵二氧化碳雷射器長脈衝泵浦裝置」專利第10頁圖4)，該激 勵電路在本申請中稱為pulser/sustainer放電電路(見本申請附圖2)。一種「橫向激勵二氧化碳雷射器長脈衝泵浦裝置」的主要內容是由兩個高壓電容 充電電源、兩個高壓放電開關、脈衝形成網絡、貯能電容、旁路電阻和高壓充電二極體組成， 其中高壓電容充電電源A的高壓輸出端與貯能電容的一端及高壓放電開關C的陽極 相連接；貯能電容的另一端連接至TE-CO2雷射器主放電電極高壓輸入端；高壓充電二極體 的陽極及TE-C02雷射器放電旁路電阻的一端與TE-C02雷射器主放電電極高壓輸入端相連 接；高壓充電二極體的陰極及TE-C02雷射器放電旁路電阻的另一端則與TE-C02雷射器主放 電電極接地端相連接；高壓電容充電電源B的高壓輸出端與脈衝形成網絡輸入端及高壓放電開關D的陽 極相連接；脈衝形成網絡的輸出端連接至TE-CO2雷射器主放電電極高壓輸入端；兩個高壓 電容充電電源A、B的高壓輸出接地端和兩個高壓放電開關C、D的陰極均連接至TE-C02激 光器主放電電極接地端，接地端接有安全地線。所述脈衝形成網絡中的電感值相等；所述脈衝形成網絡中的電容值相等。所述高壓電容充電電源為恆流方式充電，其允許充電時間、禁止充電時間和充電 電壓為可控。兩個高壓放電開關為高壓間流管、高壓觸發管或高壓球隙，互相獨立，其導通起始 時間分別可控。利用雷射器放電來優化pulser/sustainer放電電路參數，使在最小的pulser電 路電容和最小的pulser充電電壓下，雷射器仍能夠穩定放電，這樣，產生增益開關效應的 雷射器注入能量降到了最小，因而，雷射輸出脈衝中，增益開關效應引起的初始尖峰脈衝將 得到大大減小。本發明方法中，建議採用小預電離電容Cp的方法來構建橫向激勵二氧化碳雷射 器的電容Cp，這樣就能減小pulser放電電容Cs，再通過放電優化，選擇能夠維持正常放電 的最小Cs電容值和最小的pulser電路初始充電電壓Vs，可將pulser電路的注入能量降至 最小，在這樣的橫向激勵二氧化碳雷射器中，單獨的pulser放電不會產生雷射輸出，從而 大大減小了增益開關效應引起的初始尖峰脈衝。總而言之，本發明提供了一個有效減小橫向激勵二氧化碳雷射器輸出雷射脈衝中初始尖峰脈衝的方法。本發明方法的實施分為四個步驟第一步，採用小預電離電容技術設計橫向激勵二氧化碳雷射器的紫外預電離結 構。無論是採用雙邊電容耦合火化針預電離還是採用單邊電容耦合火化針預電離，與 火化針耦合的預電離電容的電容值要小。減小預電離電容的方法有電暈預電離、弱火化預 電離等，電暈放電產生的預電離較弱，只適用於小放電體積雷射器，不適合大的放電體積激 光器；當雷射器放電體積較大時，弱火化預電離可通過印製板預電離技術實現。印製板預電 離技術的具體實現方法可參見專利「脈衝氣體雷射器」(專利號ZL00109165.4，其內容在 本申請中參照引用)。印製板預電離技術通過採用印刷線路板設計隨意改變電容值的大小， 方便靈活，結構緊湊。第二步，本發明設計的橫向激勵二氧化碳雷射器的激勵電路採用pulser/ sustainer技術放電激勵。基於Pulser/sustainer放電技術的電路有多種實現方式，本發明申請建議採用 「橫向激勵二氧化碳雷射器長脈衝泵浦裝置」(專利號ZL200410101801.3，其內容在本申 請中參照引用)提供了一個泵浦電路，本申請中稱為pulser/sustainer電路，具體電路圖 如圖2所示。圖2中，CCPS1和CCPS2為採用恆流方式充電的高壓電容充電電源，VI和V2 為高壓放電開關，Cs為pulser放電電路的高壓貯能電容(簡稱pulser電路電容)，D1為 高壓充電二極體，Rp、Lp、分別為放電旁路電阻和旁路電感，Li，Ci(i = 1,2,，!!)為組成 sustainer放電電路的脈衝形成網絡電感和電容，Cp為雷射器預電離電容，一般與雷射器 主放電電極對一起密封在雷射器腔體中。