CN100399650C - 脉冲气体激光器的预电离装置 - Google Patents

Abstract

本发明脉冲气体激光器的预电离装置，涉及气体激光器技术，适用于高重复频率脉冲气体激光器的预电离装置。本发明中表面预电离阵列位于主电极阴极一侧或两侧。该阴极同时也是预电离阵列电极对中的一个公共电极，预电离阵列电极对的另一个电极由多个相同的窄金属片组成。该金属片均匀敷在绝缘介质板上，绝缘介质板另一侧与主电极阴极侧面紧密相连。每个金属片与公共阴极形成电极对，当高压脉冲加在该电极对时，通过绝缘介质板表面形成多通道滑闪放电，产生高效的紫外光，为主放电空间提供丰富的初始电子。绝缘介质板还有均匀气流和减少气流损失的作用。这种结构有利于更高效地产生激光和延长气体的使用寿命，有较高的实用价值。

Description

脉冲气体激光器的预电离装置

技术领域

本发明与气体激光器有关，特别是一种高重复频率脉冲气体激光器的表面多通道滑闪预电离装置。

技术背景

脉冲气体激光器的性能(包括最大注入能量密度、激光光束质量等)，特别是TEACO₂激光器、准分子激光器、脉冲HF/DF化学激光器，主要依赖于气体介质的预电离程度，即依赖于放电空间在放电发展的起始阶段的电子浓度的分布情况，最常见的两种预电离方案是自由火花预电离和电晕预电离，对于高气压脉冲气体激光器，自由火花预电离比电晕预电离更有效。自由火花预电离发生的过程如下：储能电容通过电阻由高压电源充至特定高压，高压开关闭合后，由于预电离火花针间的距离比主放电电极间的距离小得多，因此先发生放电。产生的紫外光会使放电空间内的气体产生初始预电离。

在自由火花预电离时，产生预电离放电的火花针极容易烧蚀，如果某些火花针烧蚀尤为严重，将引起火花针间预电离放电的不同步，这将直接导致主放电的不均匀，影响激光器输出性能(包括激光脉冲能量、时间和空间分布)的重复性。在多次放电后，还容易产生污染物，降低气体的使用寿命，而且火花针极易烧蚀，需要经常更换。由于自由火花针对风速有很大的阻挡作用，这种结构也不利于激光器重复频率运转。

采用滑闪放电为激光器提供预电离，可以提供比自由火花预电离更高效的预电离，同时还可以避免自由火花预电离的缺点。滑闪放电是当高压脉冲加在两电极间时，沿绝缘介质表面形成的一种放电形式。放电产生的等离子体温度高达6×10⁴K，近年来常被用于产生强烈的紫外和极紫外光源，可以用做脉冲气体激光器的预电离源。滑闪放电是一种更适用于TEACO₂激光器、准分子激光器和脉冲HF/DF化学激光器的预电离方式。日本的Tatsuo等(参见“Avolumetricphto-preionizationinaco₂-lasergasmixturebyVUVradiation”Jpn.J.Appl.Phys19pp1189-1190，1980)比较了自由火花和表面滑闪放电形成的火花在CO₂激光混合气中产生电子的情况。实验结果表明，在电子产出率方面表面滑闪放电显得更有效，电子产出率是自由火花的3倍。Richardson等(参见“LargeapertureCO₂laserdischarges”IEEEJ.Quantum.ElectronQE-8pp934-939，1973)采用二维平面多通道滑闪放电为放电空间提供预电离，且滑闪表面位于网状电极下面，紫外光透过网孔来电离主放电空间内的气体分子，由一个公共电容控制预电离所消耗的能量，容易引起预电离的不均匀。

发明内容

本发明的目的在于为脉冲气体激光器提供一种高效的预电离装置，使得产生激光的效率更高、进一步提高预电离器本身和激光气体的使用寿命，还有助于提高激光器的重复频率和平均输出功率。

本发明的技术解决方案是：

一种脉冲气体激光器的预电离装置，为表面多通道滑闪预电离装置，其中，a)脉冲气体激光器中，主放电电极包括一对完全相同的实心阳极和阴极，阳极和阴极形成主放电空间中的电场是均匀电场；b)主放电电极形成的放电空间的初始电子由表面多通道滑闪放电提供，产生预电离放电的电极对中一个公共电极为主放电电极阴极，相对的另一电极为复数个均匀分布的窄金属片，两者由绝缘介质板连接，该介质板为滑闪放电提供爬电通道；c)每一个滑闪放电通道中的窄金属片都与各自独立、相同大小的耦合电容直接相连。

