CN102025094B - 一种脉冲气体激光器的横向放电装置 - Google Patents

一种脉冲气体激光器的横向放电装置 Download PDF

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Abstract

一种脉冲气体激光器的横向放电装置，主放电阳极与主放电阴极上下相对安装，两者之间设有一间距，构成主放电电极对，由主放电电极对之间构成激光器工作气体主放电空间；两组管状同轴结构预电离器，分别位于主放电电极对的侧面，其对称轴与主放电电极对的对称轴平行；管状同轴结构预电离器最内层为导电金属材质的内电极管，该内电极管的长度大于或等于主放电空间长度，内电极管连接有导线；在内电极管的外侧设有绝缘电介质材料，构成电介质管；电介质管外侧套设有若干个导电金属材质的外电极环，与内电极管同轴向地排列而成，每两个相邻的外电极环之间设置一绝缘挡片，以避免相邻的外电极组件相互连接或放电形成电气连通。

Description

一种脉冲气体激光器的横向放电装置
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别是一种可实现均匀稳定紫外光预电离及主放电的高功率脉冲放电气体激光器紧凑结构电极系统。
背景技术
高功率脉冲气体激光器由于输出激光的单色性好、相干性好、方向性好、亮度高、输出波长在大气透射窗口以内，可输出功率大等特点，被广泛应用于激光加工、激光化学、激光大气探测、激光推进、科学实验等众多领域。在工作气体中形成均匀稳定的辉光放电是高功率脉冲气体激光器高效能工作的主要条件。为了获得高气压大体积中的均匀稳定辉光放电，需要应用预电离技术，采用带有预电离结构的电极系统。紫外光预电离方式由于在相对预电离强度、结构复杂度、制造及维护成本、实用性等诸多方面的优势，被广泛应用于各种脉冲气体激光器的电极系统。由于电极系统是安装在激光器腔体以内，就需要能够在封离腔体中的空间结构紧密、横向高速气体流动、高压脉冲放电等恶劣环境中工作。其发展趋势是使用能够与主电极对紧凑配合的一体化预电离器结构来组成高效能的横向放电电极系统。以往各种预电离方式所采用的预电离结构，如半导体预电离器、电晕预电离器、火花阵列预电离器等，存在着或预电离强度较低，或预电离均匀性较差，以及体积较大，结构制作较复杂，成本较高，绝缘耐压性能不理想，设计选择不灵活，安装、调整以及更换不方便等方面的不足，采用本发明可以较好地解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种脉冲气体激光器的横向放电装置，经克服公知技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供的脉冲气体激光器的横向放电装置，主要由主放电阳极、主放电阴极、管状同轴结构预电离器组成；其中：
主放电阳极与主放电阴极上下相对安装，两者之间设有一间距，构成主放电电极对，由主放电电极对之间构成激光器工作气体主放电空间；
两组管状同轴结构预电离器，分别位于主放电电极对的侧面，其对称轴与主放电电极对的对称轴平行；放电针的放电尖端与主放电阴极侧面相对，与主放电阴极之间形成预电离火花间隙；或
两组管状同轴结构预电离器放电针的放电尖端两两相对，放电尖端之间形成预电离火花间隙。
管状同轴结构预电离器最内层为导电金属材质的内电极管，该内电极管的长度大于或等于主放电空间长度，内电极管连接有导线；在内电极管的外侧设有绝缘电介质材料，构成电介质管；电介质管外侧套设有若干个导电金属材质的外电极环，与内电极管同轴向地排列而成，每两个相邻的外电极环之间设置一绝缘挡片，以避免相邻的外电极组件相互连接或放电形成电气连通。
其中内电极管为圆管状或圆柱状结构。
其中，绝缘电介质管为板材、管材或棒材加工制成，或由电介质膜卷制而成。
其中外电极环上均连接有放电针，放电针的放电尖端向外伸展，所有放电针的放电尖端呈一直线。
其中放电针为片状、针状、圆柱状或其它形状。
其中放电针采用焊接、嵌插或螺钉紧固方法固定于外电极环上。
本发明的脉冲气体激光器的横向放电装置，为高功率脉冲气体激光器提供一种实用、可靠并且高效的电极系统，其中管状同轴结构预电离器具有结构紧凑、绝缘性能好、适用于高重复频率放电等优点，能够在更紧凑的空间中产生更高的预电离强度并且具有极佳的均匀性。装置整体设计简单，参数选择灵活，便于安装、调整以及更换。该发明适用于脉冲CO2激光器、脉冲CO激光器、脉冲HF/DF激光器等多种脉冲气体激光器，可广泛应用于激光加工、激光化学、激光大气探测、激光推进、科学实验等众多领域。
附图说明
图1为本发明脉冲气体激光器的横向放电装置结构示意图(方式1)；
图2a为本发明中管状同轴结构预电离器结构示意图；
图2b为图2a的侧视图。
图3为本发明脉冲气体激光器的横向放电装置放电实验照片；