圖2中，0^51、(^^1、01、1^、14)組成？1118吐電 路，pulser電容通過開關VI向雷射器進行放電，實現pulser放電能量注入；CCPS2、V2、Li， Ci(i = 1,2,…，n)、Dl、Rp、Lp 組成 sustainer 電路，脈衝形成網絡 Li，Ci (i = 1,2,…， n)通過V2向雷射器放電，實現sustainer放電能量注入。圖2中，當Cs初始充電電壓為Vs，脈衝形成網絡電容Ci(i = 1，2，…，n)初始充 電電壓為Vpfn時，雷射器的全部注入能量E為E = 1/2XCsXV2s+1/2X E CiXV2pfn(1)式中，Cs為Pulser放電電路總電容，Vs為Cs上的初始充電電壓，Ci(i = 1,2,-, n)為sustainer電路中脈衝形成網絡的電容，Vpfn為脈衝形成網絡電容上的初始充電電壓。上式中，第一項為pulser放電注入能量，第二項為sustainer放電注入能量。 Pulser放電屬於低感快脈衝放電，能夠產生增益開關效應，是引起雷射脈衝中初始尖峰脈 衝的源頭。Pulser放電注入能量佔雷射器全部注入能量的比例0按下式計算3 = (1/2 X Cs X V2S) / (1/2 X Cs X V2s+l/2 X E C.XV2^)------(2)可見，減小⑵式的值就是要想方設法減少⑴式中的第一項，即pulser放電注 入能量，從而減小增益開關效應引起的初始尖峰脈衝。第三步，通過放電來優化pul ser/sustainer放電電路參數。在完成前兩步後，雷射器可以正常放電，輸出雷射，但是，還需要進一步優化pulser/sustainer放電電路參數。優化電路參數的方法是在雷射器保證總能量注入和正常 放電的前提下，逐步減小pulser放電電容值，直至獲得一個最小的pulser電容值。採用這 個最小的pulser電容值，雷射器能維持穩定的pulser/sustainer放電。實施這一步，有一個重要的注意點，優化後的pulser電容值應當不超過全部 sustainer電路電容值的10%。如果，pulser電容值難以減小，不能減小到總的sustainer 電容值的10%以下，則說明第一步的預電離電容值偏大，還需進一步減小預電離電容值。第四步，優化pulser電路充電電壓，選擇較低的、可保證雷射器正常放電的 pulser電路充電電壓作為雷射器的工作電壓。當實施完前面三步後，雷射器可以在不同的pulser電路充電電壓下進行正常放 電，本發明要求採用較低的pulser電路充電電壓作為雷射器的正常工作電壓。下面給出一個具體的實施實例，可以看出，按本發明設計的橫向激勵二氧化碳激 光器輸出雷射脈衝中由增益開關效應引起的初始尖峰脈衝不僅幅度和後部拖尾相當，而 且，初始尖峰脈衝所佔雷射脈衝總能量的分量可低於3. 5%。一臺橫向激勵二氧化碳雷射器，主放電電極長度900mm，寬度25mm，電極間 距52mm，採用雙邊火花針預電離，預電離電容由印製板技術設計而成，每個電容llpF， 每邊136個，雙邊共272個。雷射器工作氣體採用五種混合氣體組成，體積比為 V(C02) V(N2) V(He) V(C0) V(H2) = 6% 15% 64% 3. 2% 0.8%，總氣 壓30kPa。在這種混合氣下，當sustainer網絡參數為CI = C8 = C9 = C10 = 4nF, C2 = C3 = C4 = C5 = 16nF，C6 = C7 = 10nF and Li = 155uH(i = 1，2，…，10)時，經過優化的 pulser電容為Cs = 6nF。在這樣的參數下，當pulser充電電壓Vs = 30kV, sustainer電 路充電電壓為Vpfn = 36kV時，雷射器工作正常。這時，根據公式(2)，可計算得到pulser 放電注入能量只佔整個雷射放電注入能量的4%。雷射輸出脈衝波形如圖3所示。