所述的预电离装置，其激光混合气体充满在激光器腔体中，其中的放电单元包括主放电实心阳极和实心阴极，电极对相对围成的空间为主放电空间，阳极与激光器腔体金属外壳相连，然后接地，阴极由尼龙棒支撑，然后通过引线与高压脉冲源相连；阴极两侧各有一块与其紧密连接的绝缘介质板，每块绝缘介质板远离阴极一侧下表面均匀分布有一排窄金属片，窄金属片与各自的预电离耦合电容相连，耦合电容通过激光器腔体金属外壳接地；窄金属片与阴极形成多个并联的预电离电极对；一侧绝缘介质板与一侧风道板相连。

所述的预电离装置，其所述绝缘介质板，为与阴极长度相同长方形平面薄板，其长轴方向与主放电方向垂直。

所述的预电离装置，其所述绝缘介质板，为陶瓷或环氧绝缘板，为耐烧蚀和化学特性稳定的长寿命绝缘材料制作。

所述的预电离装置，其所述绝缘介质板，该板平面与阴极表面的切平面夹角小于30度，该切平面与主放电方向垂直。

所述的预电离装置，其所述均匀分布的窄金属片，相邻窄金属片的间距为1-4厘米。

所述的预电离装置，其所述窄金属片与主放电电极阴极侧面的间距为1-3厘米。

所述的预电离装置，其所述窄金属片，为镍片。

所述的预电离装置，其所述耦合电容，为高压陶瓷电容。

本发明采用表面滑闪多通道放电来产生紫外光，大大延长了预电离器的使用寿命。产生表面滑闪放电所需的电压远低于产生自由火花所需的击穿电压，因此表面滑闪通道的长度可以很长。这种放电对预电离器的损害很小，即使在预电离金属片烧蚀严重时，仍然不会影响预电离放电的同步性。由于每次表面滑闪放电产生的杂质很少，可以提高激光器在重频运转时的重复频率，从而有助于激光器平均输出功率的提高，表面多通道滑闪放电还有助于提高激光器的输出的稳定性和重复性，提高激光器气体的使用寿命。

本发明给出一种新型的多通道表面滑闪放电结构，通过在实心电极两侧产生表面多通道滑闪放电，可以保证产生足够的初始电子浓度，提高激光器的注入能量，同时可以延长激光气体和火花针的使用寿命。尤其适用于高重复频率运转的脉冲气体激光器。

附图说明

图1为本发明脉冲气体激光器预电离装置结构示意图；

具体实施方式

一种脉冲气体激光器的预电离装置，为表面多通道滑闪预电离装置，其特征在于这种装置位于主放电阴极一侧或两侧放置。该装置由多组预电离电极并列组成，其中主放电阴极为预电离电极组的一个公共电极，预电离电极组的另一个电极为相同的窄金属片，该金属片应具有很强的抗烧蚀性，且易于加工，如镍片。为保证预电离的空间均匀性，相邻窄金属片的间距相等，一般为1-4厘米，金属片的具体数目依激光器的大小而定。产生预电离的电极对由一块耐烧蚀、化学特性稳定的绝缘材料(Al₂O₃、BaTiO₃、SrTiO₃等)介质平板连接，为了保证很好的导热性，介质板不宜太厚。窄金属片被均匀地固定在介质板的下表面一侧，介质板的上表面另一侧应该与阴极侧面紧密接触，为保证激光器能在重复频率模式高效运转，介质板表面与阳极表面的角度不宜过大，应不大于30度。由于产生表面滑闪放电所需的电压远低于产生自由火花所需的击穿电压，因此金属片与主放电电极阴极的间距可以很大，这样做的好处是可以避免主放电通过金属窄片形成的爬电现象，大大提高了滑闪预电离产生紫外光的利用率。在主放电发生之前，该介质板为多通道滑闪放电提供通道，每个窄金属片与公共阴极形成电极对，当高压脉冲加在该电极对时，通过绝缘介质板形成表面多通道滑闪放电，产生高效的紫外光，为主放电空间提供丰富的初始电子。而采用自由火花预电离方案时，为避免以上爬电现象，金属窄片应比阴极表面低3-5毫米，这会引起主放电空间对紫外光利用率的下降。

每一个滑闪放电通道中的金属窄片都与各自独立、相同大小的陶瓷电容直接相连，保证了预电离高效性和均匀性，同时为很好的光束质量的获得提供了很好的基础。通过更换不同大小的陶瓷电容可以控制滑闪放电消耗的能量，对预电离进行优化。表面多通道滑闪放电中的绝缘介质板，同时还起到辅助风道的作用。在重复频率运转时，可以减少气流的损失，提高放电区的风速，使放电区的风速更加均匀。