图4a为本发明脉冲气体激光器的横向放电装置放电电流的典型波形。
图4b为本发明脉冲气体激光器的横向放电装置放电电压的典型波形。
具体实施方式
本发明为一种脉冲气体激光器的横向放电装置，包括主放电阳极、主放电阴极、管状同轴结构预电离器以及相应的机械定位结构4部分；其中主放电阳极与主放电阴极以一定间距上下相对安装，构成主放电电极对，主放电电极对之间构成激光器工作气体主放电空间。管状同轴结构预电离器位于主放电电极对的侧面，其对称轴与主放电电极对的对称轴平行，能够产生均匀的电火花列阵，形成对主放电空间工作气体的预电离。管状同轴结构预电离器主要有两种典型的使用方式，方式1)管状同轴结构预电离器的放电针的放电尖端与主放电阴极侧面相对，与主放电阴极之间形成预电离火花间隙；方式2)两组管状同轴结构预电离器的放电针的放电尖端两两相对，放电尖端对之间形成预电离火花间隙。
其工作流程是：在激光器激励电路的脉冲高压开关导通以后，高压电脉冲加在主放电阳极与主放电阴极上，同时也加在管状同轴结构预电离器放电针与阴极之间(方式1)或放电针对之间(方式2)，管状同轴结构预电离器的内电极管、电介质管与外电极组件形成分布式电容耦合器，外电极组件的放电针与阴极之间(方式1)或外电极组件的放电针对之间(方式2)的气体首先击穿形成火花放电，产生电弧电流对该电容器充电，过程中放电火花产生强度较高、均匀性较好的紫外光辐射，在主放电空间工作气体中形成一定密度的初始电子分布，随后主电极对间辉光放电产生，预电离电容与激光器储能电容对主放电空间工作气体放电而完成整个脉冲激励过程。
为进一步说明本发明的技术特征，下面结合附图对本发明作详细描述。
图1为脉冲气体激光器的横向放电装置结构示意图。主放电阳极1与主放电阴极2以一定间距上下相对安装，构成主放电电极对，主放电电极对之间构成激光器工作气体主放电空间。主放电电极对的两侧面各设置一组管状同轴结构预电离器3，管状同轴结构预电离器3的对称轴与主放电电极对的对称轴平行。管状同轴结构预电离器3能够产生均匀的电火花列阵，形成对主放电空间工作气体的预电离。本例电极系统的有效放电长度约为600mm。本例中放电装置的单个管状同轴结构预电离器的总预电离电容值约为503pF，预电离器的放电针尖安装位置距离阴极表面约为4mm，高度在主放电阴极2平面以下3mm左右。本例中是将管状同轴结构预电离器3呈一定角度安装，使其整体位于主放电阴极2平面以下，既可以保证不阻碍主放电空间的横向气体流动，又可以使放电装置整体结构更加紧凑，还可以有效防止管状同轴结构预电离器的外电极8与主放电阳极1之间形成放电。为了使该放电装置的高重复频率工作性能更好，管状同轴结构预电离器的电介质管可选用高频损耗因数较小的材料，如本例所使用的聚酰亚胺材料。
图2a为管状同轴结构预电离器结构示意图，图2b是图2a的侧视图。内电极5为导电性能良好的金属导体管制成。外电极6为导电性能良好的金属导体管制成的导体环，固定于环上的放电针7以及设置于环间的绝缘挡片8构成，放电针7作为预电离放电火花针，而绝缘挡片8用来避免相邻的外电极组件相互连接或放电形成电气连通，同时在轴向上保证阵列式外电极组件之间的相对距离和均匀性；内电极5与外电极6之间为电介质管9部分，采用高压绝缘电介质材料，由尺寸合适的板材、管材、棒材或薄膜制成。在本例中：内电极管使用内直径为14mm，外直径为18mm，壁厚为2mm的紫铜管材加工制成，长度约为650mm，略大于电极系统主放电空间的有效放电长度；内电极引出线使用规格适当的高压导线；外电极环使用内直径为21mm，外直径为25mm，壁厚为2.5mm的紫铜管材加工制成宽度为5mm的铜环；绝缘挡片使用内直径为21mm，外直径为29mm的尼龙棒材加工制成宽度为2mm的尼龙环；外电极组件数目为82，其与所需绝缘挡片沿轴向交替循环排列构成82个阵列单元；电介质管使用广泛应用于高频高压薄膜电容的聚酰亚氨(PI)绝缘电介质材料，其具有相对介电常数适当、绝缘强度高、介质高频损耗因数小、耐燃烧与辐射等优异性能。
图3为该装置在一台TEA CO2激光器中采用时，激光器脉冲气体放电实验照片。激光器的储能电容约为60nF，工作气体配比CO2∶N2∶He为1∶1∶4，放电电极间距为50mm，激光器工作气体有效放电空间约为50×25×600mm3。从图中可以看出，主放电电极间呈现出均匀的辉光放电。
图4a和图4b为脉冲气体激光器的横向放电装置放电电压和电流的典型波形。从图中可以看出，主放电电压和电流的脉冲全宽度约为1.2μs，预电离放电电流的脉冲全宽度约为120ns，符合TEA CO2激光器正常辉光放电的典型放电参数特征。
综上所述，本发明所提出的脉冲气体激光器的横向放电装置，首次采用本发明所提出的管状同轴结构的预电离器，能够在较紧凑的结构中对主放电空间工作气体产生强度较高、均匀性较好的紫外光预电离，实现了激光器的均匀辉光放电。