在圖3中，增益開關效應引起的初始尖峰脈衝的幅度和後部拖尾差不多，所佔整 個雷射脈衝能量份額很小。因為預電離放電還要消耗pulser放電注入能量，所以，圖3所 示的雷射脈衝中，初始尖峰脈衝所佔整個雷射脈衝能量的份額將小於4%。在上述參數下當pulser電路充電電壓Vs = 28kV，sustainer電路充電電壓為 Vpfn = 36kV時，雷射器依然工作正常。這時，根據公式(2)，可計算得到pulser放電注入 能量只佔全部放電注入能量的3.5%，減去部分主放電消耗，也就是說，增益開關效應引起 的初始尖峰脈衝不到全部雷射脈衝能量的3. 5%。
權利要求
一種減小橫向激勵二氧化碳雷射器輸出雷射脈衝初始尖峰方法，其特徵在於，包括步驟第一步，無論是採用雙邊電容耦合火化針預電離還是採用單邊電容耦合火化針預電離，減小與火化針耦合的預電離電容a)若為小放電體積雷射器，用電暈預電離方法減小預電離電容；b)當雷射器放電體積較大時，是通過印刷線路板預電離技術，隨需要改變預電離電容值的大小；第二步，使用橫向激勵二氧化碳雷射器長脈衝泵浦裝置中的泵浦電路，為pulser/sustainer放電電路；雷射器的全部注入能量E為E＝1/2×CS×V2S+1/2×∑Ci×V2pfn (1)(1)式中，Cs為Pulser放電電路總電容，Vs為Cs上的初始充電電壓，Ci(i＝1，2，…，n)為sustainer電路中脈衝形成網絡的電容，Vpfn為脈衝形成網絡電容上的初始充電電壓；Pulser放電屬於低感快脈衝放電，能夠產生增益開關效應，是引起雷射脈衝中初始尖峰脈衝的源頭，Pulser放電注入能量佔雷射器全部注入能量的比例β按下式計算β＝(1/2×CS×V2S)/(1/2×CS×V2S+1/2×∑Ci×V2pfn) -----(2)第三步，通過放電來優化pulser/sustainer放電電路參數；在完成前兩步後，雷射器正常放電，輸出雷射，在雷射器保證總能量注入和正常放電的前提下，逐步減小pulser放電電容值，直至獲得一個最小的pulser電容值，雷射器仍能維持穩定的pulser/sustainer放電；優化後的最小的pulser電容值≤全部sustainer電路電容值的10％；第四步，優化pulser電路充電電壓，選擇最小的，同時保證雷射器正常放電的pulser電路充電電壓作為雷射器的工作電壓。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第一步b)中的印刷線路板預電離技術， 為脈衝氣體雷射器中的印製板預電離技術，有效減小預電離電容。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第二步中，如果，pulser電容值難以減 小，不能減小到總的sustainer電容值的10%以下，則說明第一步的預電離電容值偏大，需 進一步減小預電離電容值。
全文摘要
本發明公開了一種減小橫向激勵二氧化碳雷射器輸出雷射脈衝初始尖峰方法，涉及氣體雷射器件技術，該方法包括減小與火化針耦合的預電離電容；使用pulser/sustainer放電電路；通過放電優化pulser/sustainer放電電路參數，使pulser電容值≤全部sustainer電路電容值的10％；選擇最小的pulser電路充電電壓，同時保證雷射器正常工作。本發明方法，可大大減小橫向激勵二氧化碳雷射器輸出雷射脈衝波形中由增益開關效應引起的初始尖峰脈衝的幅度和尖峰脈衝佔整個雷射脈衝總能量的百分含量。實施例表明，雷射器輸出脈衝中由增益開關效應引起的尖峰脈衝可減小到不到整個雷射脈衝能量的3.5％。
文檔編號H01S3/223GK101847819SQ20091008091
公開日2010年9月29日 申請日期2009年3月25日 優先權日2009年3月25日
發明者劉世明, 盧遠添, 吳謹, 王東蕾 申請人:中國科學院電子學研究所