本发明脉冲气体激光器预电离装置的结构示意图，如图1所示。激光混合气体充满在激光器腔体1中，其中的放电单元包括实心均匀场主放电阳极2和阴极3，该电极对规定了主放电空间4，阳极2与激光器腔体金属外壳5相连，然后接地。阴极3由一定高度的尼龙棒6支撑，然后通过引线7与高压脉冲源相连。阴极3两侧各有一块与其紧密连接的绝缘介质板8，绝缘介质板8表面与阴极3表面的夹角小于15度。每块绝缘介质板8远离阴极3一侧均匀分布有一排窄金属片9，相邻窄金属片9的间距为2-4厘米。窄金属片9与各自的预电离耦合电容10相连，耦合电容10通过激光器腔体金属外壳5接地。窄金属片9与阴极3形成多个并联的预电离电极对，当外界高压脉冲加在阴极3的过程中，耦合电容10开始充电，窄金属片9与阴极3通过绝缘介质板8表面形成滑闪放电11。主放电空间4中的气体分子被电离，当阴极3的电压达到某个特定值时，阳极2和阴极3在主放电空间4形成均匀的辉光放电。在激光器重复频率运转时，绝缘介质板8可以看成风道板12的延续，可以减少气流的损失，提高放电区的风速，使放电区的风速更加均匀。

下面是一个具体的实施例：

一台充满气压为90kpa、混合比CO₂∶N₂∶He＝1∶1∶4的气体的激光器中，一对实心均匀场主电极规定的放电体积为40mm×50mm×800mm，阴极材料为A3钢，阳极材料为硬铝。阴极两侧各放置一块厚为2mm，与阴极长度相同的环氧绝缘板，环氧绝缘板一侧与阴极侧面紧密接触，其上表面比阴极表面低1mm。环氧绝缘板表面与阴极表面成15度角，环氧绝缘板另一侧表面均匀分布有48个窄镍片，镍片与阴极侧面的距离为10mm，每个窄镍片分别与350pF高压陶瓷电容相连然后接地。当高压脉冲在阴极形成时，镍片与阴极通过环氧绝缘板表面形成均匀的多通道滑闪放电，对主放电空间中的气体分子进行充分有效的电离，使得激光器的注入能量密度大大提高。实验结果表明在250J的能量注入时，激光器的放电仍然表现为均匀的辉光放电。进一步优化预电离结构，激光器的注入能量仍有提高的潜力。

综上所述，本发明是通过主放电电极侧面的平面多通道滑闪放电为主放电空间提供高效的预电离，提高激光器的注入能量和激光输出能量。该装置具有结构简单、装调方便、寿命长的优点。适合用做TEACO₂激光器、准分子激光器和脉冲HF/DF化学激光器的预电离器，尤其适用于高重复频率器件。

Claims (9)

1.一种脉冲气体激光器的预电离装置，为表面多通道滑闪预电离装置，其特征在于，a)脉冲气体激光器中，主放电电极包括一对完全相同的实心阳极和阴极，阳极和阴极形成主放电空间中的电场是均匀电场；b)主放电电极形成的放电空间的初始电子由表面多通道滑闪放电提供，产生预电离放电的电极对中一个公共电极为主放电电极阴极，相对的另一电极为复数个均匀分布的窄金属片，两者由绝缘介质板连接，该介质板为滑闪放电提供爬电通道；c)每一个滑闪放电通道中的窄金属片都与各自独立、相同大小的耦合电容直接相连。

2.如权利要求1所述的预电离装置，其特征在于，激光混合气体充满在激光器腔体中，其中的放电单元包括主放电实心阳极和实心阴极，电极对相对围成的空间为主放电空间，阳极与激光器腔体金属外壳相连，然后接地，阴极由尼龙棒支撑，然后通过引线与高压脉冲源相连；阴极两侧各有一块与其紧密连接的绝缘介质板，每块绝缘介质板远离阴极一侧下表面均匀分布有一排窄金属片，窄金属片与各自的预电离耦合电容相连，耦合电容通过激光器腔体金属外壳接地；窄金属片与阴极形成多个并联的预电离电极对；一侧绝缘介质板与一侧风道板相连。

3.如权利要求1或2所述的预电离装置，其特征在于，所述绝缘介质板，为与阴极长度相同长方形平面薄板，其长轴方向与主放电方向垂直。

4.如权利要求1或2所述的预电离装置，其特征在于，所述绝缘介质板，为陶瓷或环氧绝缘板，为耐烧蚀和化学特性稳定的长寿命绝缘材料制作。

5.如权利要求1或2所述的预电离装置，其特征在于，所述绝缘介质板，该绝缘介质板平面与阴极表面的切平面夹角小于30度，该切平面与主放电方向垂直。

6.如权利要求1或2所述的预电离装置，其特征在于，所述均匀分布的窄金属片，相邻窄金属片的间距为1-4厘米。

7.如权利要求1或2所述的预电离装置，其特征在于，所述窄金属片与主放电电极阴极侧面的间距为1-3厘米。

8.如权利要求1或2所述的预电离装置，其特征在于，所述窄金属片，为镍片。

9.如权利要求1或2所述的预电离装置，其特征在于，所述耦合电容，为高压陶瓷电容。

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