Claims (5)

1.一种脉冲气体激光器的横向放电装置，主要由主放电阳极、主放电阴极、管状同轴结构预电离器组成；其中：
主放电阳极与主放电阴极上下相对安装，两者之间设有一间距，构成主放电电极对，由主放电电极对之间构成激光器工作气体主放电空间；
两组管状同轴结构预电离器，分别位于主放电电极对的侧面，其对称轴与主放电电极对的对称轴平行；
管状同轴结构预电离器最内层为导电金属材质的内电极管，该内电极管的长度大于或等于主放电空间长度，内电极管连接有导线；在内电极管的外侧设有绝缘电介质材料，构成电介质管；电介质管外侧套设有若干个导电金属材质的外电极环，与内电极管同轴向地排列而成，每两个相邻的外电极环之间设置一绝缘挡片，以避免相邻的外电极组件相互连接或放电形成电气连通；
其中，外电极环上均连接有放电针，放电针的放电尖端向外伸展，所有放电针的放电尖端呈一直线；
放电针的放电尖端与主放电阴极侧面相对，与主放电阴极之间形成预电离火花间隙；或两组管状同轴结构预电离器放电针的放电尖端两两相对，放电尖端之间形成预电离火花间隙。
2.根据权利要求1所述脉冲气体激光器的横向放电装置，其中，内电极管为圆管状或圆柱状结构。
3.根据权利要求1所述脉冲气体激光器的横向放电装置，其中，绝缘电介质管为板材、管材或棒材加工制成，或由电介质膜卷制而成。
4.根据权利要求1所述脉冲气体激光器的横向放电装置，其中，放电针为片状、针状、圆柱状或其它形状。
5.根据权利要求1或4所述脉冲气体激光器的横向放电装置，其中，放电针采用焊接、嵌插或螺钉紧固方法固定于外电极环上。
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